冻融循环作用下植被混凝土结构变化研究

摘要

在温度变化频繁的地区使用植被混凝土生态基材进行边坡修复时，冻融循环是导致其松散、龟裂、脱落的主要原因，多次冻融循环破坏了该生态基材的稳定性，因而研究冻融循环下生态基材的结构变化对于其在工程上的运用具有重要的意义。基于此，本文以植被混凝土为研究对象，针对5种初始含水率梯度（15%、20%、25%、30%、35%）的试样开展了21次冻融循环室内模拟试验，分析探讨了冻融循环过程中试样的宏观物理力学性质与微观结构变化情况，并解释了两者之间的关系。
　　首先对冻融循环过程中植被混凝土试样的宏观物理力学性质进行了研究，如体积、质量、表面图像超声波波速等。结果表明，随着冻融循环次数的增加，各试样表面裂隙均逐渐增加，初始含水率为15%和35%的试样破坏程度较为明显，另外3种初始含水率的试样基本保持原貌，其表面裂隙率不到3%，不同初始含水率试样的质量与体积均随着冻融次数的增加而减小，初始含水率为15%时试样质量和体积损失量最大，初始含水率为25%与30%时试样质量和体积损失量较小；超声波波速随冻融循环次数的增加而减小，初始含水率越大，下降幅度越大。
　　然后，采用电子显微镜扫描（SEM）获取25%与30%两种初始含水率试样的微观结构图像，通过数字图像处理技术以及分形分维等理论对微观结构图像进行几何特征分析，发现其中9项微观结构参数（平均粒径、平均孔径、粒级分维、孔径分维、颗粒丰度、颗粒圆形度、孔隙分布分维、颗粒分布分维、接触带分维）的变化各有规律。在颗粒大小方面，小颗粒胶粒与颗粒粉粒减少，中等颗粒粘粒增多，两种土样的粒度分维一直随冻融循环次数逐渐缓慢增大最后趋于稳定；在颗粒形状方面，颗粒丰度减少，圆形度上升，颗粒形状向椭圆状发展，颗粒变圆，失去粘结力，25%含水率土样比30%更加趋于圆形；在颗粒排列形式上，两种含水率土样的颗粒分布分维先随冻融循环次数逐渐升高，然后又略有所降低，表明颗粒先发生分裂再发生聚合；在孔隙性上，冻融循环使两种土样的微孔隙增多，小、中孔隙基本保持不变，大孔隙变少，平均孔径均先增大后减小，土样的孔隙首先变得不均匀，然后又向均匀的方向发展，孔隙的分布比初始分散；在颗粒接触上，两种含水率土样的孔隙平面分布情况均使得接触带分维上升，表明冻融循环使土颗粒接触带的平面分布变分散。
　　最后，利用灰色关联法评价了黏聚力、内摩擦角、质量、体积、超声波5项宏观参数与9项微观结构参数的关联度。冻融循环作用下两种初始含水率试样的宏观参数与9项微观参数均有关，含水率的不同导致关联系数略微有差异，表明微观结构参数对土样抗剪强度的影响较大，是决定土样强度的重要原因；两种含水率土样质量变化与微观结构参数8项关联度都在0.6以上，同样，体积变化与微观结构参数8项关联度也都在0.6以上，其关联度最高的2个均为颗粒圆形度与孔隙分布分维；而在波速方面，25%含水率土样与微观结构参数有关联的分别为颗粒丰度、接触带分维与平均粒径，30%含水率土样与微观结构参数有关联的分别为颗粒丰度与接触带分维，25%含水率土样的关联度明显比30%含水率土样要高，且有关联的参数更多；以上表明土样宏观参数与部分微观结构参数有很高的关联性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 植被混凝土生态防护技术简介

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容与目标

1.5 技术路线

2 试验设计

2.1 试验原材料及设备

2.2 试验方案

3 冻融循环作用下植被混凝土宏观变化研究

3.1 冻融循环土样表面变化特征

3.2 质量与体积变化特征

3.3 超声波波速变化

3.4 抗剪强度变化

3.5 本章小结

4 冻融循环作用下植被混凝土微观结构变化

4.1 微观结构的研究方法

4.2 基于数字图像处理的土体微观结构的研究

4.3 土颗粒形态的定量分析

4.4 孔隙性的定量分析

4.5 颗粒接触定量分析

4.6 本章小结

5 冻融循环作用下微观结构参数与宏观变化的关系

5.1 灰色关联法评价关系

5.2 灰色关联度的计算

5.3 灰色关联分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论文和发明专利

致谢