土微观机理研究
《冻融循环作用下黄土抗剪强度及微观结构研究》范文
《冻融循环作用下黄土抗剪强度及微观结构研究》篇一一、引言黄土作为我国广泛分布的一种特殊土质，其工程性质受环境因素影响显著。
冻融循环作为气候变化的典型表现之一，对黄土的抗剪强度及微观结构产生重要影响。
本文旨在研究冻融循环作用下黄土的抗剪强度变化规律及其与微观结构的关系，为黄土地区工程建设提供理论依据。
二、研究区域与材料本研究选取了我国黄土高原地区作为研究区域，该地区黄土分布广泛，具有典型的区域特点。
实验材料主要采自该地区具有代表性的黄土层，经过风干、粉碎、过筛等处理后，得到用于实验的黄土试样。
三、研究方法1. 抗剪强度实验抗剪强度实验采用直剪试验方法，分别在冻融循环前、后对黄土试样进行剪切，记录不同冻融循环次数下的抗剪强度变化。
实验过程中控制温度、湿度等环境因素，以保证实验结果的准确性。
2. 微观结构观察微观结构观察采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等方法。
通过SEM观察黄土的微观形态、颗粒分布及孔隙结构等特征；通过XRD分析黄土的矿物成分及结晶程度。
四、实验结果与分析1. 抗剪强度变化规律实验结果显示，随着冻融循环次数的增加，黄土的抗剪强度呈现先增大后减小的趋势。
在冻融初期，由于冰晶的形成和膨胀作用，黄土颗粒间的接触面积增大，导致抗剪强度增加；随着冻融循环次数的增加，黄土颗粒逐渐破碎，孔隙增大，导致抗剪强度降低。
2. 微观结构变化特征通过SEM和XRD分析，发现冻融循环对黄土的微观结构产生显著影响。
冻融初期，黄土颗粒间的冰晶形成和膨胀作用使颗粒间的接触更加紧密；随着冻融循环次数的增加，黄土颗粒逐渐破碎，孔隙增大，导致微观结构疏松。
同时，XRD分析表明，冻融循环对黄土的矿物成分和结晶程度也有一定影响。
五、讨论与结论本研究表明，冻融循环对黄土的抗剪强度及微观结构产生重要影响。
在工程实践中，需要充分考虑冻融循环对黄土地区工程建设的影响。
为提高黄土地区的工程稳定性，可以采取以下措施：一是加强黄土的固结和加固，提高其抗剪强度；二是通过改善排水条件、减少地表水渗入等方式，降低冻融循环对黄土的影响。
硅藻土改性沥青微观机理研究
参考文献 ：
１ Ｓ ｇ ａｉｎ ，． ｓｉ Ｋ ｉｅ ｎ ． Ｃ ｕｈｙ ． ，Ｒ ｌ 权景 纯最 ． ｙ 及进 一步 求 出最 佳平 差参 数 ，极 大地 限 制 ［】 Ｍ．Ａ ｂ ｂａ，ＳＦ Ｍａｒ ．．Ｍ ｌｒＡ ｄ ＴＫ． ａｇ ｅ ：
收 稿 日期 ：０ ６ ５ ２ ２０－ － ２
实 际分 布状况 以及与 沥青 之 间的吸 附和粘 结状 况 。通
过材料微观形貌学 ， 可以研究硅改沥青胶浆的组成 ， 了
以上分 析进 一步 表 明本文 提 出的采用 桥梁 低 阶动
态 测试 模态 结果 对桥 梁结 构构件 刚 度运用 带 约束条 件
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这 与许 多研 究结 论是一 致 的 。
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硅 藻 土 ห้องสมุดไป่ตู้ ， 沥 青 微 观 机 理 研 究 Ｉ 生
鲍 燕 妮 石 鸿。 朱 晓宇
支护结构上水土共同作用的微观机理研究
第 １ 期
蒋希雁 ，等 ：支护结构上水土共 同作用 的微观机理研 究
２ ３
着与颗粒表面距离增加而减弱 ．较为形象、直观 的模 式是前 苏联学者 Ｐ ． Ｉ ４ ． 兹洛切 夫斯基卡娅基 的结构图 该学者基于结合水的性质和形成机理 ， 将粘性土
１试验 微观分析
１ ． １ 土体 中 的孔 隙
文献 ［ １ ３ ］对具有天然原状结构的粘性土进行 孔隙分布试验 ，粗 略将土中孔隙分为 ５ 类 ：①大孔隙， 孔径 ｄ＞８岬 ，包括孤立孔隙和部分连通的粒问孔隙，内含结合水和 自由水 ，后者 占主导地位 ；②中孑 Ｌ 隙，孔径 ３ ｇ ｍ ≤ ｄ＜８ ｇ ｍ ，以粒间孔隙为主 ，包括部分大孔隙压缩转换而来的孔隙 ，孔隙直径大 ， 连通 性 好 ，对 土 的压 缩性 及 渗 透 性 影 响显 著 ，孔隙 水 以 自由水 为主 ，结合 水 次 之 ；③ 小 孔 隙 ，孔径 ０ ． ３ ｇ ｍ ≤ ｄ＜３ ， 含 部 分 粒 内 孔 隙 以 及 由 上 两 级 孔 隙 压 缩 后 的 孔 隙 ；④ 微 孔 隙 ， 孔 径
无粘性土 由于颗粒粗大 ， 颗粒表面没有 电性 ，比表面面积小 ，孔隙水的存在形式是 自由水，孔隙水之 间互相连通 ，能 自由传递应力 ．在粘性土中 ， 粘粒的含量和类型对土的性质起着决定性 的作用 ． 粘粒粒径 般小于 ２ ～ ５ ｍ， 颗粒表面带有负 电荷 ，比表面积大 ， 孔隙水受粘粒表面 电性吸引， 形成双 电层 ， 孔隙水 受 土粒 表 面双 电层 的影 响程度 分为 强结 合水 、弱 结合 水 、毛细 水、重 力 水 ４种 形 式 ．前 ２种 合称 结合 水 ，
支护结构上水土共 同作用 的微观机理研究
蒋希雁 ，周若 雯
（ １ ．河北建筑 工程 学院土木工程 学院，河 北 张家 口 ０ ７ ５ ０ ２ ４ ；２ ． 河 北省第 四建筑工程有 限公司 ，河北 石家庄 ０ ５ ０ ０ ０ ０ ） 摘要 ： 为解决水土压力合算和分算 的争议 ，从理论 上证 明粘性 土水土合算在某 些情况下 的合理性 ， 基于微观层 面分析 了土 中 孔隙及土中水的类型及特征 ， 研究 了水土共 同作用的微观机理 ， 建立 了临界重度 方程及估算公式 ，给出了粘性 土传递 孔隙水 压力的判别公式 ；选取不同地 区粘性 土 ， 进行重 力失 水试 验 ， 试 验结果表明 ：试验值 与公式计算值差 异很小 ，试验验证 了公
膨胀土干湿循环效应与微观机制研究的开题报告
膨胀土干湿循环效应与微观机制研究的开题报告一、研究背景及意义膨胀土是一种广泛分布于我国北方、西北地区的一种特殊土壤类型，其在干湿变化过程中具有明显的体积变化，导致了该地区在工程建设、农业生产等领域面临着巨大的困难和挑战。
因此，对膨胀土的干湿循环效应及微观机制研究具有重要的理论和实践意义。
目前，国内外对膨胀土的研究主要集中在其宏观力学性质和宏观水文地质特性上，而对其微观机制研究仍处于初级阶段。
因此，深入探究膨胀土的微观机制，对于有效应对膨胀土引发的工程问题，提高膨胀土的利用率以及维护生态环境等具有重要意义。
二、研究内容本论文将通过以下几个方面展开研究：1. 膨胀土干湿循环效应的实验研究利用室内模型试验和室外场试验，深入探究膨胀土在干湿循环过程中的体积变化特征，及其与孔隙水压、温度、外部荷载等因素的关系。
2. 膨胀土微观结构的分析通过扫描电镜、透射电镜等技术手段，研究膨胀土微观结构的组成、分布以及与干湿循环效应的关系，探究其体积变化机制。
3. 膨胀土孔隙结构的定量分析通过孔隙度、孔径分布等参数对膨胀土孔隙结构进行定量分析，分析孔隙结构与膨胀土的干湿循环效应之间的关系。
三、研究方法1.实验设计选取不同类型的膨胀土进行室内和室外试验，以不同的干湿循环方式和不同的外部荷载条件等因素作为试验参数，通过综合分析试验结果，探究膨胀土的干湿循环效应及其与微观结构之间的关系。
2. 扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）技术的应用利用SEM和TEM技术，对膨胀土的组成、结构、孔隙结构及其与干湿循环效应之间的关系进行详细观察和分析。
3. 数值模拟采用有限元方法，建立膨胀土的数值模型，模拟膨胀土在不同干湿循环和荷载条件下的孔隙压力、温度和应力场分布规律，探究膨胀土体积变化的微观机制。
四、预期成果通过对膨胀土干湿循环效应与微观机制的研究，预计达到以下几个方面的成果：1. 揭示膨胀土的微观机制和体积变化规律，在工程建设和农业生产等领域提供理论支持。
石灰改良滨海相盐渍土强度形成微观机理研究
不 浸水无 侧 限抗６ ∞ 压 ∞ ５ 强度 ∞ ４ 指标见 ∞ ３ ∞ ２ ∞ １ 表 Ｏ ３ 。
２ ． ３ 微 观参 数与 强度 指标 的关 系
按 照 改 良盐渍 土微 观 结 构 Ｓ Ｅ Ｍ 图像 特 征 参 数
卯∞如∞∞
提取操 作 步骤 ， 提 取 的改 良盐 渍 土 微 观 结 构 图 像 特
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微 观指标 与 改 良盐渍 土 的强度 指标具 有较 好 的相关
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性， 随着颗粒 椭 圆度 、 颗粒 个数 、 孔 隙个数 、 孑 Ｌ 隙等效 圆直径 、 孔洞 率 的降低及 颗粒 等效 圆直径 的提高 ， 改
的颗 粒个 数越少 ， 颗 粒 更 趋 向于 圆形 ， 颗 粒越 大 ， 改
量
良盐 渍土 的强度 越 高 。 （ ３ ）改 良盐 渍 土 内的孔 隙 特性 对 其 抗 压 、 抗 剪
石灰 剂 量
特性 有直 接影 响 ， 单 位 体 积 改 良盐渍 土 的孔 隙 个数
越少 ， 孔 隙越小 ， 孔 隙 越趋 向于 扁 长 ， 改 良盐 渍 土 的
２ ． ４ 浸水 前后 改 良盐渍土 微 观参数 的 变化
为 了分 析水 对 改 良盐 渍 土微 观 结 构 的影 响 ， 对
第 ５期
１ ２８
２ ０ １ ３年 ９月
浸水 前后 改 良盐 渍土 的微 观参数 进行 提取 。改 良盐
理 进行 了定量分 析 ， 所得结 论如 下 ：
渍 土浸水前 后颗 粒参数 与孔 隙参 数见 图 １ ３ ～１ ４ 。 — １ ）改 良盐渍 颗 粒个 数 、 颗 粒 ８Ｈ 一 、 脚 庭 （ 一 Ｂ ｄ Ｗ ， 想 一 ｇ 土 的颗 粒椭 圆度 、 等 效 圆直 径 、 孑 Ｌ 隙个 数 、 孔 隙等 效 圆 直径 、 孔 洞 率 等
水泥石灰改良盐渍土强度形成微观机理研究
瓤
曝 较 类别 浸水
不浸水
图 ６ 浸水前后 改良盐渍土颗粒特征变化情况
● Ｃ Ｂ Ｒ
暮５ ０ ０
４ ０ ｏ
茎 ∈３ ０ ０
２ ０ ０
删 １ ‘ 一 颗粒个数
函 ＋ ７ ｄ 无侧限抗压强度
蜒 一 等效圆直径 椭圆度 口３ ％水泥＋ ９ ％石灰
■６ ％水 泥 ＋ ６ ％石灰
图 ４ 改良盐渍 土的强度与孔 隙参数关 系
魏 ： ； 重 － ｉ － Ｃ Ｂ Ｒ
８ ｉ Ｋ 螭 － ＋ ｄ 不 浸 水 强 度
０ ． １
强度指标 提高 ； ２ ） 随着 改 良剂用量 的提 高 ， 改 良盐渍 土 内颗 粒椭 圆度 、 颗粒个数 、 孔隙个数 、 孔 隙等 效 圆直径 、 孔 洞率 降低 ， 而颗粒 等效 圆直径 提高 ； ３ ） 改 良盐渍土浸水后 ， 易溶 盐溶 解 ， 土体中孔洞 率、 孔隙个数 、 孔 隙等效 圆直径 、 颗粒 个数 、 颗粒椭 圆度 提高 ， 颗粒 等效 圆直 径降低 ， 土体孔 多、 松散 ， 改 良盐渍 土强度降低。
基２ ５ ０
２ ０ ０
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０
一 原 仁 样 土 — ＝ — ！ — ３ — ％ 垒 水 三 泥 — — １ ７ ２ ． ０ 璧 － － ４ ｋ －
孔隙个数 等效圆直径
Ｃ Ｂ Ｒ
图 ７ 浸水前后 改良盐渍土孔隙特征变化情况
７ ｄ 无 侧 限 抗 压 强 度
参考 文 献 ：
９ ％ 石灰
６ ％石 灰
水泥 石灰 复合剂量， ％
图 ５ 改 良盐渍土 的强度与孔洞率关 系
分析 图 ６ ， 图 ７中的数据 ， 浸水 前后 改 良盐渍土微 观参量 与强 ［ １ ］ Ｊ Ｔ Ｇ Ｅ ４ ０ － ２ ０ ０ ７ ， 公路 土工试验规 程［ ｓ ］ ．
土体微观结构研究进展
土体微观结构研究进展土体是指由矿物、有机质、水和空气等组成的自然界中的岩屑、矿物和生物体等杂质混合物。
土体微观结构是指在土体内部的细微结构，对于了解土体的物理和力学特性，以及对土壤的工程应用具有重要意义。
本篇文章将对土体微观结构研究进展进行简要介绍。
1. 组成部分土体的微观结构组成部分主要有：固体粒子、水分、空气、有机质等。
其中，固体粒子是土体的主体，它们之间的排列和排列方式会影响土体的力学和物理特性，例如密实度、孔隙率、渗透率等。
水分和空气在土体中的分布会影响土体的可压缩性和渗透性。
有机质的分解和转化对土体的化学性质和生物特性也会产生影响，例如土体的肥力和农业应用等。
2. 细观结构细观结构是指土体中最小可分辨的结构的构成和排列方式。
最近的研究表明，如图1所示，土粒子的结构不仅仅是简单的球形，而是更复杂和多样化的结构。
如Clay Mineralogy的研究表明，土粒子的形状和粒径是由其晶体结构决定的。
高分辨率的花岗岩显微镜也显示了土粒子内部的结构纹理等。
3. 渗透特性渗透性是指流体在土体中传递的速度和方向。
土体微观结构中的一些因素影响渗透性，最明显的是孔隙空间和连接方式。
因此，研究土体内孔隙水的渗透性，对于建立土体力学模型和设计流体结构具有重要意义。
Schneider等人在过去的研究中利用CT扫描技术对岩石和土体进行了三维渗透特性研究。
4. 限制性特性限制性特性是指土体内部粒子之间的限制作用。
土体砂粒子的间隙性连通结构能够限制一些粒径更大的粒子，从而影响土体流体的渗透性。
此外，地球物理学家们发现，土体的压缩强度直接与其限制性特性有关。
这一现象的解释是，当土体受到压缩时，其内部的孔隙空间会缩小，使得土粒子之间的限制性作用增加，从而实现更高的压缩强度。
总之，土体微观结构的研究已成为解决土地和水资源管理等工程和环境问题的重要方向。
未来，随着科技的发展，应用更先进的技术和手段，包括分子动力学、计算机模拟等，预计将加速我们对土体微观结构的认识和研究。
化学微观黏土实验报告
一、实验目的1. 了解黏土的微观结构；2. 学习通过显微镜观察微观结构的方法；3. 培养学生的实验操作能力和观察能力。
二、实验原理黏土是一种由矿物质、有机质和水分子组成的复杂混合物。
在微观层面，黏土颗粒呈片状、针状等不规则形状，彼此之间通过范德华力、静电作用等相互作用力连接成层状结构。
本实验通过显微镜观察黏土的微观结构，了解其组成和性质。
三、实验仪器与试剂1. 仪器：显微镜、载物台、载玻片、盖玻片、镊子、滴管、酒精灯、酒精、蒸馏水、滤纸等；2. 试剂：黏土样品、稀盐酸、无水乙醇、丙酮等。
四、实验步骤1. 将黏土样品置于载玻片上，用镊子轻轻压平；2. 将盖玻片覆盖在黏土样品上，确保无气泡；3. 用稀盐酸滴加在盖玻片边缘，使黏土样品与盖玻片之间形成液膜；4. 将载玻片置于显微镜载物台上，调整焦距，观察黏土的微观结构；5. 将黏土样品用酒精、丙酮清洗，去除多余试剂；6. 重复步骤3-5，观察不同处理后的黏土微观结构。
五、实验现象与结果1. 观察到黏土样品在显微镜下呈现片状、针状等不规则形状；2. 经过稀盐酸处理后，黏土样品中的杂质被溶解，结构更加清晰；3. 经过酒精、丙酮清洗后，黏土样品的微观结构得到进一步改善。
六、实验数据记录与处理1. 观察不同处理后的黏土微观结构，记录其形状、大小、排列方式等；2. 分析实验现象，探讨黏土的微观结构对其性质的影响。
七、实验讨论与改进1. 实验结果表明，黏土的微观结构对其性质有显著影响；2. 通过稀盐酸处理，可以去除黏土样品中的杂质，使结构更加清晰；3. 本实验操作简便，但显微镜的分辨率有限，对于更微观的结构观察需要更高分辨率的设备。
八、实验总结本次实验通过显微镜观察黏土的微观结构，了解了其组成和性质。
实验过程中，学生掌握了显微镜操作方法，培养了实验操作能力和观察能力。
同时，本实验也提醒我们在研究物质性质时，要关注其微观结构对其性质的影响。
在今后的学习和工作中，我们将不断积累实验经验，提高自己的科学素养。
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季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法摘要：改革开放以来，我国的经济建设有了突飞猛进的发展，公路、铁路、水利水电等设施的建设大规模地开展，作为所有工程用作基础的土，明确其在各种环境及人为因素下的物理力学性质，对于保证工程的稳定性和安全性是极其必要的。
由于土是自然界各种岩石风化形成的，没有哪一种人为作用能控制土的性质，土的物理及力学特征亦因其形成过程而异有很大的不同，因此，不同地区不同种类的土会在相同条件下呈现出各异的力学特征，尤其在多年冻土和季节性冻土区，由于环境影响因素复杂，土的性质更加难以掌握。
季冻区路基土冬季冻胀，春季融化，在交通荷载作用下容易发生路面病害，如：鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泥等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害，严重影响整个交通运输事业的发展。
可以说，季冻区路基冻害问题一直是困扰东北地区道路建设的一个重要问题，而路基冻胀是道路冻害产生的最主要影响因素。
由于东北地区冬季气候寒冷，细颗粒土路基冻结产生水分集聚（即冻结面下水分向冻结面迁移）并冻结成冰，引起路面冻胀；春季路基解冻，集聚的冰晶体开始融化，由于细颗粒土排水能力差，路基土处于饱和或过饱和状态，承载力极低，在交通车辆作用下容易发生路面鼓包，弹簧，断裂和翻浆冒泡等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害。
下图为由冻胀引起冻害的照片由此可见，路基冻害现象比比皆是，工程上迫切需要专门有效的措施，以防治由于路基冻胀引起的冻害问题，对季冻区路基土的研究具有十分重大的工程实际意义，刻不容缓。
冻土概念：当温度低于0ºC 时，土中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊连结的土，称为冻土。
根据冻结状态持续时间不同，冻土分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土。
瞬时冻土是指的冻结状态保持几个小时至半月的土；季节冻土是指的冻结状态保持半月至数月的土；多年冻土是冻结状态持续多年（从几年到上千年）的土。
冻土广泛分布在地球表层，是一种低温地质体且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它的存在及演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。
冻土分布概况：多年冻土分布面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。
我国多年冻土面积约206×104km2，约占全国国土面积的21.5%，是世界第三冻土大国，仅次于前苏联，主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山（包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区一些高山顶部（诸如山西五台山、内蒙古大石山、汗山、吉林的长白山和张广才岭等）。
季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬30º以北的地区。
土微观结构的国内外研究现状国外：土微观结构的研究始于上个世纪，土力学创始人Terzaghi(1925)首先提出土具有蜂窝结构的微观结构概念，之后Goldschmidt(1926)提出土具有片架状结构,认为高灵敏粘土中粘土颗粒是不稳定的片架结构，而低灵敏粘土则有较大的密度和较稳定的排列。
1932 年Casagrande 发展了Terzaghi 的蜂窝结构，根据受压大小将粉粒骨架中粘土的排列称为“基质粘土”(Matrix)和“联结粘土”(Bond)。
但真正对土微观结构进行系统研究的第一位学者是奥地利的土壤学家、土微观形态学的创始人W.L.Kubiena。
1938 年Kubiena 出版了《微观土壤学》一书，首次提出“微观结构”这个概念。
1953 年Lambe 从胶体化学及双电层理论出发，提出了分散结构的概念。
自1958 年在Brauschweng 和V olkenroele 举行了第一届国际土的结构形态学工作会议后，越来越多的学者开始对这一研究领域感兴趣。
但由于早期缺乏有效的观测手段，研究多局限于定性研究，是从一般化学原理和土工程性质不同表现来间接推断出来的。
随着光电量测技术如扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子探针（Microprobe）的发展和计算机图象处理技术的发展，土微观结构研究发生了质的飞跃。
到二十一世纪，随着电子计算机图像处理系统的不断发展，土结构研究热潮又一次掀起。
美国、俄罗斯等国都进行了微观结构定量化研究，土微观结构定量化研究取得了突破性进展。
国内：在国内，1957 年我国著名学者陈宗基教授提出片状颗粒接触形式，并给出了三维网络模型。
高国瑞（1979-1980）借助电子显微镜对中国黄土的微观结构与湿陷性关系进行了研究，提出了黄土微观结构十二种类型。
王永炎、滕志宏（1982）、张宗钴（1983）等对黄土微观结构也进行了研究，并与黄土的湿陷性关系进行了探讨。
王幼麟（1981）对第四纪红土微观结构进行了研究。
曲永新等（1977）、陈守义（1980）对软岩微观结构特征与工程性质进行了详细分析。
1996年，兰州冻土所王家澄首次利用扫描电子显微镜，研究在温度和压力作用下，冻土冻融过程微观结构的变化、土颗粒位移、团聚和分异，未冻水膜形态和冷生组构等，以及不同受力状态下冻土微裂隙产生和破坏机理，开创冻土微观结构研究先河。
施斌，胡瑞林等结合宏观力学参数，利用粘土矿物定向频率分布函数、颗粒、孔隙分维数来定量描述土微观结构几何特征，王清（1997）利用分形几何法研究孔隙分布方向角、定向角和定向分布函数与土体强度的关系。
蒋明镜等（1998）研究粘土受剪切作用微观特征变化。
王常明（1999）在定量描述海积软土粒度、定向性和孔隙分布等基础上，提出了微观结构因子的概念。
齐吉琳、谢定义（2000）利用电镜扫描方法得出孔隙分布曲线，并结合颗粒大小分布曲线定量研究了黄土微观结构。
土微观结构特征的定量研究：土在长期定量荷载作用下, 变形随时间的增长而增大, 决定其变形量大小的主要因素之一是土的结构强度; 换言之, 土的位移和变形主要是由土体内结构变化(结构单元体之间的相对位移和错动等变形) 所导致的。
因此, 要研究土的变形与强度时效的本质, 微观结构是研究的起点; 并以此为基础, 建立相关的数学关系, 以达到研究和预测土体变形和强度变化的目的。
土的微观结构是借助于电子扫描显微镜, 将土样放大到一定倍数下进行观察分析。
土的微观结构是由其基本单元体构成的, 通常称为结构单元体, 而结构单元体主要是由单粒(原生矿物的碎屑) 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。
结构单元体的大小、形状、排列组合方式及其结构连结状况就是土的微观结构。
在研究变形随时间变化过程中, 结构单元体被看成是一个整体, 由于它们的成因类型不同, 通常它们在变形过程中和变形后是不稳定的整体, 具体表现在它们的大小、位置和形状都不断在发生着变化。
如集粒被压密、位移等。
因此, 结构单元体在土的变形过程中是处于一种动态的平衡中, 在不同时空上, 土的微观结构具有其各自独特的变化特征, 在正常情况下, 土的位移和变形主要是由结构单元体之间的相对位移和错动所导致的。
下图为土微观结构简图一般情况下, 认为土结构单元体的长轴代表了颗粒排列的方向。
因此, 在讨论土微观结构的定向性时, 主要研究长轴的排列方向及其有关特征。
由于土的结构单元体的大小变化相差十分悬殊, 粒径的长短轴相差可达几十倍甚至上百倍、上千倍。
粒径较大的结构单元体在同一应力水平的作用下,被调整的速度和程度往往较小; 相反, 粒径较小的结构单元体则较容易进行调整, 且颗粒排列方向容易形成较好的定向性。
因此, 粒径较大的结构单元体的方向性在结构定向性乃至土体变形的研究中起着十分重要的作用, 即在计算方向性的过程中应分配以较大的权重。
土体结构单元体的长轴与短轴的长度可以通过对应X 轴、Y 轴坐标的读数计算出来, 算式如下:结构单元体的大小则可以在已求得长、短轴的长度基础上, 运用长、短轴乘积进行计算, 从而求得简化后土颗粒的近似平面面积。
再将每一个结构单元体的近似面积进行累积求和, 得到该图像上所求粒径的总面积A 。
通过统计平均直径、方向角、平均圆形度、丰度和分形维数，统计分析出各微观结构参数冻胀过程中的变化规律。
冻胀的微观结构理论研究方法：在进行冻胀的微观结构研究时，为了定量化孔隙和颗粒微观结构特征，建立了多个描述参数。
这些描述微观结构的参数与土体冻胀性之间不具明显相关规则，且都随冻结时间和冻结条件的变化而变化，即数据具有动态变化特征，也就是所说的不确定性。
因此，为了评价土体冻胀的微观机理，选择不确定性系统理论和方法来建立这些定量化参数与冻胀之间的评价模式。
20 世纪80 年代创立的灰色系统理论和粗糙集理论是从不同角度、不同侧面描述和处理各类不确定性信息的理论和方法，能处理多个数据样本项目，尽可能利用试验数据，而且处理过程计算量小，处理结果精确，受人为影响小，能够处理土各结构参数对冻胀影响的不确定性和粗糙性。
这里，简要介绍以下两个理论：灰色系统理论研究方法：人们在社会、经济活动或科学研究过程中,经常会遇到信息不完全的情形。
“信息不完全”是“灰”的基本含义。
从不同场合、不同角度看,“灰”的含义描述不一样。
控制论常用颜色的深浅形容信息的明确程度和完全程度,艾什比(A.shby)将内部信息未知的对象称为黑箱(Black Box)。
因此用“黑”表示信息未知,用“白”表示信息完全明确,用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。
相应地,信息完全明确的系统称为白色系统,信息未知的系统称为黑色系统,部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。
灰色系统理论的主要内容有：（1）GM 模型（2）灰色预测（3）灰关联分析（4）灰色决策（5）灰色控制灰色理论用于冻土的研究：灰色理论用于冻土的研究比较少，2006年新疆农业大学的张远芳应用灰色关联优势分析土含水率、含盐量、有机质、干密度等对土冻胀和融沉性质的影响。
由于季节冻土受冻结温度、土物化性质、压实度、含水率、冻结时间等因素的综合影响，描述冻土特征的结构参数比较多，各个结构参数的作用效果又不同，对冻胀影响的重要程度也不同；且这些结构参数不具规则的分布性，随时间和冻结条件的变化具有不确定性变化的现象，即具有灰色性。
而灰色系统理论能够解决结构参数与冻胀关系的不确定性现象，能充分考虑影响冻胀的多个结构因素，最大化利用了试验数据，正确合理的评价结构对土冻胀性的影响。
本文选择灰色理论恰好符合数据的特点和研究目的。
粗糙集理论研究方法粗糙集理论是一种处理含糊和不确定性问题的新型数学工具，其基本思想是在保持分类能力不变的前提下，通过知识约简，导出概念分类规则。
1982 年波兰数学家Z.pawlak 针对G.frege 的边界线区域思想提出了粗糙集（rough sets，粗糙集或RS）概念，提出了上、下近似集的概念，上近似集和下近似集之差定义为边界线区域，那些无法确认的个体都归于边界线区域。