增压过程中土体孔隙变形的CT扫描实验研究

发布时间：2017-12-29 18:04

本文关键词：增压过程中土体孔隙变形的CT扫描实验研究　出处：《中国地质大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：地面沉降作为影响我国经济发展的一项重要环境问题已得到全社会的广泛认同。在以往的诸多相关研究中,对于在沉降过程中随着土体压缩而造成的土中孔隙变化仅有定性认识,较少得到量化;在地面沉降—地下水耦合模型中关于孔隙度、渗透系数等参数通常均默认为常数,而这一假设与实际情况存在较大出入致使模型最终计算结果精度受到影响。针对这些问题,本文主要进行了以下几个方面的研究,一是通过采集西安D7地裂缝两侧土体并对试样进行分级加压操作来再现抽取地下水所导致的有效应力增加过程,进而通过CT扫描技术耦合数字图像处理技术将其记录下来;二是研究了不同压力状态下孔隙相关参数的变化并分析了其对孔隙变形的影响;三是引入多重分形理论分析了岩土孔隙特性参数的空间变异性及压力增加状态下的岩土孔隙演替规律;四是通过将分形理论与传统达西定律相结合,计算出渗透率及渗透系数随压力增加引起的变化。主要得到以下结论:(1)、随着地下水开采而产生的土层应力增加过程,对于孔隙数目而言,除去大孔隙数外均存在显著正相关关系。而在各孔隙度相关参数中,大孔隙度、长孔隙度会随着压力增加而明显降低,YGH-1钻孔和YGH-2钻孔的大孔隙平均面积降幅为39.05%和9.22%,不利于水分在孔隙间运移;对于中孔隙度、小孔隙度、不规则孔隙度、规则孔隙度而言,随压力增加基本保持不变甚至略有上升。由此可见对于因孔隙水压力降低、有效应力增加而导致的土体压缩过程是与大孔隙面积的显著降低息息相关的。(2)、孔隙成圆率与孔隙直径(面积)存在有显著负相关关系,孔隙直径(面积)越大孔隙形状越不规则。在直径1000μm孔隙中,绝大多数为长孔隙,在直径200-500μm范围内,不规则孔隙占主要,而在直径200μm孔隙中,则以规则孔隙为主。而随着压力的增大直径1000μm的孔隙占比明显下降,而以不规则和规则孔隙为主的直径范围内,孔隙面积反而略有提高。(3)通过对土样孔隙进行了多重分形维数的计算,发现4~128像素尺度的孔隙结构才满足多重分形特征。孔隙广义维数谱图像反映孔隙分布的变异程度,随着压力增大曲线趋于平缓,表明孔隙分布逐渐呈现均一化趋势,复杂度降低。(4)?(q)-f(?)曲线呈左勾状,说明小孔隙占据主导地位且分布不均匀,而大孔隙数量较少但分布相对集中。奇异谱宽度(35)?和非对称指数均逐渐减小,减小幅度粉土粉质黏土黏土。反映出孔隙空间变异逐渐减弱,孔隙整体结构逐渐趋于简单,不利于水分的运移。(5)根据土样的分形特征,耦合Hagen-Poiseulle方程及达西定律,得到了描述土样渗透率的数学表达式,并对各参数进行分析,发现孔隙面积分维数Df以及最大孔隙直径λmax均与渗透率呈正相关关系;渗透率随着迂曲度分维数DT的增大而减小,DT越大表明孔道的弯曲程度变大从而阻碍了水在孔隙内部的运移。通过各参数对渗透率的影响进行参数敏感度分析,发现迂曲度分维数DT敏感程度最大,其次为最大孔隙直径和孔隙面积分维数。渗透系数随压力的增加呈现出减小趋势,最大下降幅度为71.08%,同时随深度增加而减小。通过将所求渗透系数与孔隙结构参数进行多元回归分析,回归方程显示渗透系数受最大孔隙面积变化影响最大,决定系数达0.875,其次是总孔隙度。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分类号】：P642.26

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