全吸力范围内桂林红黏土的土-水特征曲线及微观结构演化规律研究

摘要

土-水特征曲线(Soil Water Retention Curve)是描述非饱和土水力特性的重要关系曲线，它对非饱和土的诸多特性有影响，如渗透性、体变以及强度等。同时，作为解释非饱和土行为的一项基本本构关系，土-水特征曲线是将理论、试验及预测方法有机结合的重要关系之一，也是构筑非饱和土各种重要关系的基础。因此，通过土-水特征曲线研究非饱和土的相关性质具有重要的意义。影响土-水特征曲线的影响因素众多，包括土的类型、应力状态、孔隙比、孔隙分布、初始含水量、吸力范围、温度以及化学成分等等。现有研究表明，对于某一特定土样，孔隙比是影响土-水特征曲线最为直接和重要的因素。然而，当孔隙比相同时，不同微观孔隙结构的土样却表现出不同的土-水特征曲线性状。地基、路基以及边坡等实际工程中的土体，一方面由于受荷载作用而引起孔隙体积的减小;另一方面由于降雨、蒸发等气候因素影响，天然土体处于干湿循环过程之中，其孔隙比和微观孔隙结构也将发生改变，从而导致其工程响应的差异。
　　为了研究不同孔隙结构对非饱和土土-水特征曲线的影响，以桂林红黏土为研究对象，首先自主研制单孔结构泥浆土制样装置，利用固结法和压实法分别制备单孔和双孔结构的土样。随后，基于轴平移法、滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法3种不同控制吸力的方法，对上述两种不同孔隙结构以及不同初始孔隙比的共计129个桂林红黏土土样的土-水特征曲线开展了试验研究。最后，利用压汞法与扫描电镜法，对泥浆土与压实土样在干化、湿化和干湿循环过程中不同吸力阶段的微观孔隙结构进行了试验研究，揭示了单、双孔结构土样在水力作用过程中微观孔隙结构的演化规律。取得的主要研究成果如下:
　　(1)自主研制了单孔结构泥浆土制样装置，对不同孔隙结构土样制备方法进行了优化。自主开发研制了一种单孔结构泥浆土制样装置，其原理简单、使用方便，能够灵活地通过砝码或千斤顶控制固结压力，并可通过制样桶的刻度以及量筒所测排水量，对所制备土样的密度进行有效控制;同时，基于所研制的泥浆土制样装置和传统的压实样制样器，对单孔结构泥浆土和双孔结构压实土试样的制备方法进行了优化。
　　(2)利用不同的吸力控制技术，开展了全吸力范围内不同孔隙结构桂林红黏土的土-水特征曲线试验研究，揭示了初始孔隙比和微观孔隙结构对土-水特征曲线的影响规律。针对桂林红黏土，通过单孔结构泥浆土制样装置制备3种初始孔隙比的单孔结构重塑土，通过击实法制备3种初始孔隙比的双孔结构重塑土。分别利用轴平移技术、滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法，对不同吸力水平的吸力进行控制，获取了不同孔隙结构和不同初始孔隙比条件下桂林红黏土的土-水特征曲线，揭示了微观孔隙结构和初始孔隙比对土-水特征曲线的影响规律，包括对干化曲线、湿化曲线以及滞回特性的影响。
　　(3)通过对土样在干湿循环过程中的不同阶段开展压汞实验和电镜扫描实验，揭示了单、双孔结构的桂林红黏土在干湿循环过程中微观结构演化规律。利用压汞实验和扫描电镜实验，分别测试了3种初始孔隙比的泥浆土样与压实土样在干湿循环过程中不同吸力阶段的微观孔隙结构，包括干化过程和湿化过程，从而揭示了两种不同孔隙结构桂林红黏土微观孔隙结构的演化规律，并重点分析了孔隙结构类型对土-水特征曲线滞回特性的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究目的和内容

1．3 创新点

1．4 论文大纲

2 文献综述

2．1 考虑微观结构影响的土-水特征曲线研究

2．2 非饱和土吸力控制测试技术

2．2．1 轴平移技术

2．2．2 湿度控制技术

2．2．3 滤纸法

2．3 水力路径下土体微观结构演化规律

2．4 土体微观结构测试技术

2．4．1 压汞法

2．4．2 扫描电镜法(SEM)

3 单孔结构泥浆土制样装置的研制

3．1 研制背景

3．2 基本原理

3．3 制样器的结构组成

3．4 操作过程

4 全吸力范围内桂林红黏土的土-水特征曲线试验研究

4．1 土样基本参数

4．1．1 基本土性参数

4．1．2 土样级配曲线

4．2 土样制备过程

4．3 轴平移技术测量土-水特征曲线

4．3．1 试验过程

4．3．2 试验结果

4．4 滤纸法测量土-水特征曲线

4．4．1 试验过程

4．4．2 试验结果

4．5 饱和盐溶液蒸汽平衡法测量土-水特征曲线

4．5．1 试验过程

4．5．2 试验结果

4．6 三种试验方法所测土-水特征曲线

4．7 全吸力范围内的桂林红黏土土-水特征曲线

4．7．1 孔隙结构对土-水特征曲线的影响——干化过程

4．7．2 孔隙结构对土-水特征曲线的影响——湿化过程

4．7．3 初始孔隙比对土-水特征曲线的影响——干化过程

4．7．4 初始孔隙比对土-水特征曲线的影响——湿化过程

4．7．5 不同孔隙结构土样的土-水特征曲线滞回性比较

5 干湿循环过程中桂林红黏土微观结构演化规律研究

5．1 压汞法测试土的微观结构

5．2 干化过程中土体微观结构演化规律

5．2．1 双孔结构压实土

5．2．2 单孔结构泥浆土

5．3 湿化过程中土体微观结构演化规律

5．3．1 双孔结构压实土

5．3．2 单孔结构泥浆土

5．4 干湿循环对土体微观结构的影响

5．4．1 双孔结构压实土

5．4．2 单孔结构泥浆土

5．5 扫描电镜法测试土的微观结构

5．5．1 双孔结构压实土

5．5．2 单孔结构泥浆土

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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