关键词：
人工结构性黄土
剪切强度
湿陷变形
结构特征
演变规律
摘要：
黄土属于第四纪沉积物,它的形态、组成以及表现出的诸多特点都与其他土有所不同,并且在西北、华北、东北等地区都有广泛的分布。黄土作为一种典型的结构性土,主要在于其孔隙比大、密度低等特点。因此,往往存在较大的可压缩性,在受到特殊外力作用,例如浸水、地震或者高荷载时,就会发生塌陷或者液化,这就给实际工程建设带来了严重的阻力。由此可见,黄土特殊的结构性是导致其灾变的主要因素,从宏细观关联的角度研究其结构性对处理和解决黄土地区的复杂工程建设问题有着重要意义。
本文采用人工制备方法,以少量水泥和盐粒为添加物,通过夯实、搅拌等方法制取了多组结构性强弱不同的人工结构性土。以西安市长安区黄土为研究和模拟对象,通过一系列的室内物理力学试验与细观结构测试,揭示其宏观力学特征与细观结构演化之间的内在联系,构建粒级势、孔隙势、连接势三维空间力学指标模型。其主要研究内容和成果如下:
(1)通过固结不排水剪试验,研究了不同含水量、围压分别对原状黄土、人工结构性黄土及重塑黄土的应力-应变关系,抗剪强度参数等。结果表明:水泥掺量为2%的结构性黄土与西安南郊原状黄土最为接近。随着水泥掺量的增加,人工结构性土的有效粘聚力近似呈指数形式增长,有效内摩擦角没有明显变化。结构性土体破坏后主要呈现剪切破坏、均匀压密和侧胀弯曲这三种模式;应变软化产生条件与围压以及水泥掺量(结构性)相关。
(2)通过标准固结试验和湿陷试验,研究不同压强、含水量、水泥掺量等因素分别对重塑黄土和人工结构性黄土的压缩变形、湿陷变形特性。结果表明:同一含水量下,随水泥掺合比的增加,压缩系数、压缩指数均减小,孔隙比、压缩模量增加;同一掺合比下,随含水量的增长,压缩系数、压缩指数均增加,孔隙比、压缩模量减少。通过压缩指标可判定本人工结构性黄土属于中压缩性土,随着水泥掺量增加,压缩指数逐渐由中压缩性转化为低压缩性。湿陷系数与竖向压力(δs-P)曲线呈现上下升两阶段;当P=400 k Pa时,湿陷系数存在峰值点。“上升”阶段为湿陷递增期,“下降”阶段为湿陷衰减期。
(3)通过颗粒分析、扫描电镜及XRD试验,研究不同压强、围压、水泥掺量及含盐量分别对结构性黄土的压缩变形、剪切破坏后的颗粒粒径分布规律及微结构形貌。结果表明:区间百分比曲线均在中值粒径处达到峰值点,出现“双峰”情况;中粉粒(5-75μm)占比最多,粘粒(<5μm)占比次之,砂粒(>75μm)占比最少。结构性黄土呈现出的是镶嵌结构的骨架和较多的胶凝形态的颗粒;通过全岩分析发现主要物质成分为石英、方解石、长石、石盐和黏土矿物;随着水泥掺量的增加,方解石和黏土矿物含量相对增加。
(4)通过压汞试验,研究不同荷载、含盐量及水泥掺量分别对结构性黄土孔隙结构分布规律。结果表明:黄土孔径分布具有多重分形特征,采用分形方法,将粒径划分为0.02μm、0.21μm、13.5μm,对应的区段分别命名为微、小、中、大孔隙。根据孔隙体积曲线发现中孔隙分布占主导地位,孔隙体积含量占比从大到小依次为:中孔隙>小孔隙>大孔隙>微孔隙;孔隙分布曲线都呈集粒内孔隙和粒间孔隙的多峰分布特征。结果发现,相比湿陷变形特性的试样孔隙体积变化与剪切强度特性的试样孔隙体积变化,剪切强度后的试样孔隙体积变化更加明显。
(5)根据分形理论公式的推导,确定粒度的分维值及分选系数,分维值越大,分选系数越大(越差)。孔隙势根据分形方法划分大中小微孔隙,通过计算得出大中孔隙占比,拟合研究大中孔隙占比与孔隙比呈正线性关系,与粘聚力、内摩擦角、峰值强度呈现负线性关系。黏土矿物含量与孔隙比呈正线性关系,与湿陷系数、粘聚力、内摩擦角、峰值强度呈现负线性关系。通过粒级势的粒度分维值,孔隙势的大中孔隙占比,连接势的黏土矿物含量占比,建立三者之间与宏观力学指标的关系,发现力学指标模型呈现不同形式。
欢迎来到三峡大学图书馆！
