土體微細(xì)結(jié)構(gòu)理論與試驗(yàn)

前言

　　土體力學(xué)性質(zhì)差異很大，具有非常復(fù)雜的非線性特征。長期的工程實(shí)踐表明，土體的宏觀工程性質(zhì)受微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和變化規(guī)律影響，其復(fù)雜的物理力學(xué)性狀是微細(xì)結(jié)構(gòu)特性的具體體現(xiàn)。土體微細(xì)結(jié)構(gòu)的多樣性和易變性決定了土體工程性質(zhì)在宏觀上的非連續(xù)性、不均勻性、各向異性和非確定性。土體微細(xì)結(jié)構(gòu)的特性很難用傳統(tǒng)的、基于線性分析基礎(chǔ)之上的技術(shù)方法加以準(zhǔn)確表達(dá)。因此，土體微細(xì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及其對宏觀力學(xué)行為影響的研究是近年來巖土學(xué)術(shù)界和工程界的前沿課題，也是巖土力學(xué)進(jìn)一步發(fā)展必須解決的問題之一。該方向的研究對合理解釋和準(zhǔn)確模擬巖土材料在宏觀上的非連續(xù)性、不均勻性、各向異性和非確定性具有重要意義?！　⊥ㄟ^開展土體微細(xì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究和理論分析，可以為土體宏觀理論建立提供重要的依據(jù)，有利于土體固結(jié)、流變機(jī)理的深入研究，而且對分析和評價(jià)土體工程性質(zhì)及其對工程建筑的適應(yīng)性也有著明顯的現(xiàn)實(shí)性。本書是在作者總結(jié)近年來巖土微細(xì)結(jié)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上撰寫而成的，代表了作者多年來在這方面的最新研究成果。本書共分十一章。第一章介紹了土體微細(xì)結(jié)構(gòu)研究歷程，以及土體微細(xì)結(jié)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究方法；第二章介紹了作者自行開發(fā)的巖土材料微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成和試驗(yàn)方法；第三章介紹了圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取；第四章介紹了利用數(shù)字圖像信息測量位移、變形，以及土體微細(xì)結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的方法；第五章研究了黏性土壓縮變形過程中微細(xì)結(jié)構(gòu)的特征和特征量的確定方法，以及黏性土壓縮變形與微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系；第六章研究了三軸壓縮條件下黏性土強(qiáng)度特性與結(jié)構(gòu)要素之間對應(yīng)的變化關(guān)系和壓縮特性與微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的內(nèi)在相關(guān)性；第七章從微細(xì)結(jié)構(gòu)變化角度研究和探討了水泥土強(qiáng)度增長機(jī)理和受載破壞機(jī)制；第八章研究了水泥土在環(huán)境侵蝕過程中微結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化規(guī)律，以及水泥土在環(huán)境侵蝕過程中宏觀力學(xué)特征參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性；第九章研究了生態(tài)土在連續(xù)荷載作用下微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化規(guī)律；第十章研究了生態(tài)土在化學(xué)溶蝕作用下微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化規(guī)律；第十一章在微細(xì)結(jié)構(gòu)定量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，深入研究了黏性土固結(jié)變形和剪切破壞非均勻性隨微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化情況。

內(nèi)容概要

　　《土體微細(xì)結(jié)構(gòu)理論與試驗(yàn)》是作者在土體微細(xì)結(jié)構(gòu)理論與試驗(yàn)方面已取得的研究成果的基礎(chǔ)上撰寫而成的。全書共分十一章，包括土體微細(xì)結(jié)構(gòu)研究方法、土體微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)、土體微細(xì)結(jié)構(gòu)圖像的處理方法、利用數(shù)字圖像測量微細(xì)觀幾何量的方法、黏性土壓縮變形的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化分析、黏性土的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究、溫度變化對水泥土強(qiáng)度影響的微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究、侵蝕環(huán)境下水泥土的微觀變化試驗(yàn)研究、連續(xù)荷載作用下生態(tài)土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究、化學(xué)溶蝕作用下生態(tài)土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究、微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究在理論分析中的應(yīng)用?！锻馏w微細(xì)結(jié)構(gòu)理論與試驗(yàn)》可供土木、水利、交通等領(lǐng)域從事科研、設(shè)計(jì)工作的科研人員參考，也可作為高等院校巖土工程等相關(guān)專業(yè)研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

前言第一章 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)研究方法1.1 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)1.2 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)研究歷程1.3 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究方法1.3.1 微細(xì)結(jié)構(gòu)1.3.2 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法1.3.3 試驗(yàn)研究方法1.4 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的研究手段1.4.1 直接試驗(yàn)手段1.4.2 間接試驗(yàn)手段第二章 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)2.1 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)靜態(tài)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)原理2.1.1 測試系統(tǒng)組成2.1.2 試驗(yàn)原理2.2 試驗(yàn)方法2.2.1 試驗(yàn)步驟2.2.2 適用范圍和主要特點(diǎn)2.3 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)全自動三維跟蹤光學(xué)動、靜態(tài)測試系統(tǒng)2.3.1 全自動三維跟蹤控制系統(tǒng)2.3.2 圖像采集系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)2.4 土體顯微成像跟蹤技術(shù)2.4.1 目標(biāo)運(yùn)動參量在圖像平面上的表示方法2.4.2 適于土顆粒運(yùn)動跟蹤的相關(guān)公式2.4.3 圖像跟蹤步驟第三章 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)圖像的處理方法3.1 試驗(yàn)圖像采集和處理3.1.1 圖像的輸入和輸出3.1.2 圖像的前處理3.1.3 圖像預(yù)處理3.1.4 圖像的處理3.1.5 圖像的分割3.1.6 圖像的融合3.2 微細(xì)結(jié)構(gòu)圖像特征的提取3.2.1 紋理特征提取3.2.2 形狀特征提取3.2.3 其他特征提取第四章 利用數(shù)字圖像測量微細(xì)觀幾何量的方法4.1 數(shù)字圖像相關(guān)檢測的數(shù)學(xué)模型4.1.1 數(shù)字圖像相關(guān)檢測的數(shù)學(xué)模型4.1.2 識別過程的數(shù)學(xué)描述4.1.3 識別函數(shù)4.2 相對變形對數(shù)字圖像相關(guān)檢測的影響4.2.1 圖像位移的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式4.2.2 消除相對變形對圖像識別影響的方法4.2.3 提高數(shù)字圖像識別的措施4.3 利用數(shù)字圖像測量位移和變形的方法4.3.1 圖像位移與實(shí)際位移的關(guān)系4.3.2 兩時(shí)刻間相對位移和變形的計(jì)算方法4.3.3 連續(xù)計(jì)算相對位移和變形的步驟4.3.4 誤差分析4.4 土體微細(xì)結(jié)構(gòu)幾何特征參數(shù)的測量方法4.4.1 邊界的提取方法4.4.2 形狀特征參數(shù)的提取方法第五章 黏性土壓縮變形的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化分析5.1 黏性土的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征5.1.1 黏性土微細(xì)結(jié)構(gòu)和存在形式5.1.2 黏性土微細(xì)結(jié)構(gòu)的特征5.1.3 微細(xì)結(jié)構(gòu)與土體工程特性5.2 黏性土壓縮變形過程中微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化5.2.1 顆粒形態(tài)5.2.2 顆粒排列形式5.2.3 孔隙性5.2.4 聯(lián)結(jié)形式5.3 黏性土微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)5.3.1 顆粒幾何特征參數(shù)5.3.2 孔隙性特征參數(shù)5.3.3 聯(lián)結(jié)形式特征參數(shù)5.4 黏性土壓縮變形與微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系5.4.1 黏性土壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析5.4.2 黏性土壓縮變形與微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系第六章 黏性土的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究6.1 三軸壓縮試驗(yàn)中黏性土的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律6.1.1 微細(xì)結(jié)構(gòu)定量分析試驗(yàn)步驟6.1.2 加載過程中微細(xì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律6.2 黏性土的強(qiáng)度特性與微細(xì)結(jié)構(gòu)特征關(guān)聯(lián)分析6.2.1 黏性土的強(qiáng)度特性6.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與強(qiáng)度特性的多元回歸分析6.3 黏性土微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與壓縮特性分析6.3.1 黏性土的宏觀物理力學(xué)試驗(yàn)6.3.2 黏性土微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)6.3.3 壓縮系數(shù)與微結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸分析第七章 溫度變化對水泥土強(qiáng)度影響的微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究7.1 試驗(yàn)方案7.2 水泥土微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析7.2.1 隨齡期增長水泥土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)7.2.2 單軸壓縮條件下水泥土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)7.3 從微細(xì)結(jié)構(gòu)變化分析水泥土強(qiáng)度增長機(jī)理7.3.1 水泥土不同齡期強(qiáng)度演化特性分析7.3.2 從微細(xì)結(jié)構(gòu)演化角度分析水泥土強(qiáng)度增長7.4 單軸壓縮狀態(tài)下水泥土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化研究7.4.1 微細(xì)結(jié)構(gòu)演化與宏觀力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系7.4.2 荷載作用下水泥土微細(xì)結(jié)構(gòu)演化特性分析第八章 侵蝕環(huán)境下水泥土的微觀變化試驗(yàn)研究8.1 水泥土侵蝕環(huán)境設(shè)計(jì)8.1.1 試驗(yàn)材料8.1.2 試樣制備8.1.3 侵蝕溶液制備及其pH的維護(hù)8.1.4 試驗(yàn)步驟8.2 侵蝕性環(huán)境下水泥土的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律分析8.2.1 侵蝕過程中水泥土微結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的定性分析8.2.2 侵蝕過程中水泥土微結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的定量分析8.3 侵蝕性環(huán)境下水泥土力學(xué)性能變化的微觀機(jī)理分析8.3.1 酸性溶液侵蝕下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)特征8.3.2 堿性溶液侵蝕下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)特征8.3.3 NaCl溶液侵蝕下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)特征8.3.4 無污染水侵蝕下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)特征8.3.5 侵蝕性環(huán)境下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的微結(jié)構(gòu)特征分析第九章 連續(xù)荷載作用下生態(tài)土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究9.1 生態(tài)土的物理特性9.1.1 物理指標(biāo)9.1.2 有機(jī)質(zhì)分析9.1.3 化學(xué)分析9.2 試驗(yàn)方案9.2.1 試樣制備9.2.2 試驗(yàn)步驟9.3 試驗(yàn)結(jié)果9.4 微細(xì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化規(guī)律分析9.4.1 顆粒、孔隙面積比例變化規(guī)律9.4.2 圖像灰度熵變化規(guī)律9.4.3 顆粒、孔隙數(shù)目及粒度變化規(guī)律9.4.4 顆粒、孔隙定向度變化規(guī)律9.4.5 顆粒、孔隙分布分維變化規(guī)律9.4.6 顆粒圓度變化規(guī)律9.4.7 歐拉數(shù)變化規(guī)律9.4.8 微細(xì)結(jié)構(gòu)特性演化與宏觀力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系9.5 連續(xù)荷載作用下不同土性的微細(xì)結(jié)構(gòu)演化規(guī)律比較9.5.1 三種土的宏觀力學(xué)特性9.5.2 三種土微細(xì)結(jié)構(gòu)演化特性比較第十章 化學(xué)溶蝕作用下生態(tài)土微細(xì)結(jié)構(gòu)變化試驗(yàn)研究10.1 試驗(yàn)方案10.1.1 化學(xué)溶液的配制10.1.2 pH的控制10.1.3 容器、溫度、時(shí)間的詵檉10.1.4 試驗(yàn)步驟10.2 試驗(yàn)結(jié)果分析10.2.1 土的質(zhì)量損失率10.2.2 溶蝕反應(yīng)的化學(xué)機(jī)理10.2.3 溶蝕反應(yīng)的微觀變化第十一章 微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究在理論分析中的應(yīng)用11.1 黏性土固結(jié)變形的遞推計(jì)算方法11.1.1 固結(jié)過程中微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化11.1.2 土體固結(jié)的本構(gòu)方程11.1.3 土體固結(jié)變形的數(shù)值計(jì)算方法11.1.4 計(jì)算步驟和算例11.2 黏性土剪切破壞的非均勻性分析11.2.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與微細(xì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性11.2.2 分布函數(shù)11.2.3 分布函數(shù)中待定常數(shù)的確定方法11.2.4 試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算和分析主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　2.顆粒形狀　　顆粒形狀一般采用形狀因子表征，不同的定義方法對應(yīng)著相應(yīng)的形狀因子，比較形象的方法是通過采用與球狀的偏離來表示，吳義祥采用RP-B／L（L為顆粒的最長弦，B為垂直最長弦的寬度）表示顆粒的形狀因子，稱之扁圓度。顯然，扁圓度反映了顆粒的狹長程度，其值介于0～1之間，其值越大，越接近于等軸形態(tài)。研究表明，在壓縮變形過程中，顆粒的初始扁圓度越高，其顆粒形狀改變越明顯，表現(xiàn)為狹長度增大即扁圓度值降低。另外，初始扁圓度值越高，其下降過程持續(xù)的壓力范圍越大。對于自然狀態(tài)下扁圓度偏低土（黏性土偏高），壓力變化對扁圓度影響不大，加載初期幾乎沒有影響，此時(shí)，顆粒是以整體轉(zhuǎn)動來調(diào)整適應(yīng)壓力的變化。當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，顆粒的扁圓度才有所增大，但變化的幅度不大。　　3.顆粒表面凹凸性　　顆粒表面凹凸性對土體的抗剪強(qiáng)度和滲透性等均有影響，然而，現(xiàn)有測試技術(shù)還無法準(zhǔn)確地觀測到它的變化。在圖像處理中，只能通過對顆粒的邊界（二維）特征進(jìn)行分析，得到顆粒表面凹凸性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于缺少必要的試驗(yàn)依據(jù)，對顆粒表面凹凸性的研究仍停留在定性階段。一般而言，顆粒表面不平整使顆粒之間構(gòu)成點(diǎn)狀聯(lián)結(jié)的概率較大，在外力作用下，土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較差，易于被壓縮。隨著外力增加或作用時(shí)間延長，顆粒表面凹凸性將向減小的方面發(fā)展（導(dǎo)致在微細(xì)結(jié)構(gòu)圖像上顆粒表面輪廓線模糊變粗），凹凸性的減小使土體的抗壓縮性能變強(qiáng)，但從整個(gè)變形過程看，黏性土的這種改變不大。

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