冻融作用下黑方台黄土力学特性及微细观结构变化研究

发布时间：2020-03-30 17:41

【摘要】：黑方台是典型的黄土台塬,属于季节性冻土区。季节性冻融作用对黄土的物理力学性质有着重要影响,后者关系到黄土区斜坡的稳定性和灌渠等农田水利工程的安全性。研究冻融作用下黑方台黄土的力学特性及微细观结构变化对黑方台斜坡稳定性分析,冻融期黄土滑坡的防治以及农田水利工程的保护有着重要的理论和实际意义。本文通过室内土工试验、CT扫描、扫描电镜(SEM)、图像分析等手段,对黑方台黄土的物理性质,未冻融、冻结及冻融循环下黄土的强度特性,冻胀特性,冻融作用下微细观结构变化及其与强度的关系进行了研究。获得的主要成果如下:(1)常规土工试验结果表明,非冻融状态下,随着含水率增加,非饱和黄土的内摩擦角呈直线趋势下降,粘聚力呈幂函数曲线趋势下降;干密度越大,粘聚力和内摩擦角越大;原状黄土无侧限抗压强度随含水率增大呈负对数函数曲线趋势下降。(2)冻融循环和三轴剪切试验结果表明,冻融循环作用对封闭系统中黄土试样含水率的影响极小;冻融循环对高饱和度的黄土粘聚力有较明显的弱化作用,对低饱和度的黄土粘聚力和内摩擦角影响不大。冻融循环对粘聚力c的影响较内摩擦角φ大。饱和度对冻融作用的效果有重要影响。(3)对冻结状态下黄土的单轴抗压强度研究表明,-10℃~-15℃之间冻结黄土的单轴抗压强度比未冻结黄土的大10倍左右;干密度、初始含水率、低温对冻结黄土有不同程度的强化作用。(4)冻胀率及冻胀力试验结果表明,高饱和度的黄土更容易发生冻胀变形;初始含水率高于19%时,线冻胀率增速将增大。含水率越大,冻胀应力越大,高含水率时冻胀应力大于原状黄土或重塑黄土的无侧限抗压强度。最大线冻胀率与弹性约束下冻胀应力呈二次函数关系,且正相关。水分迁移和土体冻胀破坏都是冻融期黄土滑坡的影响因素。(5)基于CT的细观孔隙特征研究表明,冻融作用下孔隙度、孔隙数、孔隙平均面积、孔隙成圆度、孔隙各向异性度、孔隙面积分维等参数总体上朝着不利于结构强度的方向变化;冻结时孔隙参数朝着有利于结构强度的方向变化;部分参数之间存在着较强的相关性。(6)基于SEM的微结构定量分析表明,原状土和重塑土的颗粒参数变化趋势不完全相同;冻融作用下重塑土颗粒逐渐趋于均匀化、简单化,不利于颗粒间的咬合力和阻力;冻融作用下微观孔隙形态更加复杂。灰色关联分析结果表明,孔隙和颗粒大小特征参数对粘聚力的影响较大;孔隙和颗粒形态特征参数对内摩擦角影响较大。
【图文】：

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搬运力（颜斌，2010）。部分黄土经过流水搬运沉积形成黄土状土层年代及基本特征，可划分为四类：新黄土、马兰黄土、离石黄土不同黄土的力学性质有明显差异。新黄土，即 Q4黄土，土质松软湿陷性较强；马兰黄土，即 Q3典型黄土，土质疏松，压缩性高，石黄土，即 Q2黄土，其中常有古土壤层或钙质结核层，较密实，地基承载力较高；午城黄土，即 Q1老黄土，质地密实，无湿陷性强度大。研究区黄土主要为马兰黄土。土广泛分布在世界各地，面积约占地球陆地总面积的 9.8%（唐大李滨，2009）。我国黄土主要分布于陕西、甘肃和山西省部分地区（图 631000 平方千米（许领等，2008a），形成了世界上分布面积和厚高原。由于黄土特殊的性质和所处的恶劣环境，黄土高原地质灾害土滑坡是最为常见的灾害类型（Xu et al., 2011a; Derbyshire et al., 2

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图 1-2 中国季节冻土分布图（据王静，，2012）着国家西部大开发及“一带一路”战略的实施，包括黄土高原的西程活动将进一步增多。而西北部地区大多处于季节性冻土地区（图冻土的工程地质性质将影响该地区工程质量和安全。我国黄土分布位于季节性冻土地区，随着气候的变迁，气温的变化，黄土也会成。经历季节性温度变化的黄土其力学性质和结构会发生改变，这种融作用。季节性冻融作用是黄土区斜坡变形破坏的重要因素之一（吴。方台地处甘肃兰州西部，黄土高原西边缘，既是黄土分布区，又是。季节性冻融作用促使黑方台地区春季黄土滑坡频发，并造成了极大年 3 月 21 日，黑台下的焦家村发生滑坡，造成死亡 2 人，重伤 2 人 30 日，黑台塬下的盐集村附近发生滑坡，造成一座活性炭厂和数
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU444

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