水作用下黄土三维微结构演化及湿陷机理研究

论文摘要

黄土高原作为中华文明发祥地,是我国重要的工农业生产及能源基地和“一带一路”承东启西要地,但也是生态环境脆弱和地质灾害高发区。在我国“一带一路”和西部大开发战略部署背景之下,这些地质灾害严重制约黄土地区经济、社会的快速健康发展。特殊的结构性及强烈的水敏性是黄土地区地质灾害频发的主要内因。国内外学者对黄土湿陷性及规律的探索取得了不少成果,但是黄土湿陷机理非常复杂,涉及多种物理过程及化学反应,到目前为止仍没有统一公认的理论,能够完美解释湿陷问题。从根本上认清黄土的湿陷机理,才是解决黄土地区地质灾害及工程地质问题的基本前提和首要任务。本文以延安新区马兰黄土为例,在查阅大量国内外文献的基础上,依托国家自然科学基金重点项目和长安大学优秀博士学位论文培育项目,结合野外调查、室内试验、微米级CT扫描及三维可视化重构系统对黄土中颗粒、孔隙、接触关系及排列方式等微结构特征在三维空间有了全面、客观的认识;基于建立的三维微结构定量化模型及开发的微型土样水-力加载系统深入研究了水作用下微结构参数的变化规律及微结构的动态演化;综合湿陷变形的物理过程及化学反应,系统提出延安新区马兰黄土的湿陷机理,为黄土地区湿陷性问题研究提供了系统的理论方法及研究技术思路。论文取得了以下创新性成果:（1）基于系列微米级CT图像和三维可视化重构系统,首次建立了延安新区马兰黄土的三维微结构定量化模型,结合能谱分析对所研究黄土的微结构特征有了全新认识。黄土中颗粒的三维形态主要分为片状、板状、次圆状和次棱角状四种类型,近95%的颗粒球度介于0.4-0.8之间,近四分之一的颗粒呈垂直或倾斜分布,构成了黄土亚稳态结构的基本单元。颗粒之间以间接接触为主,其胶结物质主要为粘土矿物、CaCO3及铁的氧化物,为天然状态下黄土的松散结构提供一定强度,并且在黄土湿陷过程中发挥重要作用。黄土中孔隙数量呈伽马分布,孔径在8-32μm之间的孔隙占总孔隙数量的81.3%,孔隙体积百分比呈正态分布,孔径在13-50μm的孔隙占总孔隙体积的92.5%。这些架空孔隙和镶嵌孔隙为黄土的湿陷提供主要空间。（2）基于三维微结构定量化模型,研究了不同受力及浸水条件下黄土微结构参数的变化规律。受压后土样中颗粒尺寸及球度分布无明显变化,部分颗粒的长轴会倾向于水平方向分布;湿陷后颗粒的尺寸、球度及定向均无明显变化。孔隙在湿陷前后变化最明显,孔隙数量和体积百分数在湿陷后分布更集中,且对应的孔隙尺寸均值明显减小。湿陷后大孔隙数量和体积百分数减小,小孔隙数量和体积百分数增加,变化界限分别为23μm和26μm。（3）首次开发了微型土样水-力加载系统,实现了同一黄土样品湿陷前后的高精度观测,捕捉黄土湿陷的真实物理过程。湿陷过程中颗粒的向下运动主要表现为垂直或倾斜的平移,在XZ或YZ平面很少发生旋转,证实了成果（2）中颗粒定向对比结果。架空孔隙在湿陷后多表现为面积或体积的整体缩小,没有出现结构的坍塌,部分镶嵌孔隙湿陷后表现为面积或体积缩小,孔隙连通性减弱。黄土浸水后,水分首先分布在颗粒接触处、部分镶嵌孔隙以及粘粒集团内等小孔隙中。水分进入粘粒集团后,表现出面积或体积的增大;水分接触粘粒胶结时,粘粒表现出膨胀、散化,颗粒发生滑移;水分分布在直接接触的颗粒之间时,颗粒之间相对位置无明显变化。根据观察到的真实湿陷过程推测,粘粒遇水膨胀、散化可能是导致土样发生湿陷的主要原因。（4）对同一样品湿陷过程中的孔隙变化进行定量对比,一方面验证成果（2）中孔隙变化规律,证实数据的可靠性,另一方面基于湿陷前后孔隙数量及体积百分数变化规律,对孔隙进行了分类,分类界限为10μm以及26μm,其中大于26μm的孔隙属于架空孔隙和部分镶嵌孔隙,该类孔隙是湿陷的主要贡献者。（5）综合成果（3）中湿陷变形的真实物理过程、PFC模拟以及室内淋滤、不同溶液湿陷试验等多种化学手段,系统提出延安新区马兰黄土的湿陷机理:松散结构是黄土能够发生湿陷的先决条件和首要因素,架空孔隙和镶嵌孔隙的存在为湿陷提供主要空间。颗粒胶结处粘粒吸水,水膜增厚,粘粒膨胀、散化,颗粒之间引力减弱,抗剪强度降低,是颗粒发生滑移引起湿陷的主要原因。水膜楔入对颗粒的润滑作用以及毛管凝聚力的降低对本次黄土湿陷性贡献并不明显。可溶盐以及CaCO3胶结对所研究黄土湿陷不起主要作用。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 存在问题

1.3 研究内容与技术路线

1.4 创新点

第二章研究区概况

2.1 研究区概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 气象水文

2.1.3 地形地貌

2.1.4 地层岩性

2.1.5 岩土体类型

2.2 土样采集及物理力学特性

2.2.1 土样采集

2.2.2 土样的物理力学性质

2.3 土样的微结构特征

2.3.1 微结构定性表征

2.3.2 能谱分析

2.3.3 孔隙大小分布

2.4 本章小结

第三章黄土三维微结构定量表征

3.1 引言

3.2 黄土样品的观测

3.2.1 设备介绍

3.2.2 样品的制备

3.2.3 样品的扫描

3.3 三维微结构定量化模型的建立

3.3.1 图像的导入与处理

3.3.2 阈值的选取

3.3.3 对象的分割

3.3.4 三维微结构范围的确定

3.4 微结构参数的三维定性表征

3.4.1 颗粒

3.4.2 接触

3.4.3 排列方式和孔隙

3.5 微结构参数的定量分析

3.5.1 颗粒大小分布

3.5.2 颗粒球度分布

3.5.3 颗粒定向分布

3.5.4 孔隙及孔喉分布

3.6 黄土微结构三维表征的优势

3.7 本章小结

第四章水、力作用下黄土微结构参数对比

4.1 引言

4.2 试验过程

4.3 试验结果对比分析

4.3.1 SEM定性对比

4.3.2 微结构参数定量对比

4.4 本章小结

第五章黄土湿陷过程中三维微结构演化

5.1 引言

5.2 试验设备及方案

5.2.1 微型土样水-力加载系统

5.2.2 试验方案

5.3 结果分析

5.3.1 微型加载系统湿陷曲线

5.3.2 微结构参数湿陷前后动态演化

5.3.3 孔隙湿陷前后定量对比及分类

5.4 本章小结

第六章黄土湿陷机理

6.1 引言

6.2 湿陷试验

6.2.1 结果分析

6.2.2 结果讨论

6.3 淋滤试验

6.3.1 试验仪器

6.3.2 试验方法

6.3.3 结果分析与讨论

6.4 PFC3D模拟

6.5 湿陷机理探讨

6.6 本章小结

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 不足与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 魏亚妮

导师: 范文

关键词: 黄土三维微结构,定量表征,微结构参数变化,微结构演化,湿陷机理

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,工业通用技术及设备

单位: 长安大学

基金: 国家自然科学基金重点项目,长安大学优秀博士学位论文培育项目

分类号: P642.131

总页数: 127

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