干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究

摘要

为了明确天然及干湿循环状态古土壤的细微观特性及力学性质变化情况,揭示细微观结构变化与宏观力学性质的相关关系,并区分古土壤与黄土间存在的差异性。基于此,从银西高铁早胜三号隧道取古土壤试样,分别利用X射线衍射、扫描电镜及核磁共振技术,从矿物成分、孔隙特征、接触形式及弛豫时间等几方面对不同条件下古土壤的细微观特征及力学特性进行了系统研究,并同黄土的已有研究成果进行了对比。认为:古土壤主要以石英、长石、方解石等矿物为主,在微观层面表现出凝块、集粒发育,以间接接触、面–面接触为主,微小孔隙占比较大,颗粒趋于类圆形,分布相对集中的特点。而在细观层面核磁共振结果表现为反演良好、三峰分布、一主两次的T2谱分布形式;但随着干湿循环的进行,粒间接触形式由面–面接触逐渐过渡为边–面接触,最后发展为边–边或点–面的形式。同时,微小孔隙所占比例逐渐减少,大中孔隙含量逐渐增加,颗粒丰度值不断增加,分形维数逐渐减小。在细观尺度上,T2谱主峰仍占到绝大多数,且随着循环次数增加,图谱峰值大致增加,谱图不断右移,谱面积逐渐增大,与循环次数呈现良好的相关关系。同时,微、细、宏观相互作用使得土体黏聚力、内摩擦角随干湿循环的进行表现出负相关关系,而无荷膨胀率则表现出一定的正相关;将试验结果与黄土试验结果对比,发现古土壤中石英含量较少,伊利石含量较多,方解石含量最多;微孔隙所占比例较大,小孔隙比例较小,大中孔隙含量相当;颗粒分布相对集中,形状趋于圆形。