软粘土等向固结过程中微观孔隙结构演化机制的定量研究

论文摘要

土体的微观结构是决定其力学性质的重要因素,因此,在土体工程性质的评价体系中,对微观结构的研究具有重大的理论和应用意义。然而土体的微观结构是非常复杂的多孔结构,现有的研究手段往往难以准确地对其进行描述和模拟。鉴于此,借助于高等学校博士学科点专项科研基金(编号：20070497107)本文基于等向固结试验和渗透试验,采用扫描电镜(SEM)和IPP图像处理技术,针对软粘土固结过程中微观孔隙结构的演化机理进行了定性及定量研究。本文的研究方法和主要成果如下：(1)本文首先综述了土体微观结构及土体分形理论研究的发展历史、现状以及研究动向,并对本课题的研究背景与意义做了简要介绍。(2)对原状软粘土进行不同等向固结压力下的固结试验,得到了其相关力学参数,并对固结试验前后的试样制作扰动样进行渗透试验,试验结果表明：渗透系数与固结压力呈指数关系变化,所施加的固结压力越大,其扰动样的渗透系数越小；温度和土体的差异性均对渗透系数有较大影响,初步认为：若水温在10℃以下,则温度越高,渗透系数越大。(3)采用SEM定性研究固结试验前后各个试样微观结构的形貌特征,并基于SEM试验研究,利用IPP图像技术对其进行定量研究,分析孔隙的大小、数量、面积、孔隙度、表面分维数、圆形度等指标及其分布规律。结果表明：软粘土等向固结时,其微观结构由絮凝结构变为紧密结构,且随着固结压力的增大,孔隙度、孔径、孔径的分布范围及总孔隙数量均逐渐变小,促进了孔隙级配的相互调节。此外,表面分维数呈正态分布,且其曲线呈向左平移的趋势；同时,圆形度呈指数递减趋势。(4)基于试验研究,采用Sierpinski地毯模型对软粘土进行分形研究,探讨了分维数与土体各项微观孔隙参数、力学性能指标及渗透系数的相互关系。研究结果表明：软粘土具有明显的分形特征,随固结压力的增大,孔隙度降低,Sierpinski分维数增大。分维数与固结压力、孔隙度、孔隙数量和固结变形量有较明显的线性关系；分维数与渗透系数之间呈现较明显的指数增长关系；这说明分维数可以作为一个新的参数来揭示土体固结过程中力学性能参数的变化规律和微观结构的演化机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土体微观结构研究
• 1.2.2 土体分形研究
• 1.3 论文的主要工作
• 1.3.1 论文的学术思想和理论依据
• 1.3.2 论文的研究内容和目标
• 1.3.3 研究方案
• 1.3.4 技术路线
• 1.3.5 论文的研究特色及创新点
• 第2章 等向固结试验
• 2.1 土体基本性质
• 2.1.1 密度和含水率
• 2.1.2 液塑限
• 2.1.3 粒度分析
• 2.2 等向固结试验
• 2.2.1 试样数量及加载制度
• 2.2.2 仪器设备
• 2.2.3 试验方法
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 排水量与固结压力的关系
• 2.3.2 孔隙压力的变化
• 2.3.3 孔隙比与固结压力的关系
• 2.3.4 变形量与固结压力的关系
• 2.3.5 固结系数
• 2.4 本章小结
• 第3章 渗透试验
• 3.1 材料
• 3.2 仪器设备
• 3.3 试验方法
• 3.4 试验结果与分析
• 3.4.1 温度对渗透系数的影响
• 3.4.2 土体差异对渗透系数的影响
• 3.4.3 固结压力与渗透系数的关系
• 3.5 本章小结
• 3.5.1 结论
• 3.5.2 建议
• 第4章 土体微观孔隙结构的定性和定量分析
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 方法
• 4.2 微观孔隙结构的定性分析
• 4.3 微观孔隙结构的定量分析
• 4.3.1 孔径分布
• 4.3.2 孔隙数量分布
• 4.3.3 孔隙面积分布
• 4.3.4 表面分维数
• 4.3.5 圆形度
• 4.4 孔隙结构的分形研究
• 4.4.1 分形理论概述
• 4.4.2 孔隙结构的分形描述
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文