土体微观结构研究方法及应用

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1、同济大学博士后学位论文土体微观结构研究方法及应用姓名：刘莹申请学位级别：博士后专业：岩土工程指导教师：周键20030701摘要土体微观结构是土体的一个重要质量特征，对确定土的工程性质十分关键。它既反映了土体的形成条件，又是决定土体物理、力学及其它性质的重要因索。土体微观结构由基本单元体构成，通常称为结构单元体，结构单元体主要由单粒(原生矿物碎屑)和集粒(细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎屑被一些胶结物胶结而成的矿物集合体)组成。土体微观结构主要包括以下三个方面：(1)形态学特征，即结构单元体的大小、形状、表面特征及数量的比例关系；(2)几何学特

2、征，指的是结构单元体的空间布局：(3)能量学特征，指的是结构连结和结构总能量。工程土体在宏观上所表现出来的非连续、不均匀、各向异性和不确定性等复杂性特征，从根本上取决于土体微观结构的非连续性和不确定性，是其介质结构与组分非线性的直接体现。由于土体结构对土体工程性质有着重要的制约作用，对土体结构性的研究成为土力学研究的核心问题之一。因此，研究分析土体的微观结构，获得相应定性、定量化的信息意义重大。针对这一问题，作者在总结前人研究成果的基础上，结合近年来对土体微观结构的研究工作实践，对土体微观结构试样的选取、样品制备、试验以及图像处理进行了详细的阐述

3、和分析，并在此基础上构筑了一系列切实有效的操作方法，为更直接、更准确地获得微观结构信息提供了依据。土体微观结构的研究方法较多，从研究手段上可分为直接法和间接法。。这些技术手段各有特色，不同的研究方法所获得的微观结构信息各不相同。本文对近年来较常用研究方法的技术原理、使用优缺点进行了系统详细的分析、对比和研究。目前，扫描电子显微镜是对土体微观结构的最常用的也是比较有效的观察手段，通过扫描电子显微镜可获得大量直观的土体结构的形貌信息。文中较全面地介绍了扫描电子显微镜的工作原理、主要功能及使用方法。结构试样的制各程序较为复杂，是后期研究分析工作的基础，

4、因此，样品的制备对微观结构的观察至关重要。由于～些常用的观察土体结构的仪器，如扫描电子显微镜，需要干燥试样才能观察，因此需要专门的试样制备技术排除土中的孔隙水，并且不能破坏土体的原始结构。文中详细介绍了冷冻真空冻干一冻切法的原理和操作，并对制备过程中可能产生的问题进行了分析探讨，提供了解决的办法。结构定量信息的获取是进行定量化分析的先决条件，由于技术手段的限制，以往的研究多以定性描述为主，而定量方面的研究成果则相对较少。随着科学技术的发展、计算机技术的应用以及图像处理技术的不断提高，使定量评价‘L体微观结构成为可能。义中应用计算机图像处理技术对沉

5、积同化后的吹填士进行了微观结构的定量分析，以结构单元体的等效粒径和孔隙直径分别表示结构单元体、孔隙大小，以丰度表示结构单元体和孔隙的平面形态，以定向频率和定向分维数来表示结构单元体和孔隙的定向性，由此获得较为直观的微观结构的定量化数据。这些信息为吹填土性质的研究提供了重要的依据。最后，本文总结了不同类型土体微观结构类型、特征以及与土的工程地质性质的关系，针对不同类型的土体微观结构特征进行了深入研究和仔细分析，并进行了较为系统的总结。AbstractThemicrostructureisallimportantcharacteristicofsoi

6、l．Itissignificanttoconfirmtheengineeringproperties．Themicrostructureisnotonlyreflectedtheformconditions，butalsotheimportantfactortodeterminedphysical、mechanicalandotherproperties．Themicrostructureconsistsofstructuralelements．Thesinglegrain(originalmineralchipping)andaggregate

7、s(finemineralgrain，cementedoriginalmineralaggregates)constitutestructuralelement．Themicrostructureofsoilincludesthreeaspects：(1)morphologicalcharacters，thatissize，shape，surfacecharacterandproportionrelationofquantity；(2)geometricalfeaturesrefertospacearrangementofstructuralel

8、ement；(3)energycharacters，i．e．thestructurallinkageandtotalstructuree