酸性环境下黄土结构的演变及其本构模型研究

发布时间：2020-05-26 23:22

【摘要】：黄土作为一种典型的结构性土,在我国和世界其他许多国家都有着广泛的分布。然而,黄土特殊的结构性使其具有不同于同一时期其他沉积物的独特性质——湿陷性、震陷性和液化性。这些不良特性往往给修建在黄土地基上的建筑物带来严重的危害。黄土的结构特点-架空结构使其具有较大的压缩空间,在受到特殊外力作用,例如浸水或者地震时,就会发生塌陷或液化。由此可见,黄土特殊的结构是其致灾的根本原因,对其细、微结构的研究更能从本质上去了解和改进它的宏观物理属性。近几十年来,我国的经济一直快速发展,然而工业废水和城市垃圾导致的土壤和地下水的酸化,酸雨的扩展等环境问题却严重影响着我国经济的可持续发展道路。研究酸性环境下黄土的结构和工程性质的改变(包括人为主动改良黄土的结构和自然环境下黄土被动的破坏),对环境保护和工程建设都有着非常重要的意义。基于以上两个出发点,笔者研究了酸性环境下黄土的微观结构与宏观物理力学变化特征,其主要研究内容和成果如下:(1)提出了黄土结构改良的概念,即将黄土的天然属性——湿陷性、震陷性和液化性看作不良属性,对这种不良属性的消除实质上是对黄土固有属性的优化。在此理论基础上,人为主动采用化学方法改良了黄土的结构,即利用酸能溶解CaCO3的特性,迅速有效的破坏黄土内部的不良孔隙结构,并通过电镜扫描的观察,分析了在不同压力下,不同浓度的磷酸溶液对湿陷性黄土的结构改良情况。试验结果表明:低于800kPa压力时,由于磷酸的作用,黄土的结构得到了显著改良;高于800kPa压力时,由于压力已经破坏了黄土的孔隙结构,磷酸的作用效果并不明显。通过固结试验与湿陷试验证明了在同等压力条件下,经过磷酸溶液处理过的黄土发生湿陷和多次湿陷的可能性和危害性都较小。静三轴和动三轴试验证明了由于固化粘聚力和原始粘聚力的增强,土的抗剪强度得到了增强;由于较低的孔隙比,酸改良黄土有着更好的抗震性和抵抗液化的能力。(2)在黄土湿陷性试验的浸入水溶液里添加不同浓度的硝酸与乙酸,测试在酸性环境中,不同压力下黄土的湿陷系数、稳定时间、湿陷速率等湿陷敏感性指标。同时用扫描电镜观察试验前后土样的孔隙、结构变化情况。试验结果表明:在酸性溶液中,湿陷性黄土在低于400kPa压力时,湿陷系数增大较多,在各级压力下的湿陷稳定时间均有所延长;在水溶液和酸性溶液中,黄土有着不同的湿陷敏感压力区间等。在此试验基础上,吸取前人的经验,提出用完成90%湿陷量的时间和湿陷系数这2个指标对黄土及其场地进行湿陷敏感性评价,并以发生过湿陷的场地——抽黄渠为实例验证了此方法的科学性和实用性。(3)采用MATLAB与Image-Pro Plus 6.0两款软件对上述试验土样的SEM电镜扫描照片进行了预处理,并计算了颗粒分维值和孔隙含量与数量。试验测试并计算了不同土样颗粒间的范德华力与库仑力。从黄土结构熵的角度解释了其结构特征和宏观力学特征在荷载、水和酸的作用下得到改良的机理,从粒级熵、排列熵和能级熵3个方面对其结构性做了定量计算。研究结果表明,当压力增大的时候,土壤颗粒粒径的相对大小处于一个自我调整的过程,其粒度分维值表现为阻尼波状。这就表明土壤颗粒粒径的调整是一个“相对均匀-相对不均匀-相对均匀”的周期性反复转变的过程。这种周期性的转变过程对于其他条件下(增湿、加酸)黄土结构的变化是一致的。其孔隙特征表现为,随着压力的增大,含水量的增加,酸性的增强,中孔隙和大孔隙的数量和含量均减小,微孔隙以及小孔隙的数量和含量均增加。土壤之间的孔隙间距和土的粒径由此减小,土颗粒之间的范德华力与库仑力的微重比随之增大。以上结果证明,黄土的湿陷性随上覆压力、含水量和酸性的增加而降低,稳定性随之增强。(4)简明介绍了二元介质模型的基本概念与研究对象,详细介绍了自然酸性环境下黄土被动破损演化的机理。基于对胶结黄土微观结构的抽象,以颗粒接触方式(胶结接触与摩擦接触)计算天然黄土中摩擦元和胶结元所占有的体积。基于宏细观能量平衡原理,利用能量方程推导了考虑化学因素影响的破损变量。基于钙质胶结与酸反应的速率及黄土在酸性环境下的破损机理,一个改进的二元介质模型用来预测酸性环境下黄土的应力与应变关系。在这个模型中,黄土看作是结构体和软弱带的结合体,分别承担着来自于外界的应力。通过简单的表达式反应了黄土中结构体、软弱带在酸性环境下的破损特征。文中给出了各个模型参数的求解方法,通过湿陷试验和三轴剪切试验证明了该模型能够预测酸性环境下黄土的变形特征。
【图文】：

分布图,中国黄土,分布图,化学成分

图 1-1 中国黄土分布图Fig.1-1. Loess distribution in China）化学成分【26】：均一性是黄土化学成分的基本特征，不同时期的黄土化学成分极其相似。

连接图,架空结构,与点,点接触

21（a）架空结构（b）点接触连接图 2-1 黄土的架空结构与点接触连接Fig. 2-1. Macropore structure and point contact connections of Loess
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU444

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