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土体作为天然的地震缓冲介质和构筑物地基,其不同结构的阻尼特性尚需深入探究。本文研究了南昌地区位于不同深度的多种工程地基土体阻尼特性(包括粉土、粘性土、红土、淤泥土,其中粘性土细分为粉质粘土、淤泥质粉粘土和素填粘性土),不同土体原状样和重塑样之间的阻尼振幅谱变化规律。利用3D打印技术制备了微观土样模具和土体专用阻尼测试盒,借助能谱元素分析仪(EDS)获得了土体试样的元素成分,分析了不同三相配合比土体的阻尼振幅特征曲线变化特性。
创建了一套利用Matlab和ImageProPlus6.0软件编程实现的对电镜图片预处理的流程化方法,构建了系统化的图片处理命令流,命令中嵌入了多种图片处理手段和最优二值分割法(迭代法阈值分割);IPP软件则充分发挥了其快速识别提取的功能,大大降低了操作难度和工作量,同时增加了结果的可信度,准确得到微观参数。获得了不同土体微观结构图片及相应的微结构参数,并分析了原状土和重塑土微结构差异及微观参数变化规律。
创造性地将冷冻干燥技术与电镜图片微观参数提取技术相结合,研究并获得了分析结构性土体的阻尼与其三相(固、液、气)配比关系的方法。首次成功利用灰色关联法探究了土体微观参数与其阻尼的相关性。
得出以下主要结论:
(1)该不同土体阻尼损耗因子介于0.15—0.40之间,土体的阻尼峰多出现在振幅100um处,原状土和重塑土之间阻尼特性有明显差异,重塑样阻尼值均小于原状样,这和其土体结构性有关,通过EDS分析发现不同的矿物成分及含量也是导致差异性的原因。
(2)不同深度土体类别不一样,其微观结构也不同,土体阻尼特性也存在明显差异,阻尼值工程应用上必须区别取值。
(3)得到了温度、频率、振幅、土体固相含量和土体液相含量等不同因素对阻尼特性的影响主次,顺序为频率>温度>固相含量>液相含量>振幅,其中土体三相中对阻尼影响顺序为固相含量>液相含量>气相含量,其中正交试验中固相R值为0.246远大于气相的R值0.124。
(4)得到了南昌湾里不同三相配比重塑粉土土体的阻尼特性及改善关键点,即:
不同三相配比重塑粉土土体的阻尼振幅特性曲线均存在单个波峰的曲线形状特征,可为工程设计提供阻尼峰值利用的振幅参数合理设计参考。
固液含量变化对三相土阻尼的影响没有明显的单调变化规律,说明其土颗粒摩擦耗能和粘滞耗能以及微观孔隙结构的变化等众多因素交替影响复杂。
当固相含量提高,需要更多一些液相含量来使固相得到同等的湿润,增加固相土体的粘滞性,从而呈现同等的阻尼峰值。从大量液固含量对阻尼的影响曲线中峰值变化的规律不明显可知,固相合适的湿润状态(摩擦耗能与粘滞耗能优化)不仅取决于液固比,还与颗粒孔隙微观结构参数相关,找到其综合参数是进一步深入研究的方向。
(5)提出了三相配合系数γ(three-phase coefficient)的表达式(Vw/Vs)?1/e2,该三相系数包含了土体中不同相的参数,当土体完全饱和,γ等于孔隙比e的倒数;当土体不含水时,γ等于0。借助三相配合系数和振幅作3D图可以更直观地看出阻尼与三相配合系数的关系,但三相配合系数还不是关键综合指标参数。
(6)得到土体中四个主要微观参数对土体阻尼的影响规律,即:EDS能谱结果显示,试样土中主要的元素组成有C、O、Mg、Al、Si、K和Fe等,除氧元素含量最大之外,非金属元素Si最多,含量为14.42%,它是二氧化硅的主要构成元素;金属元素含量最多的是Al元素,占比为7.71%,它是氧化铝的主要构成元素。
土样的微观参数并没有随着三相配合比中某一相的增加而出现规律性变化,而是出现了跳跃性变化,反映出微观参数变化对土体阻尼变化的影响比三相配合比更相关,更能反映阻尼微观机理。
孔隙形状系数和颗粒形状系数与土体阻尼之间存在明显的函数关系,均符合正弦函数关系,通过对颗粒或孔隙形状系数的改变可对土体阻尼进行有效的影响。而孔隙概率熵和颗粒概率熵与阻尼之间没有明显的规律性,较难控制,孔隙或颗粒概率熵表征了孔隙或颗粒排列的随机程度,概率熵越大,说明排列越随机,当各向同性差时,不同角度的振动会产生差异性较大的阻尼响应。
创建了一套利用Matlab和ImageProPlus6.0软件编程实现的对电镜图片预处理的流程化方法,构建了系统化的图片处理命令流,命令中嵌入了多种图片处理手段和最优二值分割法(迭代法阈值分割);IPP软件则充分发挥了其快速识别提取的功能,大大降低了操作难度和工作量,同时增加了结果的可信度,准确得到微观参数。获得了不同土体微观结构图片及相应的微结构参数,并分析了原状土和重塑土微结构差异及微观参数变化规律。
创造性地将冷冻干燥技术与电镜图片微观参数提取技术相结合,研究并获得了分析结构性土体的阻尼与其三相(固、液、气)配比关系的方法。首次成功利用灰色关联法探究了土体微观参数与其阻尼的相关性。
得出以下主要结论:
(1)该不同土体阻尼损耗因子介于0.15—0.40之间,土体的阻尼峰多出现在振幅100um处,原状土和重塑土之间阻尼特性有明显差异,重塑样阻尼值均小于原状样,这和其土体结构性有关,通过EDS分析发现不同的矿物成分及含量也是导致差异性的原因。
(2)不同深度土体类别不一样,其微观结构也不同,土体阻尼特性也存在明显差异,阻尼值工程应用上必须区别取值。
(3)得到了温度、频率、振幅、土体固相含量和土体液相含量等不同因素对阻尼特性的影响主次,顺序为频率>温度>固相含量>液相含量>振幅,其中土体三相中对阻尼影响顺序为固相含量>液相含量>气相含量,其中正交试验中固相R值为0.246远大于气相的R值0.124。
(4)得到了南昌湾里不同三相配比重塑粉土土体的阻尼特性及改善关键点,即:
不同三相配比重塑粉土土体的阻尼振幅特性曲线均存在单个波峰的曲线形状特征,可为工程设计提供阻尼峰值利用的振幅参数合理设计参考。
固液含量变化对三相土阻尼的影响没有明显的单调变化规律,说明其土颗粒摩擦耗能和粘滞耗能以及微观孔隙结构的变化等众多因素交替影响复杂。
当固相含量提高,需要更多一些液相含量来使固相得到同等的湿润,增加固相土体的粘滞性,从而呈现同等的阻尼峰值。从大量液固含量对阻尼的影响曲线中峰值变化的规律不明显可知,固相合适的湿润状态(摩擦耗能与粘滞耗能优化)不仅取决于液固比,还与颗粒孔隙微观结构参数相关,找到其综合参数是进一步深入研究的方向。
(5)提出了三相配合系数γ(three-phase coefficient)的表达式(Vw/Vs)?1/e2,该三相系数包含了土体中不同相的参数,当土体完全饱和,γ等于孔隙比e的倒数;当土体不含水时,γ等于0。借助三相配合系数和振幅作3D图可以更直观地看出阻尼与三相配合系数的关系,但三相配合系数还不是关键综合指标参数。
(6)得到土体中四个主要微观参数对土体阻尼的影响规律,即:EDS能谱结果显示,试样土中主要的元素组成有C、O、Mg、Al、Si、K和Fe等,除氧元素含量最大之外,非金属元素Si最多,含量为14.42%,它是二氧化硅的主要构成元素;金属元素含量最多的是Al元素,占比为7.71%,它是氧化铝的主要构成元素。
土样的微观参数并没有随着三相配合比中某一相的增加而出现规律性变化,而是出现了跳跃性变化,反映出微观参数变化对土体阻尼变化的影响比三相配合比更相关,更能反映阻尼微观机理。
孔隙形状系数和颗粒形状系数与土体阻尼之间存在明显的函数关系,均符合正弦函数关系,通过对颗粒或孔隙形状系数的改变可对土体阻尼进行有效的影响。而孔隙概率熵和颗粒概率熵与阻尼之间没有明显的规律性,较难控制,孔隙或颗粒概率熵表征了孔隙或颗粒排列的随机程度,概率熵越大,说明排列越随机,当各向同性差时,不同角度的振动会产生差异性较大的阻尼响应。