核磁共振技術(shù)的基本原理精選(九篇)

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第1篇：核磁共振技術(shù)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：核磁共振；地下水探測(cè)；地球物理

中圖分類號(hào)：P641.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2016）22-0142-02

1前言

核磁共振是當(dāng)下世界各國中唯一一種能直接進(jìn)行地下水探測(cè)的全新地球物理方法，是經(jīng)過對(duì)地層水當(dāng)中的氫核來實(shí)施測(cè)量以探測(cè)出地下水的一種新型的找水技術(shù)。在進(jìn)行地下水探測(cè)過程當(dāng)中，核磁共振的運(yùn)用在復(fù)雜的條件下不會(huì)受到任何影響。所以，在復(fù)雜條件下地下水探測(cè)當(dāng)中，核磁共振有著非常廣闊的應(yīng)用空間，其所得的探測(cè)結(jié)果能夠非常顯著的展現(xiàn)出地下水體的潛存特征及空間分布情況。核磁共振技術(shù)具有直接找水、反演解譯成果、包含大量信息資源以及迅速、經(jīng)濟(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行地下水探測(cè)、探詳?shù)叵滤Y源、確定供水井位等方面有著非常寬廣的應(yīng)用前景。

2核磁共振技術(shù)基本原理

2.1工作原理

核磁共振屬于一種在原子核特性的物理現(xiàn)象，指具備核子順磁性物質(zhì)選擇性的汲取電磁能量[1]，在地磁場(chǎng)比較穩(wěn)定的狀態(tài)下，氫核如同陀螺圍繞著整個(gè)地磁場(chǎng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通常旋轉(zhuǎn)的頻率與地磁場(chǎng)的實(shí)際強(qiáng)度、原子核磁旋比存在較為密切的聯(lián)系。核磁共振技術(shù)探測(cè)地下水信息的方式運(yùn)用的是不同屬性元素的原子核所形成的NMR效應(yīng)，運(yùn)用的是水中的氫核質(zhì)子的弛豫特性的不同特征，在復(fù)雜條件下核磁共振找水技術(shù)的應(yīng)用可以探尋出地層當(dāng)中水質(zhì)形成核磁共振信號(hào)所發(fā)生的一系列改變，核磁感應(yīng)可使得地下水信號(hào)做出較為精準(zhǔn)度的探測(cè)，從而得到地下水所具備的空間特性及分布規(guī)律[3]。

氫核受到磁場(chǎng)環(huán)境的影響，會(huì)位于一定的性能等級(jí)當(dāng)中，具備拉摩兒頻率的交變磁場(chǎng)對(duì)于整個(gè)地下水當(dāng)中的質(zhì)子形成強(qiáng)大的激發(fā)作用，會(huì)造成原子核能產(chǎn)生越級(jí)的現(xiàn)象，從而形成核磁共振，這種方式一般會(huì)對(duì)地面的發(fā)射線圈供應(yīng)一定的頻率，此為拉摩爾頻率的交變電流，在地上交變的電流會(huì)使得交變磁場(chǎng)受到一定的激發(fā)作用[2]。當(dāng)電流脈沖被完全斷開之后，使用同一個(gè)接收線圈搜集不同的激發(fā)脈沖矩激發(fā)形成一定的NMR信號(hào)，其中信號(hào)的高低遲緩將會(huì)對(duì)水中的質(zhì)子數(shù)量形成直接性的作用及影響，這就和NMR信號(hào)幅度數(shù)值與進(jìn)行探測(cè)范圍當(dāng)中的自由水含量情況呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，從而組成一種對(duì)地下水進(jìn)行直接探測(cè)的地下水探測(cè)方法。

2.2工作方法

2.2.1激發(fā)頻率的挑選

針對(duì)地而磁場(chǎng)實(shí)施探測(cè)：地下水當(dāng)中包含的氫質(zhì)子旋進(jìn)頻率通常是由地球磁場(chǎng)的具體強(qiáng)度所決定的，為促使氫質(zhì)子得到有力的的保障，可以使用質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀當(dāng)中的工作區(qū)域?qū)嵤┨綔y(cè)。其次，需要對(duì)激發(fā)頻率加以最終的確定，實(shí)施全過程N(yùn)MR探測(cè)前期需要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)以確定激發(fā)脈沖頻率的具體數(shù)值。

2.2.2線圈形狀的挑選及鋪設(shè)

按照工作范圍當(dāng)中需要進(jìn)行探測(cè)的地下水位的埋藏實(shí)際深度、工作范圍當(dāng)中電磁干擾的實(shí)際情況、方向，對(duì)線圈的狀態(tài)實(shí)施進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)做好線圈的正確鋪設(shè)，工作范圍周邊區(qū)域在受到高壓輸電線路、變電站、民用電干擾的情況下，為能夠?qū)⒏蓴_力度降到最低的程度，可以通過縮減噪音的方式將線圈布置成8字的形狀。

2.2.3測(cè)量參數(shù)的挑選

針對(duì)復(fù)雜條件下的地下水實(shí)施探測(cè)前期，一定要將該地區(qū)的詳細(xì)參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。測(cè)量范圍：首先選擇2Wnv作為具體的測(cè)量區(qū)域，隨后根據(jù)具體情況進(jìn)行更改；長度登記：在針對(duì)探測(cè)長度進(jìn)行登記的時(shí)候通常是對(duì)所期望的NMR信號(hào)的具體時(shí)間常數(shù)來加以確定的，若在挑選上存在不合理的情況，則會(huì)對(duì)整個(gè)地質(zhì)成效與探測(cè)效率造成極大的影響，通常可將探測(cè)長度控制在100～1000ms范圍，將240ms作為長度登記的具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；脈沖持續(xù)時(shí)間：針對(duì)使用平均衰減時(shí)間T2*確定標(biāo)準(zhǔn)的NMR探測(cè)而言，脈沖持續(xù)時(shí)間設(shè)置為40ms是最為合適的；脈沖矩個(gè)數(shù)：一般需要從探測(cè)范圍的地質(zhì)資料著手來挑選脈沖矩的具體數(shù)量，通常為12個(gè)或16個(gè)；疊加次數(shù)：為促使信號(hào)質(zhì)量及探測(cè)準(zhǔn)確度得到最大限度的提升，需要從所處客觀氛圍的噪音狀況來做出疊加次數(shù)的確定，通常是在64～128之間的范圍進(jìn)行挑選噪音與疊加次數(shù)呈正比的關(guān)系。

3資料處理

可以從所選的探測(cè)點(diǎn)具體方位中現(xiàn)有的地質(zhì)材料來選用矩陣運(yùn)算軟件對(duì)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的矩陣模型進(jìn)行計(jì)算，之后針對(duì)已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)采集探測(cè)點(diǎn)引用相應(yīng)的模型，當(dāng)探測(cè)點(diǎn)材料非常少的狀況下，需要從地質(zhì)所具備的特點(diǎn)出發(fā)，選用類比法針對(duì)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。

核磁共振在復(fù)雜條件地下水探測(cè)的應(yīng)用屬于一種非常直接的找水方式，所得出的探測(cè)結(jié)果可以非常直接地體現(xiàn)出地下水的存在狀況與空間分布形態(tài)，針對(duì)地下水具有唯一的指向性，得出的成果中包括了含水層的具體分布、厚度、單位體積中的含水量等一系列較為直觀的信息[4]。

4應(yīng)用實(shí)例

（1）在前人認(rèn)為是非含水區(qū)的湖北永安地區(qū)找到了巖溶水。

中國的南方和北方分布著大片的巖溶地貌，傳統(tǒng)的物探找水方法探測(cè)巖溶水遇到許多困難，NMR方法為解決這些困難提供了一種新的技術(shù)手段。湖北永安工區(qū)前人認(rèn)為是非含水區(qū)，工區(qū)大部分為耕植農(nóng)田，被第四系粘土所覆蓋。在永安農(nóng)牧開發(fā)區(qū)無水的情況下，中國地質(zhì)大學(xué)在指定區(qū)段開展了地下水的勘查工作。以NMR水方法為主（進(jìn)行了12個(gè)NMR測(cè)深點(diǎn)），輔以電阻率法，探查到了優(yōu)質(zhì)的巖溶水。

第2篇：核磁共振技術(shù)的基本原理范文

摘要：

本文對(duì)莢膜多糖進(jìn)行了概述，綜述近年來細(xì)菌莢膜多糖相關(guān)的研究進(jìn)展，并從理化性質(zhì)與生物學(xué)功能的角度出發(fā)，總結(jié)了近年來莢膜多糖提取、分離、純化等方面的研究，重點(diǎn)介紹了與莢膜多糖結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究進(jìn)展。本文為進(jìn)一步研究細(xì)菌致病性、分型機(jī)制提供必要的方法，為疫苗的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)加強(qiáng)致病菌的防控具有重要意義。

關(guān)鍵詞：

莢膜多糖；提取；分離；純化；理化性質(zhì)

莢膜多糖是細(xì)菌細(xì)胞壁外層的膠狀物質(zhì)，具有抗原性和特異性，可用于細(xì)菌鑒定［1］，是細(xì)菌重要的毒力因子［2］。莢膜多糖是一種分子量大、極性大的物質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行分離純化和結(jié)構(gòu)解析要比單糖和寡糖更加復(fù)雜。很多細(xì)菌的表面都具有莢膜，例如肺炎鏈球菌，B群鏈球菌，豬鏈球菌等［3］。有報(bào)道認(rèn)為莢膜的存在與細(xì)菌耐藥性呈正相關(guān)，一旦感染則發(fā)病率和死亡率都很高［4］。為進(jìn)一步了解細(xì)菌的致病機(jī)制，設(shè)計(jì)及研制更加有效的疫苗，研究細(xì)菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)日益引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文主要針對(duì)莢膜多糖的分離純化和結(jié)構(gòu)解析的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1細(xì)菌莢膜多糖的概述

莢膜是某些細(xì)菌表面的特殊結(jié)構(gòu)，是一層位于細(xì)胞壁表面的松散的粘液物質(zhì)，莢膜的成分因菌種不同而異，主要是由糖與糖醛酸組成的聚合物，如豬鏈球菌的莢膜多糖。也有部分細(xì)菌的莢膜多糖含有多肽及脂質(zhì)，如炭疽桿菌［5］。細(xì)菌莢膜具有抗原性，可用于細(xì)菌的鑒定［1］。細(xì)菌鑒定的前提是對(duì)細(xì)菌進(jìn)行科學(xué)的分型，目前對(duì)于細(xì)菌分型主要有兩大分型系統(tǒng)，即血清型分型系統(tǒng)和基因分型系統(tǒng)。血清型分型系統(tǒng)主要依據(jù)莢膜多糖和脂多糖不同的抗原性對(duì)細(xì)菌進(jìn)行區(qū)分?；蚍中拖到y(tǒng)主要依據(jù)毒力因子，與免疫相關(guān)的因子等因素為主，將具有相同致病機(jī)制的細(xì)菌分為一類［6］。莢膜多糖作為細(xì)菌的毒力因子，其與細(xì)菌的血清型有密切關(guān)系。不同血清型的細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生不同的毒力因子，對(duì)宿主造成不同的影響，而不同的毒力因子是通過不同的基因進(jìn)行編碼的，因此，毒力因子與血清型之間存在著密不可分的關(guān)系。由于莢膜位于細(xì)菌最外部，是細(xì)菌感染宿主時(shí)最先接觸的物質(zhì)，所以多為細(xì)菌主要的毒力因子［2］。莢膜多糖作為毒力因子，在細(xì)菌抵抗免疫系統(tǒng)中吞噬細(xì)胞吞噬過程中擔(dān)任著重要角色［7］。以豬鏈球菌為例，豬鏈球菌2型的莢膜多糖主要由鼠李糖、半乳糖、葡萄糖、N2－乙酰半乳糖胺和唾液酸這5種單糖組成，其糖蛋白是由231個(gè)氨基酸殘基組成，由位于基因組3846～4541bp之間的一段長696bp基因序列編碼［8］。莢膜多糖的存在降低了豬鏈球菌被吞噬細(xì)胞吞噬的程度，而無莢膜的突變株容易被吞噬。莢膜的厚度越大越有利于抵抗豬多形核白細(xì)胞的吞噬［9］。實(shí)驗(yàn)表明，由于莢膜多糖的存在，使豬鏈球菌2型能夠抵抗巨噬細(xì)胞的吞噬，并且使被吞噬的細(xì)菌可以在巨噬細(xì)胞中存活至少3h［10］。Gottschalk和Segura在2000年提出“特洛伊木馬”模型，即豬鏈球菌黏附在免疫細(xì)胞上，特別是單核細(xì)胞，隨著單核細(xì)胞通過血腦屏障［11］，這就是莢膜多糖發(fā)揮抗吞噬能力的機(jī)制。莢膜多糖作為毒力因子，致病機(jī)理就在于抗吞噬能力，黏附能力和維持細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)部存活的能力。

2細(xì)菌莢膜多糖的理化特征

從化學(xué)組成上來說，大部分的細(xì)菌莢膜多糖是以2種或以上的單糖（如D－葡萄糖，D－半乳糖，L－鼠李糖等）及其他物質(zhì)（如磷酸根，唾液酸等）為重復(fù)單元，聚合形成的大分子物質(zhì)。大多數(shù)細(xì)菌的莢膜多糖為酸性黏多糖，屬于雜多糖類。有文獻(xiàn)報(bào)道b型流感嗜血桿菌莢膜多糖的主要成分是多聚核糖基核糖醇磷酸鹽［12］。還有一部分細(xì)菌莢膜多糖是有乙酰化的多糖組成［13］。A群腦膜炎奈瑟菌莢膜多糖，其主要結(jié)構(gòu)是多聚磷酸乙酰氨基吡喃型甘露糖，乙酰基結(jié)構(gòu)是該菌最重要的免疫原性表位［14］。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來說，莢膜多糖通過各種作用力，如分子間氫鍵或者其他非共價(jià)鍵，與細(xì)胞壁之間形成了比較強(qiáng)韌的外膜，黏附在細(xì)菌的表面。莢膜多糖是由重復(fù)的單糖通過糖苷鍵連接形成聚合物，由于單糖種類不同，連接方式不同，多糖結(jié)構(gòu)中是否存在支鏈，有機(jī)或者無機(jī)分子等因素導(dǎo)致莢膜結(jié)構(gòu)解析存在巨大的復(fù)雜性［15］。正是因?yàn)槠浞肿咏M成復(fù)雜性和構(gòu)型多樣性，科研人員以此作為細(xì)菌血清學(xué)分型的基礎(chǔ)，即根據(jù)細(xì)菌莢膜多糖的抗原性的異同對(duì)細(xì)菌進(jìn)行分型。肺炎雙球菌，根據(jù)其莢膜多糖的抗原性，迄今為止，可分為96種血清型，而其中有30多種血清型有致病性。大腸桿菌，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過90種血清型，其中有少數(shù)是具有侵襲感染能力的，而在可以引發(fā)新生兒腦膜炎的這類大腸桿菌具有相同的多糖鏈，只是多糖的不同修飾導(dǎo)致它們之間存在差異［16］。

3細(xì)菌莢膜多糖的功能

莢膜由于其具有耐干燥，黏附，儲(chǔ)存養(yǎng)分等功能，成為致病性細(xì)菌的一種重要的毒力因子。細(xì)菌莢膜中水分占到95％以上，含有大量水分的莢膜在細(xì)菌的表面，可以避免細(xì)菌脫水死亡，這就使得有莢膜的細(xì)菌更容易在宿主間相互傳播［17］。莢膜多糖還能夠促進(jìn)細(xì)菌與細(xì)菌或者細(xì)胞之間的黏附，從而促進(jìn)生物膜的形成和在不同的生存環(huán)境中的定植［18］。例如，能夠引起齲齒的唾液鏈球菌和變異鏈球菌會(huì)分泌己糖基轉(zhuǎn)移酶，使口腔中的蔗糖轉(zhuǎn)變成果聚糖，這種果聚糖能使細(xì)菌牢牢黏附于牙齒表面，而細(xì)菌發(fā)酵糖類產(chǎn)生的乳酸在局部積累后，會(huì)使牙齒表面的琺瑯質(zhì)層發(fā)生腐蝕而引起齲齒［19］。某些細(xì)菌的莢膜還是儲(chǔ)存養(yǎng)分的場(chǎng)所，以備細(xì)菌處于營養(yǎng)缺乏時(shí)可以利用，如黃色桿菌的莢膜。而豬鏈球菌的莢膜除上述作用外，最重要的作用是抗吞噬作用，由于它的存在大大降低了豬鏈球菌被吞噬的程度，而莢膜厚度的增加也會(huì)使豬鏈球菌抗白細(xì)胞殺傷能力［20］。

4細(xì)菌莢膜多糖的分離純化

莢膜多糖的提取分離一般分以下幾個(gè)步驟：去菌體，粗提總糖，去除蛋白質(zhì)和核酸，分級(jí)分離［21－22］。

4．1去除菌體和總糖粗提取在提取多糖之前，首先需要去除菌體。目前，去除菌體提取總糖的方法主要有離心法，酶解法，巴氏滅菌法［23］等。離心法，將滅菌過的培養(yǎng)液通過離心機(jī)離心，然后收集上層清液的方法除去菌體。但是該方法去除菌體的效果差，離心的效果依賴于高效能的離心設(shè)備。對(duì)于含有唾液酸等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的莢膜多糖，最常用的方法是酶解法，即細(xì)菌培養(yǎng)液離心得到菌體，然后將菌體分散在緩沖液中，再加入不同的酶，酶解菌體，最后再次離心使菌體碎片和莢膜多糖分離，取上層清液［24］。用溶菌酶來裂解菌體，從而可以避免破壞莢膜多糖。酶解法的成本較高，但是專一性強(qiáng)，去除菌體的效果較好。中國海洋大學(xué)的趙峽課題組通過將菌體分散在甘氨酸緩沖液中，然后加入溶菌酶裂解消化的方法去除豬鏈球菌菌體，從而得到莢膜多糖［25］。巴氏滅菌法，通過對(duì)菌液進(jìn)行加熱滅菌，隨著溫度的提高，多糖的溶解度逐步提高，有利于后續(xù)的離心。巴氏滅菌法便于操作，去除菌體效果較好，過程中要注意溫度，溫度過高會(huì)導(dǎo)致多糖分解。在2013年Gottschalk課題組發(fā)表的文章中，通過此方法，在121℃加熱菌液75min來達(dá)到去除菌體的目的，從而得到14型豬鏈球菌的莢膜多糖［26］。

4．2去除蛋白質(zhì)和核酸由于一些細(xì)菌的莢膜多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性較差，所以在純化過程中要注意方法的選擇。有機(jī)溶劑多級(jí)沉淀法由于其操作簡(jiǎn)單并且對(duì)操作人員的良好性被廣泛使用［27］。有機(jī)試劑引起多糖、蛋白等物質(zhì)沉淀的原因是加入有機(jī)試劑使水溶液的介電常數(shù)降低，從而增加了具有相反電荷的基團(tuán)之間的吸引力，促使分子聚集而沉淀，此類現(xiàn)象類似鹽析。但是利用該法沉淀莢膜多糖的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致核酸和蛋白的沉淀，為避免多糖中混合核酸和蛋白，可以在溶液中加入陽離子，例如CaCl2，NaCl，利用陽離子和帶負(fù)電的基團(tuán)結(jié)合，降低多聚核苷酸鏈之間的排斥作用，從而去除核酸和蛋白，或者通過加入酶，將蛋白質(zhì)去除，得到莢膜多糖的沉淀［28］。

4．3分級(jí)分離根據(jù)莢膜多糖的理化性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)分離，莢膜多糖是一種極性很大，分子量之間存在較大差異的物質(zhì)。所以可以通過體積排阻色譜技術(shù)進(jìn)行分離純化，其中凝膠層析技術(shù)運(yùn)用最為成熟，且效果最佳［29］。莢膜多糖除了可以根據(jù)分子量差異進(jìn)行分離純化，在其組成中有磷酸基或者乙酰基，這些基團(tuán)可以使莢膜多糖具有不同的電荷性質(zhì)和pH值，根據(jù)此類理化性質(zhì)可以采用離子交換技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分離純化［30］。進(jìn)一步的純化還可以采用超濾法，這是一種用于分子分離的膜分離技術(shù)，操作簡(jiǎn)便，無需添加化學(xué)試劑［31］。可以根據(jù)待分離的物質(zhì)的性質(zhì)選擇不同規(guī)格的超濾膜。

4．3．1凝膠色譜法凝膠色譜法是一種簡(jiǎn)單而快速的分離技術(shù)，對(duì)高分子物質(zhì)有較好的分離能力。分離的基本原理是分子篩效應(yīng)。根據(jù)凝膠的種類和性質(zhì)不同，分為交聯(lián)葡聚糖凝膠（sephadex），瓊脂糖凝膠（sepharose）［32］，丙烯葡聚糖凝膠（sepharcryl）等。根據(jù)多糖的性質(zhì)和分子量范圍選擇適合的凝膠種類和型號(hào)。CristinaDeCastro課題組于2008年發(fā)表的文章中，采用sepharcrylS－500HR凝膠柱成功地從Rhizobiumrubi分離純化出一種新的莢膜多糖［33］。在2010年Gottschalk課題組通過乙醇沉淀法提取2型豬鏈球菌的莢膜多糖，然后通過使用sepharcrylS－400HR凝膠裝柱，對(duì)粗多糖進(jìn)行分離純化，然后運(yùn)用GC－MS技術(shù)得到2型豬鏈球菌莢膜多糖的單糖組成，結(jié)合質(zhì)譜，核磁共振，以及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，確定了2型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)［28］。該課題組在2013年又得到了14型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)［26］。

4．3．2離子交換色譜法離子交換色譜的基本原理是根據(jù)物質(zhì)的酸堿性，極性的不同極性分離。運(yùn)用離子交換色譜技術(shù)分離糖類，可以有效地去除酸堿成分和無機(jī)離子，從而得到糖和糖苷［30］。但是對(duì)于帶有唾液酸的多糖樣品，不宜使用強(qiáng)陰離子交換，唾液酸會(huì)發(fā)生嚴(yán)重脫離［34］。

5莢膜多糖的結(jié)構(gòu)解析

莢膜多糖由于極性大，分子量高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多以復(fù)合物存在等原因，增加了結(jié)構(gòu)解析的難度。分離純化度高會(huì)增大結(jié)構(gòu)解析的成功率和準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)解析一般分為以下幾個(gè)步驟，單糖組成分析，分子量確定［35］，糖殘基連接位置和順序、構(gòu)型、分支點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析［36］。單糖組成分析方面，主要技術(shù)有高效液相色譜［37］，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)［38］，離子色譜技術(shù)［39］等。由于糖類物質(zhì)沒有紫外吸收，可以通過柱前衍生化使其結(jié)合上有光學(xué)活性的基團(tuán)，1－苯基－3－甲基－5－吡唑啉酮（PMP）是目前最常用的衍生化試劑，該反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便，衍生化效率高，適合復(fù)雜樣品的單糖組成［40］。中國海洋大學(xué)的趙峽課題組在2014年發(fā)表的文章中，使用PMP做柱前衍生化，成功得到豬鏈球菌4種血清型的單糖組成及其摩爾比例［25］。離子色譜技術(shù)在近些年逐漸被運(yùn)用在糖化學(xué)研究中，2013年FionaL．Lin課題組通過運(yùn)用離子色譜技術(shù)，準(zhǔn)確的分析出肺炎鏈球菌33C和33D血清型的單糖組成［41］。糖殘基連接位置和順序方面，當(dāng)前常見的分析手段有氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。通過對(duì)多糖依次進(jìn)行甲基化反應(yīng)，水解反應(yīng)，還原反應(yīng)和乙?；磻?yīng)，然后運(yùn)用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)糖殘基連接位置和順序進(jìn)行確定。核磁共振技術(shù)為糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析起推動(dòng)作用，通過核磁共振圖譜分析可以推測(cè)出糖類物質(zhì)中碳鏈的連接位置，構(gòu)型等信息［42］，還可以進(jìn)行樣品檢定［43］。BentO．Petersen課題組在2013年通過核磁共振技術(shù)成功解析了肺炎鏈球菌47A血清型的結(jié)構(gòu)［44］。在2010年Gottschalk課題組運(yùn)用GC－MS技術(shù)得到2型豬鏈球菌莢膜多糖的單糖組成，結(jié)合質(zhì)譜，核磁共振，以及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，確定了2型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)［28］。該課題組在2013年又得到了14型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)［26］。莢膜多糖的結(jié)構(gòu)解析需要諸多分析技術(shù)的結(jié)合，譜圖解析工作難度仍然很大。

6多糖合成的相關(guān)基因和途徑

莢膜多糖合成的相關(guān)基因主要包含3種，即莢膜多糖合成調(diào)節(jié)基因，糖基轉(zhuǎn)移酶基因和轉(zhuǎn)運(yùn)基因。以肺炎鏈球菌為例，其90個(gè)血清型的莢膜多糖合成的相關(guān)基因簇已經(jīng)被測(cè)序并分析。除去3型和37型以外，其余的血清型的莢膜多糖合成的相關(guān)基因簇均位于染色體上dexB和aliA之間的一個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位，具有位于上游位置高度保守的4個(gè)合成調(diào)節(jié)基因（cpsABCD），基因簇內(nèi)包含多種糖基轉(zhuǎn)移酶，多糖合成酶，乙酰基轉(zhuǎn)移酶和翻轉(zhuǎn)酶等［15］。糖基轉(zhuǎn)移酶（GT）作為多糖生物合成的主要酶之一。多糖結(jié)構(gòu)的多樣性取決于催化反應(yīng)中的GT。GT催化轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)，即催化一個(gè)糖基供體上的糖殘基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)受體上。糖基供體為糖核苷酸，而糖基受體可以是單糖、寡糖、多糖、多肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì)［45］。根據(jù)糖基供體和生成的糖苷鍵的立體構(gòu)型，GT分為保留型和反轉(zhuǎn)型［46］。由于GT的不同作用的結(jié)果，使多糖結(jié)構(gòu)從組成到構(gòu)型都存在巨大的多樣性。從基因研究角度，表明細(xì)菌多糖的生物合成途徑分為3種，wzy－依賴途徑，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體－依賴途徑和合酶－依賴途徑［47］。以生物合成分為3個(gè)步驟，起始－延伸－連接終止。以上3種合成途徑主要根據(jù)延伸步驟進(jìn)行劃分。基因調(diào)控酶進(jìn)行多糖的生物合成。從多糖的多樣性，到多糖的合成調(diào)控，現(xiàn)階段仍暗含著尚不明確的步驟，有待進(jìn)一步的研究。

7展望

莢膜多糖作為細(xì)菌的主要毒力因子，在研制疫苗方面有重要作用。肺炎鏈球菌23型多糖疫苗于1983年在美國批準(zhǔn)并開始使用，在使用的過程中問題也隨之發(fā)生，該疫苗對(duì)成年人的效果較好，但是對(duì)嬰幼兒效果不好［48］。這使人們對(duì)莢膜多糖制備的疫苗有了新的思考。細(xì)菌莢膜多糖作為主要的毒力因子，研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)組成，功能及基因已越來越重視［49］。高效地分離純化莢膜多糖對(duì)其結(jié)構(gòu)解析至關(guān)重要，不斷改進(jìn)原有分離技術(shù)和開發(fā)新型分離技術(shù)要齊頭并進(jìn)，從而得到純化度更高的多糖樣品，增加結(jié)構(gòu)解析的準(zhǔn)確性。隨著對(duì)莢膜多糖研究的深入，進(jìn)一步解析莢膜多糖結(jié)構(gòu)以及合成基因與調(diào)節(jié)機(jī)制等方面［50］，會(huì)對(duì)莢膜多糖在疫苗研制和疾病治療中的作用有更加清晰的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過生物工程手段對(duì)細(xì)菌進(jìn)行改造，使細(xì)菌的莢膜多糖向著有利于人類生存和應(yīng)用的方向發(fā)展。

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第3篇：核磁共振技術(shù)的基本原理范文

Abstract： Landslide does great harm to engineering construction and sliding zone is the key component of Landslide. Due to its contain rich information of growth and evolution and even control the occurrence of landslide hazard， sliding zone soil become an important research content in the field of Engineering Geology both at home and abroad. Current research on sliding zone soil mainly focus on the physical and mechanical properties of sliding zone soil of a specific landslide. This article， firstly from the starting of distinguish of sliding zone soil， introduced the sliding zone soil formation and evolution research status， afterward， mainly introduced the effect of grain composition， mineral composition （especially the composition of clay mineral）， chemical water-rock（soil） interaction， the physical and mechanical effect of water， microstructure on the strength of sliding zone soil， finally discussed the problems existing in the research of sliding zone soil and its development trend.

關(guān)鍵詞： 滑帶土；顆粒組成；礦物組成；微結(jié)構(gòu)；水―巖（土）化學(xué)作用

Key words： sliding zone soil；grain composition；mineral composition；microstructure；chemical water-rock（soil） interaction

中圖分類號(hào)：TU411.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）15-0296-06

0 引言

多數(shù)滑坡在滑床與滑體之間存在一個(gè)結(jié)構(gòu)破碎、厚度不等的滑帶土。它是斜坡物理力學(xué)作用（溫度、壓力、剪應(yīng)力）和水―巖（土）化學(xué)作用的產(chǎn)物，由于滑帶受力的特殊性和形成過程的復(fù)雜性，使得其組構(gòu)特征和物理力學(xué)、地球化學(xué)等性質(zhì)與滑坡體中其他部位的巖土體存在較大的差異[1-3]，并且成為滑坡中力學(xué)強(qiáng)度最低的軟弱帶，其應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度的變化很大程度上控制著滑坡的產(chǎn)生，同時(shí)它還記錄了滑坡的形成演化歷史。因此滑帶土已成為滑坡形成演化、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及滑坡治理工程中必須研究的關(guān)鍵性單元。

較早關(guān)于滑帶土的研究有上世紀(jì)伏斯列夫[4]（1960）對(duì)粘土進(jìn)行了剪切試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)試樣變形不均勻且與主剪切面斜交部位出現(xiàn)破裂面，今井秀喜等[5]研究了粘土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，把先出現(xiàn)的羽狀裂縫稱為雁行排列的張裂縫，把羽狀裂縫強(qiáng)烈切割的部分稱為破碎帶，這成為滑帶土研究的雛形。隨后各國學(xué)者開展了大量關(guān)于滑帶土抗剪強(qiáng)度和變形特性等力學(xué)行為的研究，研究方法主要為：試驗(yàn)與理論研究相結(jié)合、微觀與宏觀研究相結(jié)合的方法[6]， 隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑帶土形成機(jī)理和滑帶土強(qiáng)度影響因素的研究越來越感興趣且成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，同時(shí)新的技術(shù)設(shè)備、試驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)理論的出現(xiàn)以及大量工程實(shí)踐，為這方面的研究提供了可能，并取得了大量有意義的研究成果。

1 滑帶土的辨別

滑動(dòng)帶的確定是滑坡研究、治理的首要工作和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但又是一件十分困難的工作，因?yàn)閷?shí)際工程中遇到的大部分滑坡滑帶的特征并不明顯[7]，目前對(duì)于滑動(dòng)面的確定主要有簡(jiǎn)易力學(xué)分析、野外地質(zhì)識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)勘探、位移監(jiān)測(cè)和地球物理探測(cè)等[8]，朱寶龍等[9]運(yùn)用位移監(jiān)測(cè)方法查明了京珠高速粵南段K108路塹類軟土滑坡具有五層滑動(dòng)帶且滑面成近于圓弧形的勺形，為該滑坡治理提供了依據(jù)?；瑤僚c滑床、滑體間的物理性質(zhì)差異也是確定滑帶土的重要方法?；瑤炼酁楦羲畬?，一般情況下滑帶土天然含水率、液性指數(shù)、液限、塑性指數(shù)均比滑體要高，而粒徑d50和塑限均比滑體要低[10]。此外一些新的技術(shù)和方法如高密度地電阻率觀測(cè)方法、核磁共振技術(shù)等的運(yùn)用為滑帶土的確定起到了重要的促進(jìn)作用[11，12]，運(yùn)用GDT高分辨地質(zhì)探測(cè)儀和GDS高分辨率測(cè)深法能較為準(zhǔn)確的確定厚度較薄的滑帶土位置[13]，同時(shí)在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到研究對(duì)象的復(fù)雜性和使用方法技術(shù)的適用性，重視地質(zhì)成因分析，并采用多種綜合的研究方法[14]。

2 滑帶土的形成演化

滑帶的元素地球化學(xué)組成、礦物成分、結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)性質(zhì)都是在滑帶演化過程中形成的，因此加強(qiáng)對(duì)滑帶形成演化的研究成為滑坡深入研究中的重要內(nèi)容之一。不同類型滑帶土形成演化各有其特點(diǎn)，根據(jù)大量滑坡資料證實(shí)，均質(zhì)或類均質(zhì)斜坡（如土坡、土壩、堆積物等）滑坡中滑帶的形成受斜坡最大剪應(yīng)力分布特征控制，通常數(shù)量稀少、規(guī)模較小。其余各類滑坡的主滑帶均受斜坡內(nèi)各種成因的軟弱結(jié)構(gòu)帶（面）的控制，如巖層層面、節(jié)理面、斷層帶、巖層差異風(fēng)化界面、巖土界面、構(gòu)造破碎帶等[15]。對(duì)滑帶形成特別是大型基巖順層滑坡滑帶形成演化過程及模式的研究已成為滑坡研究中的重要課題，李守定等[16]運(yùn)用地質(zhì)成因演化論方法對(duì)三峽庫區(qū)干流庫岸283處崩塌滑坡滑帶形成過程中的物理性質(zhì)、巖石礦物組成和含量、微結(jié)構(gòu)特征、物理化學(xué)性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的演化過程進(jìn)行研究，最后得出了該滑帶形成演化模式。徐則民等[17]通過研究云南昭通頭寨滑坡工程地質(zhì)特征得出主滑帶雛形是以杏仁狀玄武巖薄層為基礎(chǔ)發(fā)育的破劈理化層間錯(cuò)動(dòng)帶， 而以側(cè)向卸荷為基礎(chǔ)的物理―化學(xué)耦合風(fēng)化最終使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐谆橘|(zhì)。李曉等[18]通過對(duì)大型基巖滑坡滑帶發(fā)育演化過程的研究，提出內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制及滑帶形成演化的典型四階段模式：層間軟巖、層間剪切帶、泥化夾層和滑帶。而傾倒滑移滑帶發(fā)生傾倒滑移破壞作為常見的山區(qū)高速公路邊坡破壞模式與順層滑坡和均質(zhì)滑坡在工程地質(zhì)成因和力學(xué)作用過程等方面都存在差異，項(xiàng)后軍等[19]研究了傾倒滑移滑帶形成具備的條件，并把傾倒滑移滑帶演化過程劃分為3個(gè)階段即卸荷回彈階段、反傾巖體彎曲和根部折裂階段、折裂面和節(jié)理面貫通階段。此外，根據(jù)滑帶內(nèi)礦物學(xué)、地下水化學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)特征研究滑帶的形成演化過程或方式已有了大量研究，鄭國東等[20]通過研究日本富山縣中田浦滑坡滑帶內(nèi)的黃鐵礦，指出滑帶土中的次生黃鐵礦對(duì)于滑帶土的形成具有特別的指相意義，可作為備選指標(biāo)用來判斷滑帶的產(chǎn)生歷史和發(fā)展進(jìn)程，從而估計(jì)滑坡的發(fā)展演化。日本學(xué)者H.Shuzui等[21]對(duì)日本5 個(gè)火山巖區(qū)的滑坡滑帶土粘土礦物和地下水化學(xué)的分布特征研究得出地下水的活動(dòng)使蒙脫石的含量在滑帶中提高是軟弱帶發(fā)育成滑帶的最主要原因。李曉[22]根據(jù)滑帶土不同的微觀結(jié)構(gòu)來判斷滑帶土的演化階段如：當(dāng)滑帶處于穩(wěn)定階段時(shí)以化學(xué)風(fēng)化和地下水作用為主，此時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)則常為樹枝狀、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，粘土礦物常呈現(xiàn)無定向排列，而當(dāng)滑帶土處于滑動(dòng)階段時(shí)滑帶土因剪切作用原有結(jié)構(gòu)破壞，粘土顆粒變細(xì)，并沿滑動(dòng)面呈定向排列，甚至被拉長。

綜上所述，滑帶的形成受各種內(nèi)外動(dòng)力作用的協(xié)同控制并經(jīng)歷了漫長的時(shí)間演化且產(chǎn)出形態(tài)各異、類型多樣、不斷變化，內(nèi)動(dòng)力作用主要指構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其對(duì)滑帶的影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：①水平產(chǎn)狀的巖層變成傾斜產(chǎn)狀；②層間軟巖變成結(jié)構(gòu)破碎的層間軟弱帶；③對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響；④各巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育為雨水運(yùn)移提供了通道。外動(dòng)力地質(zhì)作用主要包括重力作用和地下水作用，據(jù)已有研究表明軟硬相間巖層在重力作用下，由于彈性參數(shù)的差異在層間剪切帶接觸面上將產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，從而使層間剪切帶結(jié)構(gòu)再次遭受破壞[17]，然而以膨脹類土為主的滑帶，當(dāng)上伏巖土體的重力大于滑帶膨脹土的膨脹力時(shí)，重力又會(huì)抑制膨脹土的膨脹，因此關(guān)于重力作用的影響應(yīng)根據(jù)滑帶土性質(zhì)具體問題具體分析。地下水在滑帶的形成演化主要有物理和化學(xué)兩種效應(yīng)：①使滑帶含水量增高，結(jié)構(gòu)疏松，甚至形成泥化夾層；②靜水壓力和動(dòng)水壓力效應(yīng)；③通過水―巖（土）反應(yīng)與滑帶發(fā)生物質(zhì)交換，提高次生粘土礦物的含量?？傊?，滑帶形成演化是一個(gè)復(fù)雜的多變邊界的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行研究有利于深入了解滑坡的形成機(jī)制，同時(shí)也是滑坡預(yù)警的重要途徑之一。

3 滑帶土強(qiáng)度的影響因素

3.1 滑帶土的粒度組成 粒度組成是研究滑帶土工程地質(zhì)性質(zhì)的重要內(nèi)容之一，滑帶土中當(dāng)粒徑小于2mm的顆粒重量百分比大于80%稱為細(xì)粒類滑帶土（如粉土、粘土），當(dāng)粒徑小于2mm的顆粒重量百分比小于80%稱為粗粒類滑帶土（如碎石土、砂土）。不同滑坡的滑帶土顆粒成份不盡相同，其工程地質(zhì)性質(zhì)也不同，但卻有一定的規(guī)律性[23]。Li等[24]對(duì)三峽庫區(qū)三個(gè)大型滑坡重塑土進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)得出粒度組成較小的變化都會(huì)對(duì)剪切結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，曲率系數(shù)、砂粒含量、碎石百分含量、粗粒與細(xì)粒比等顆粒組成指標(biāo)與土體的殘余強(qiáng)度關(guān)系密切。周永昆等[6]對(duì)重慶地區(qū)第四系殘坡積層碎石夾粘性土滑坡的滑帶土（重塑土）進(jìn)行室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)試驗(yàn)得出在含水率相同的情況下，內(nèi)聚力與碎石粒徑呈正相關(guān)，內(nèi)摩察角則相反，其抗剪強(qiáng)度隨著礫石粒徑的變大出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。同時(shí)在滑帶土研究中一些新的技術(shù)和分析手段不斷出現(xiàn)，如江洎洧等[23]采用試驗(yàn)及數(shù)值模擬仿真方法并結(jié)合CT無損傷掃描技術(shù)對(duì)巴東黃土坡滑坡滑帶土研究發(fā)現(xiàn)：土石混合體系較純土抗剪強(qiáng)度有所提高，但內(nèi)摩擦角上升不明顯，主要由于含石量少，骨架作用不明顯，而且黏聚力較純土提高顯著，原因可能是土石相互作用的外摩擦角的體現(xiàn)。

滑帶土中的粘粒組分對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度影響顯著[25]，目前對(duì)于粘粒含量對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的研究較多，且主要是基于不同含水率條件下粘粒含量對(duì)滑帶土體強(qiáng)度參數(shù)c、φ的變化規(guī)律影響。粘粒對(duì)滑帶土強(qiáng)度影響途徑主要表現(xiàn)為：①粘粒主要礦質(zhì)組分為粘土礦物，其吸收水分易膨脹從而降低了滑帶土體強(qiáng)度；②不同粘粒含量土的結(jié)構(gòu)不同，其對(duì)土體強(qiáng)度影響也不相同。帥常娥等[26]對(duì)卡拉水電站田三滑坡體滑帶重塑土在粘粒含量為15%、25%、35%、45%、55%、65%，含水量分別為10%、12%、15%、20%、25%下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率Ip時(shí)，c隨粘粒含量先增加后減小，在粘粒含量為35%時(shí)最低，φ隨粘粒的增加減小的速度加快，但在粘粒含量大于25%時(shí)減小的速度減緩。茍富民等[27]通過研究了李家峽滑帶52個(gè)原狀土和重塑土樣的粘粒含量、含水量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，當(dāng)粘粒

結(jié)合上述已有的研究成果可看出粒度組成對(duì)滑帶土強(qiáng)度影響是明顯的，粗粒組分在滑帶土中起作骨架作用、咬合作用，但必須要達(dá)到一定含量及粗顆粒間相互接觸，一般粗粒土類滑帶土的摩擦強(qiáng)度相比細(xì)粒土類滑帶土較優(yōu)。細(xì)粒組分特別是粘粒在滑帶土中的力學(xué)特性受滑帶含水率的影響較大，不同含水率段內(nèi)其對(duì)滑帶土的強(qiáng)度c、φ值的影響不同，這主要是源于粘粒特殊的水理特性，但總體而言在含水率增加的情況下粘粒的膠結(jié)作用降低，作用增強(qiáng)，甚至發(fā)生泥化現(xiàn)象，從而加速了滑帶土的質(zhì)量劣化過程。因此粗粒土類滑帶土比細(xì)粒土類滑帶土更有利于滑坡的穩(wěn)定。

3.2 滑帶土的礦物組成 礦物成分是滑帶土的物質(zhì)基礎(chǔ)，它一般包括碎屑礦物、粘土礦物和非晶質(zhì)物質(zhì)，不同礦物組成或者是同一礦物組成的滑帶土，在不同地質(zhì)環(huán)境中其物理力學(xué)性質(zhì)差異明顯[7]。一般碎屑礦物含量與滑帶土的強(qiáng)度呈正相關(guān)，而粘土礦物含量卻呈負(fù)相關(guān)，因此滑帶中的粘土礦物成為滑帶土穩(wěn)定性研究中的重要內(nèi)容?；瑤е械恼惩恋V物主要來源于造巖礦物的次生變化、泥屑巖的泥化、崩解以及搬運(yùn)沉積。粘土礦物作為滑帶中的重要的固相組成單元，其集合體―粘土具有低滲透性、分散-凝絮性及粘滯性等重要工程特性[29，30]，當(dāng)滑帶中粘土含量越多時(shí)在剪切過程別是在有水參與時(shí)其效應(yīng)越顯著[31]。陳松等[32]報(bào)道了三峽庫區(qū)黃土坡滑坡滑帶中粘粒及粉粒含量較高，粘土礦物的親水性和定向結(jié)構(gòu)使滑帶土在回水作用下易飽水軟化。肖榮久[33]報(bào)道了橫山滑坡滑帶土中粘粒含量較高，且粘土礦物成分以高嶺石為主，次為伊利石綠泥石混層礦物及石英等。成國文等[34]報(bào)道了重慶涪陵五中滑坡中泥化夾層主要含蒙脫石和伊利石等粘土礦物，是泥化夾層的力學(xué)強(qiáng)度降低的重要原因?？梢娬惩恋V物對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的降低起作重要的作用。同時(shí)不同的粘土礦物成分類型其抗剪強(qiáng)度也不相同，嚴(yán)福章等[35]通過對(duì)礦物成份與抗剪強(qiáng)度的相關(guān)分析得出：蒙脫石對(duì)滑帶強(qiáng)度的影響最大，以蒙脫石或蛭石為主的滑帶土的c、φ值都低且隨蒙脫石含量的增加呈指數(shù)減小，而以高嶺石為主的滑帶土，c、φ值相對(duì)較高。同時(shí)由于粘土礦物種類不同其水敏性也不相同，韓志勇等[36]通過實(shí)驗(yàn)研究得出：蒙脫石和伊利石可同時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)水介質(zhì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的滲透性下降，且靜態(tài)滲透性下降值蒙脫石比伊利石要高的多，而高嶺土只引起動(dòng)態(tài)的滲透性下降，這是它們水敏性不同的機(jī)制所在。這種水敏性的差異表現(xiàn)在滑帶土上即為不同粘土礦物組成類型的滑帶土其滲透性和膨脹性也不同。

粘土礦物對(duì)滑帶土質(zhì)量劣化效應(yīng)源于粘土礦物特殊的晶體特性，如片架結(jié)構(gòu)、表面帶電性等。不同的粘土礦物，由于晶格構(gòu)造的特點(diǎn)、物理化學(xué)性質(zhì)等差異，對(duì)滑帶土的影響也不同，有必要對(duì)其進(jìn)一步深入研究。

3.3 水對(duì)滑帶土的影響 眾所周知，水是一種重要的地質(zhì)營力，水對(duì)滑坡孕育、激發(fā)、滑體運(yùn)移有做重要影響，周平根博士[37]對(duì)此作過較系統(tǒng)的定義“流動(dòng)著的地下水與周圍巖土體不斷進(jìn)行做化學(xué)、物理、力學(xué)方面的作用，從而影響地下水流的性質(zhì)和化學(xué)組成，也對(duì)巖土介質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生影響”，因此水對(duì)滑帶土強(qiáng)度的降低也可概括為化學(xué)、物理及力學(xué)三個(gè)方面。

3.3.1 水-巖（土）化學(xué)作用 水-巖（土）化學(xué)作用在自然界廣泛存在，水一巖（土）反應(yīng)在絕大多數(shù)地質(zhì)環(huán)境的惡化及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生過程中都起著決定性作用[38，39]，滑動(dòng)帶（面）一般具有含水量較高、結(jié)構(gòu)破碎、孔隙率高、礦物成分及類型復(fù)雜等特點(diǎn)，所以滑帶中的水-巖土反應(yīng)一般比斜坡其它部位更劇烈?；瑤е械乃?巖（土）化學(xué)作用類型主要有溶解與溶蝕作用、離子交換作用、水解作用、氧化還原作用、水化作用等。

溶解作用：水是一種溶解力很強(qiáng)且很普遍的溶劑，它與巖（土）接觸時(shí)必定會(huì)發(fā)生溶解-沉淀反應(yīng)[40]，大氣降水一般呈中性，礦化度較低，但當(dāng)其通過地表土壤層吸收腐殖酸和CO2時(shí)溶解能力明顯增強(qiáng)，在運(yùn)移過程中與周圍的巖土體發(fā)生（不對(duì)稱）反應(yīng)，使其化學(xué)成分和性質(zhì)變得更加復(fù)雜，幾乎可以與滑帶內(nèi)所有礦物（除方解石等易溶鹽類之外）發(fā)生溶解-沉淀反應(yīng)[41，42]，同時(shí)溶解作用也要受到滑帶內(nèi)水溫、壓力、CO2、pH值等影響，其結(jié)果將使易溶礦物隨水流失，而難溶礦物（粘土礦物）殘留在滑帶內(nèi)。

離子交換作用：滑帶土與地下水之間的離子交換作用是由物理力和化學(xué)力吸附到土體顆粒上的離子和分子與地下水的一種交換過程。粘土礦物因具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附和離子交換性能[43]，成為滑帶內(nèi)離子交換的主要物質(zhì)，如高嶺土、蒙脫土、伊利石、綠泥石、蛙石、沸石等，當(dāng)滑帶中的水化學(xué)環(huán)境變化時(shí)，粘土礦物會(huì)和地下水之間發(fā)生不同規(guī)模的陽離子交換，引起晶體結(jié)構(gòu)、地下水成分和侵蝕能力的變化[44]。Shuzui等[21]通過系統(tǒng)研究日本第三紀(jì)火山巖地層中各類滑坡滑帶土次生粘土礦物和水化學(xué)特征研究指出：滑帶中的地下水對(duì)蒙脫石的形成存在強(qiáng)烈的影響，地下水與滑帶內(nèi)礦物間的離子交換作用使地下水中Ca++濃度提高，同時(shí)伴隨HCQ■■含量的增加，蒙脫石開始形成，當(dāng)蒙脫石增多到一定程度時(shí)，軟弱夾層轉(zhuǎn)化為滑帶。

水解作用：由于水中有一部分水分子離解成H+和OH-使水成為活潑離子且化學(xué)活動(dòng)性很強(qiáng)的溶液，當(dāng)弱酸強(qiáng)堿或強(qiáng)酸弱堿的鹽類溶于水也會(huì)出現(xiàn)溶解，其離解物中可與H+和OH-反應(yīng)使原礦物被分解破壞[45]，如：

4K[AlSi08]（鉀長石）+6H2O4KOH+Al4[Si4O10][0H]8（高嶺石）+8SiO2（硅膠）

4NaAlSi3O8（鈉長石）+6H2OAl（Si4O10）（OH）8（高嶺石）+8SiO2（膠體）+4NaOH

滑帶中的各種硅酸鹽類和其他巖類都可在水解作用下發(fā)生分解和產(chǎn)生新礦物。同時(shí)水解作用還會(huì)使礦物中化學(xué)鍵出現(xiàn)弱化現(xiàn)象， 在低應(yīng)力條件下弱化鍵更容易發(fā)生破壞， 如二氧化硅玻璃和石英[46]，水解作用一方面改變著滑帶內(nèi)地下水的pH值，另一方面也使滑帶土土體物質(zhì)發(fā)生改變，從而影響滑帶土的力學(xué)性質(zhì)。

氧化還原作用：滑帶內(nèi)的氧化還原作用取決于滑帶內(nèi)的飽水情況和與外界聯(lián)通情況等，文寶萍等[15]研究了三峽庫區(qū)黃土坡滑坡臨江1#崩滑體和泄灘滑坡滑帶得出：兩個(gè)滑坡滑帶發(fā)育部位地下水的循環(huán)條件和水-土物理、化學(xué)作用的形式不相同。前者大氣降水補(bǔ)給滑帶內(nèi)地下水，使其氧化作用強(qiáng)烈，水-土相互作用以方解石溶解、泥灰?guī)r碎屑水解泥化和伊利石結(jié)構(gòu)退化向伊-蒙混層礦物的轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌：笳叩叵滤c外界水力聯(lián)系較差，地下水的還原作用活躍，水-土相互作用以長石水解、次生粘土礦物形成和伊利石結(jié)構(gòu)退化向伊-蒙混層礦物的轉(zhuǎn)變?yōu)橹??；瑤?nèi)的氧化還原作用既能改變滑帶土的礦物組成，而且能改變著地下水的化學(xué)組分及侵蝕性。

水化作用：水化作用是水滲透到巖土體的礦物結(jié)晶格架中或水分子附著到可溶性巖石的離子上，使巖土體發(fā)生微觀、細(xì)觀及宏觀的結(jié)構(gòu)變化，從而使巖土體的內(nèi)聚力降低[47]?；瑤?nèi)的水化作用在膨脹類滑帶土中表現(xiàn)得較為明顯，能使滑帶土產(chǎn)生較大的體應(yīng)變。簡(jiǎn)文星等[48]對(duì)安樂寺滑坡滑帶特征進(jìn)行詳細(xì)的研究，滑坡滑帶主要礦物成分為蒙脫石、伊利石、長石、石英等，蒙脫石含量高（85%），當(dāng)吸水后滑帶膨脹，抗剪強(qiáng)度大大降低。

滑帶中的水-巖土化學(xué)反應(yīng)在化學(xué)方面能導(dǎo)致化學(xué)元素在滑帶土與水之間重新分配；在礦物學(xué)方面能夠引起滑帶原生礦物成分的變化和次生粘土礦物的形成；在物理方面水-巖土化學(xué)反應(yīng)能削弱礦物顆粒之間的連接，導(dǎo)致土的孔隙率、土粒排列方式、微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使滑帶土變得松散軟弱。同時(shí)滑帶土的水―巖（土）化學(xué)作用的過程、產(chǎn)物還受控于滑帶中原巖（土）類型、原生礦物、土體結(jié)構(gòu)、水化學(xué)成分和水的流動(dòng)性、反應(yīng)系統(tǒng)的開放性及動(dòng)態(tài)性等條件。加強(qiáng)此方面研究有利于尋找水―巖（土）相互作用下滑帶土力學(xué)特性變化的根本原因。

3.3.2 水的物理及力學(xué)效應(yīng) 滑帶土的水-巖（土）物理作用機(jī)制及效應(yīng)在國內(nèi)外已有較長的研究歷史，并取得了大量的研究成果[46，49-52]，概括起來主要集中在3個(gè)方面：①降雨引起滑帶內(nèi)地下水短時(shí)間增加而導(dǎo)致的滑帶土軟化、泥化和滑帶強(qiáng)度變化[53-56，33]研究；②基于對(duì)滑帶土室內(nèi)試驗(yàn)（重塑土）或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的滑帶土物理性質(zhì)和含水率的關(guān)系[57，58]研究；③隨著大型水利水電工程項(xiàng)目的建設(shè)，水庫水位周期性漲落使滑帶處于干濕循環(huán)狀態(tài)而誘發(fā)的滑坡引起了人們注意和廣泛深入的研究[32，54]。

總結(jié)關(guān)于滑帶土的水-巖（土）物理作用研究成果可得如下認(rèn)識(shí)：水對(duì)滑帶土的物理作用機(jī)制表現(xiàn)為對(duì)滑帶土的作用、軟化和泥化作用等。作用是地下水在滑帶土顆粒表面產(chǎn)生效應(yīng)，削弱了土顆粒間的相互嵌接與相互咬合，使滑帶土的摩阻力減小和剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，地下水對(duì)滑帶產(chǎn)生的作用反映在力學(xué)上就是使滑帶土的摩擦角減小。軟化和泥化作用是地下水使滑帶土中親水性充填物（粘土礦物）的物理性狀改變，水會(huì)在粘土礦物間形成極化的水分層并能吸收溶液中自由的水分子不斷的擴(kuò)層，同時(shí)水分子能夠進(jìn)入一些粘土礦物晶胞層間形成結(jié)構(gòu)水，這兩種水層能導(dǎo)致粘土礦物外部和內(nèi)部膨脹，并且隨含水量的變化發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)甚至液態(tài)的弱化效應(yīng)，軟化和泥化作用能使滑帶土內(nèi)聚力和摩擦角值減小，當(dāng)滑帶土蒙脫石含量高時(shí)尤其顯著。同時(shí)也應(yīng)注意不同類型的滑帶土，由于其粒度組成、礦物成分和結(jié)構(gòu)的不同，在不同含水率情況下水對(duì)其軟化作用也不相同。

水對(duì)滑帶土的力學(xué)作用有靜水壓力效應(yīng)、飽水效應(yīng)和動(dòng)水壓力（滲透壓力）效應(yīng)，靜水壓力等于滑帶土飽水時(shí)的孔隙水壓力，水對(duì)土顆粒骨架產(chǎn)生一種正應(yīng)力，其矢量指向空隙壁面，此時(shí)靜水壓力值是由水頭所決定的，因此滑帶傾角較大時(shí)靜水壓力一般也較大，滑帶內(nèi)某點(diǎn)靜水壓力pw值為：pw=ρwgh或γwh

式中：ρw為水的密度，g為重力加速度，h為水頭高度，γw為水的重度。靜水壓力能夠使滑帶土擴(kuò)容變形。另一方面滑帶土飽水侵泡時(shí)，當(dāng)總應(yīng)力一致時(shí)，靜水壓力的增加能減小有效應(yīng)力，即為滑帶土的飽水軟化效應(yīng)，這可用莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則來描述：τf=（σn-pw）tanφ+c

式中：τf為抗剪強(qiáng)度，σn為正應(yīng)力，pw為孔隙靜水壓力。由式可以看出當(dāng)pw增大時(shí)會(huì)導(dǎo)致滑帶土有效正應(yīng)力減小，使滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值降低?；瑤恋膭?dòng)水壓力為地下水在滑帶中流動(dòng)時(shí)的滲透壓力，當(dāng)?shù)叵滤诳紫吨袧B流時(shí)，水會(huì)對(duì)其周圍骨架產(chǎn)生滲透壓力，其為水滲透所遇阻力的反作用力，作用方向與滲流方向一致，滑帶內(nèi)單位土體所受滲透壓力（或動(dòng)水壓力）為：

f=-fL=-ρwg■=ρwgI

式中：■=I為水力坡度。由于ρw=1g/cm3，因此滲透壓力的大小取決于水力梯度，水力梯度越大，則滲透壓力（或動(dòng)水壓力）越大[59]?；瑤羶?nèi)的動(dòng)水壓力效應(yīng)作用有2個(gè)方面：①對(duì)滑帶土產(chǎn)生切向的推力以降低滑帶土的抗剪強(qiáng)度；②滑帶土細(xì)粒組分含量高，在動(dòng)水作用下能順?biāo)苿?dòng)，導(dǎo)致滑帶土結(jié)構(gòu)破壞，一般滑帶中下部細(xì)粒組分含量相對(duì)上部較高。

滑帶內(nèi)水的物理機(jī)力學(xué)效應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)且影響因素眾多的復(fù)雜過程，應(yīng)加強(qiáng)不同類型滑帶土在不同時(shí)段和不同空間部位靜水壓力、飽水軟化、動(dòng)水壓力等地下水作用下滲透性、微觀結(jié)構(gòu)的變化研究，從而深入認(rèn)識(shí)滑帶土的變形過程。

3.4 滑帶土的微觀結(jié)構(gòu) 早在上世紀(jì)土力學(xué)之父―Terzaghi就指出：粘土在自然沉積過程中的“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”是很常見的一種結(jié)構(gòu)形態(tài)并提出評(píng)價(jià)粘性土的變形與強(qiáng)度特性時(shí)應(yīng)當(dāng)注意其結(jié)構(gòu)的重要性。之后Goldschmidt又提出片架排列結(jié)構(gòu)，Casagrade發(fā)展了Terzaghi的蜂窩結(jié)構(gòu)提出了“基質(zhì)粘土”和“鍵合粘土”的概念，隨著SEM（掃描電子顯微鏡）、XRD（X射線衍射分析）、CT無損傷掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、分形幾何理論、平均方向角、定向分布函數(shù)以及微結(jié)構(gòu)因子等電子技術(shù)的引入和新的數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn)，為滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)研究提供了技術(shù)平臺(tái)和理論支持。滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)特征及其在外部動(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)變形行為便成為近年來巖土工程界和工程地質(zhì)界最感興趣的問題，因?yàn)樗岁P(guān)于滑帶土的豐富信息，如：滑帶土的形成演化、滑帶土的發(fā)展變形階段、滑帶土的力學(xué)特性等。因此土的微觀結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)力學(xué)研究以成為21世紀(jì)工程地質(zhì)學(xué)生長點(diǎn)[36]，目前關(guān)于滑帶土的微結(jié)構(gòu)研究已取得了很多有意義的成果，嚴(yán)春杰等[60]對(duì)三峽工程庫區(qū)滑坡滑帶土的微結(jié)構(gòu)研究得出：微裂隙和由淋溶孔隙、粒間孔隙、礦物溶蝕孔組成的微孔隙較發(fā)育，使滑帶孔隙率增高，在剪切引起的結(jié)構(gòu)破壞時(shí)能激發(fā)很高的孔隙水壓力，從而成為高速滑坡的重要形成機(jī)制，并將擦痕分為線形擦痕、紊亂型擦痕、弧型擦痕分別對(duì)應(yīng)不同的滑帶運(yùn)動(dòng)方式。王洪興等[61]論述了粘土礦物顆粒定向排列測(cè)定的基本原理并提出粘土礦物定向性定量評(píng)價(jià)方法。宋丙輝等[57]通過室內(nèi)試驗(yàn)并基于分形理論，結(jié)合圖像分析處理軟件對(duì)舟曲鎖兒頭滑坡滑帶土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量化研究，得出了孔隙形態(tài)分維數(shù)與孔隙比和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。同時(shí)滑帶土的微結(jié)構(gòu)特征對(duì)滑帶土的發(fā)展演化階段也有著重要的指示作用，嚴(yán)春杰等[62]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑帶土處于滑動(dòng)階段時(shí)粘土礦物呈定向排列且微孔隙和微裂隙發(fā)育；當(dāng)滑帶處于穩(wěn)定階段時(shí)粘土礦物無定向排列并無擦痕，常見樹枝狀、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。這也是滑坡災(zāi)害預(yù)警的重要參考指標(biāo)。

滑帶土的力學(xué)性質(zhì)歸其原因都是其內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)在外部條件（上伏巖土體重力、剪應(yīng)力、孔隙水壓、微生物等）作用下發(fā)生變化的外在反映。開展滑帶土微結(jié)構(gòu)研究與傳統(tǒng)土力學(xué)研究方法有很大的不同，首先它是通過對(duì)微觀機(jī)制的研究來解釋和模擬滑帶土的宏觀行為，其次它將土體視為各向異性的含孔隙介質(zhì)，并十分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的重要性。這種獨(dú)特的角度和方法對(duì)于我們深刻認(rèn)識(shí)滑帶土有著極其重要的意義，但現(xiàn)階段的研究基本還處于起步定性階段，資料也很缺乏，有必要進(jìn)一步研究。

4 存在問題及展望

4.1 顆粒組成是滑帶土強(qiáng)度研究的重要內(nèi)容之一，以往的研究主要側(cè)重于細(xì)粒土顆粒組成與滑帶土強(qiáng)度參數(shù)C、φ相關(guān)性，第一，忽略了剪切過程中滑帶土強(qiáng)度變化的內(nèi)在機(jī)制；第二，不能夠解釋碎石類滑帶土的力學(xué)特性。因此以后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)碎石類滑帶土研究，尤其是土石混合體系中不同粒徑顆粒在不同應(yīng)力條件下的力學(xué)行為和運(yùn)動(dòng)特征以及不同形狀顆粒對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響等的研究。

4.2 滑帶中的元素地球化學(xué)和礦物成分（特別是粘土礦物）特征及變化和滑帶力學(xué)性質(zhì)改變存在深層次的聯(lián)系，它有利于反映滑帶形成過程中水-巖（土）相互作用機(jī)制、程度；揭示滑帶形成的地質(zhì)地球化學(xué)條件；解釋滑帶土抗剪強(qiáng)度降低的內(nèi)在機(jī)理，是滑帶土研究中亟待開拓的研究領(lǐng)域。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)滑帶中粘土礦物結(jié)構(gòu)和組合特征、不同粘土礦物的含量比、粘土礦物形成轉(zhuǎn)化機(jī)制及粘土礦物在水作用下的物理-力學(xué)性質(zhì)等研究。同時(shí)注意對(duì)K、Na、Ca等活動(dòng)性元素和具有變化價(jià)態(tài)的Fe元素研究，尋找他們與滑帶土強(qiáng)度的關(guān)系，預(yù)測(cè)滑坡活動(dòng)特征。

4.3 滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)是滑帶土深入研究中有望產(chǎn)生重大突破的研究領(lǐng)域，但目前對(duì)微結(jié)構(gòu)的研究還處于定性描述階段，針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為應(yīng)主要從以下4個(gè)方面對(duì)滑帶微結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究：①加強(qiáng)對(duì)不同類型滑帶土微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)制及影響因素研究，并預(yù)測(cè)滑帶微結(jié)構(gòu)在環(huán)境改變后（如飽水軟化、地震等）可能的變化特征；②通過計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)和CT技術(shù)等加強(qiáng)對(duì)滑帶土微觀結(jié)構(gòu)定量研究，找出影響滑帶土力學(xué)性質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)因子；③建立滑帶土在剪應(yīng)力作用下的微觀力學(xué)模型，從而提高滑帶土強(qiáng)度計(jì)算精度；④研究滑帶土微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀滑帶土力學(xué)物理量間的關(guān)系，尋找滑帶土微結(jié)構(gòu)與工程特性的直接制約關(guān)系。

4.4 水對(duì)滑帶土的影響在某些方面已取得了大量的研究成果，但由于其內(nèi)容的復(fù)雜性目前對(duì)它的認(rèn)識(shí)程度還是較低的，需要進(jìn)一步研究的問題有量化滑帶土中水化學(xué)反應(yīng)的力學(xué)效應(yīng)及其與滑帶土宏觀力學(xué)行為的關(guān)系；水溶液成分及性質(zhì)的變化對(duì)滑帶土內(nèi)水土化學(xué)反應(yīng)的影響；滑帶土中的滲透場(chǎng)與變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用；水對(duì)滑帶土物理作用的力學(xué)效應(yīng)；滑帶土的水文地質(zhì)效應(yīng)等。

4.5 微生物等微小生命體在地球表層廣泛存在，滑帶中的微生物研究已有相關(guān)報(bào)道[5，60]，應(yīng)從其生命活動(dòng)過程導(dǎo)致的滑帶土機(jī)械破壞、新陳代謝分泌物對(duì)滑帶土微觀結(jié)構(gòu)、滑帶內(nèi)水土化學(xué)反應(yīng)作用影響方面進(jìn)一步研究。

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