贵阳红黏土介-微观结构对力学特性影响试验研究

摘要

由碳酸盐岩风化形成的红黏土是贵州省主要的地基土类，具有高含水量、高孔隙比、高液限等较差的物理特性，但同时具有低压缩性等较高的工程力学强度，可作为良好的建筑材料，在区域经济开发和工程建设中起到重要作用。因红黏土特殊的物理力学性质，导致产生大量的不均匀沉降、浸水泥化及失水开裂等工程灾害，使项目施工建设难以顺利开展。现有研究表明，红黏土特殊的物理力学性质与其内部结构特征及演化规律紧密相关。贵阳红黏土复杂的结构由多种地质营力共同作用形成，区别于一般土体。红黏土结构性是当前研究的重点和前沿问题，且很难用一般的研究手段加以分析和描述。因此，如何建立贵阳红黏土结构性变化与其引起的各种非线性力学行为之间的关系，考虑结构性对其宏观力学性质及工程特性的影响，具有重要的理论意义与实践意义。 为阐明贵阳红黏土宏观力学强度与变形特性的介-微观机理，同时考虑不同围压、不同干密度下贵阳重塑红黏土宏观力学特性之间的差异，通过对贵阳红黏土进行不固结不排水三轴剪切、N2吸附测试及电镜扫描测试等宏微观试验，分析原状和重塑土样，因颗粒形态、孔隙结构与分布等不同，而产生的宏观力学强度之间的差异。其具体研究内容如下： (1)研究了贵阳红黏土特殊的介观物理参数及形成原因。认为其特殊的物理力学特性，与其内部颗粒和孔隙的联结-接触-组合关系相关。初步建立了贵阳红黏土的介-微观结构模型，并利用含水比等量化参数加以定量分析。给出了其颗粒粒径小于10μm的占总质量的90%左右，孔隙、孔容及孔径的尺度范围基本多分布在2-50nm之间。 (2)研究了UU试验条件下贵阳红黏土原状和重塑样的宏观力学特性。对比了原状和重塑样在不同干密度、不同应力水平下，应力应变曲线、抗剪强度特性及宏观破坏形态上的差异。给出了原状和重塑样的应力应变曲线分别表现出明显的应变软化、硬化特性；相同干密度条件下原状土的黏聚力比重塑土较高，而内摩擦角比重塑土略低一些；原状土的破坏出现明显的剪切破裂面，重塑土出现鼓胀变形。 (3)给出了贵阳红黏土颗粒和孔隙的接触-联结-分散的特征。分析发现贵阳红黏土颗粒由散粒状团体、曲片状薄层体及花朵状椭球体组成，颗粒间通过点接触、线接触、面接触及镶嵌接触组合形成絮凝结构、蜂窝结构及假球结构，并构成了粒间孔隙和粒内孔隙。N2吸附-脱附等温曲线属Ⅳ型，H3滞后环。通过制取10~15ml浓度为2%的六偏磷酸钠溶液，温度控制在40℃时，粒度分散效果取得最佳。研究发现基于SEM图像处理研究贵阳红黏土微观结构时，应控制放大倍数在2000~3000、阈值在140~180之间。 (4)考虑颗粒特征、孔隙分布特征及粒间胶结模型等，分析宏观力学加载条件下不同应变的介-微观结构参数的响应。基于岩土体多孔介质分形模型，通过引入了平均结构因子fs，较准确预测出贵阳红黏土的孔隙率等宏观物理力学参数，分析了其宏观力学条件下介-微观结构的演化规律。 贵阳红黏土特殊的物理力学特性与其由颗粒-孔隙架构形成的介-微观结构紧密相关，是决定其宏观力学特性的根本因素。论文研究成果说明了土体的结构性对其宏观力学性质的影响规律，探讨了贵阳红黏土宏观力学特性和介-微观变形机理，对于正确认识贵阳红黏土结构性具有重要作用，并为建立介-微观结构参数与宏观物理力学特性之间的关系给出了方法参考。

目录

第一章 绪论

1.1 选题依据和研究意义

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 红黏土宏观力学特性研究现状

1.2.2 红黏土介-微观结构研究现状

1.2.3 宏观力学特性与介-微观结构关系研究现状

1.2.4 研究存在的不足与需要解决的问题、发展动态分析

1.2.5 主要研究内容

1.2.6 技术路线

第二章 贵阳红黏土物理特性试验研究

2.1 取样区的地质概况及取样过程

2.1.1 取样区的工程地质概况

2.1.2 取样过程及样品保存方法

2.2 贵阳红黏土物理特性试验

2.2.1 密度试验

2.2.2 含水率试验

2.2.3 比重试验

2.2.4 界限含水率试验

2.2.5 最大干密度与最优含水率试验

2.3 贵阳红黏土介观物理特殊性及量化参数

2.3.1 贵阳红黏土物理特殊性

2.3.2 量化参数

2.4 本章小结

第三章 贵阳红黏土宏观力学特性试验研究

3.1 试验方案及仪器

3.1.1 试验方案

3.1.2 试验仪器

3.2 贵阳红黏土UU试验条件下应力-应变关系

3.2.1 不同围压下原状和重塑红黏土应力应变关系

3.2.2 重塑状红黏土不同干密度下应力-应变关系

3.2.3 重塑状贵阳红黏土不同围压下应力-应变关系

3.3 贵阳红黏土UU试验条件下抗剪强度特性

3.3.1 原状和重塑红黏土的抗剪强度特性分析

3.3.2 重塑状红黏土不同干密度下抗剪强度特性分析

3.4 贵阳红黏土UU试验条件下宏观破坏形态分析

3.5 本章小结

第四章 贵阳红黏土微观结构特性试验研究

4.1 试验方案及土样制备

4.1.1 试验方案

4.1.2 土样制备

4.1.3 土样仪器

4.2 介-微观结构定量分析影响因子优化

4.2.1 介-微观结构量化因子

4.2.2 介-微观结构量化影响因子优化

4.3 贵阳红黏土介-微观结构形貌

4.3.1 颗粒-孔隙特征及微结构三维可视化

4.3.2 结构单元间(颗粒)接触-联结机制

4.3.3 颗粒-孔隙排列组合形式

4.4 粒度分析测试

4.4.1 试验土样及方案

4.4.2 不同分散方法下粒度分析结果

4.4.3 不同影响因子作用下六偏磷酸钠对粒度分析结果的影响

4.5 吸附试验

4.5.1 原状和重塑红黏土吸附-脱附曲线

4.5.2 贵阳红黏土介-微观结构分析

4.6 X射线衍射测试

4.6.1 贵阳红黏土矿物化学组分EDS分析

4.6.2 贵阳红黏土矿物结晶体分布与结构特征XRD测试

4.7 本章小结

第五章 贵阳红黏土介-微观结构对宏观力学特性的影响

5.1 介-微观结构对宏观力学特性影响因素分析

5.1.1 介-微观结构形貌对宏观力学特性的影响

5.1.2 介-微观结构几何参数对宏观力学特性影响

5.2 介-微观结构对宏观力学特性影响量化评价

5.2.1 分形结构及特征参数

5.2.2 贵阳红黏土颗粒-粒径分布分维特征

5.2.3 贵阳红黏土孔隙体积-粒径分布分维特征

5.2.4 基于分形模型对贵阳红黏土物理力学参数预测

5.3 贵阳红黏土三轴剪切试验中介-微观结构演化规律

5.3.1 不同应变条件下原状和重塑红黏土介-微观结构特征

5.3.2 重塑状红黏土不同干密度下介-微观结构特征

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 图、表

附录Ⅱ 在校期间公开发表的论文及主持、参加过的科研项目

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