【摘要】：黃土作為一種典型的結(jié)構(gòu)性土,在我國和世界其他許多國家都有著廣泛的分布。然而,黃土特殊的結(jié)構(gòu)性使其具有不同于同一時期其他沉積物的獨特性質(zhì)——濕陷性、震陷性和液化性。這些不良特性往往給修建在黃土地基上的建筑物帶來嚴(yán)重的危害。黃土的結(jié)構(gòu)特點-架空結(jié)構(gòu)使其具有較大的壓縮空間,在受到特殊外力作用,例如浸水或者地震時,就會發(fā)生塌陷或液化。由此可見,黃土特殊的結(jié)構(gòu)是其致災(zāi)的根本原因,對其細(xì)、微結(jié)構(gòu)的研究更能從本質(zhì)上去了解和改進它的宏觀物理屬性。近幾十年來,我國的經(jīng)濟一直快速發(fā)展,然而工業(yè)廢水和城市垃圾導(dǎo)致的土壤和地下水的酸化,酸雨的擴展等環(huán)境問題卻嚴(yán)重影響著我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展道路。研究酸性環(huán)境下黃土的結(jié)構(gòu)和工程性質(zhì)的改變(包括人為主動改良黃土的結(jié)構(gòu)和自然環(huán)境下黃土被動的破壞),對環(huán)境保護和工程建設(shè)都有著非常重要的意義�；谝陨蟽蓚�出發(fā)點,筆者研究了酸性環(huán)境下黃土的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理力學(xué)變化特征,其主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)提出了黃土結(jié)構(gòu)改良的概念,即將黃土的天然屬性——濕陷性、震陷性和液化性看作不良屬性,對這種不良屬性的消除實質(zhì)上是對黃土固有屬性的優(yōu)化。在此理論基礎(chǔ)上,人為主動采用化學(xué)方法改良了黃土的結(jié)構(gòu),即利用酸能溶解CaCO3的特性,迅速有效的破壞黃土內(nèi)部的不良孔隙結(jié)構(gòu),并通過電鏡掃描的觀察,分析了在不同壓力下,不同濃度的磷酸溶液對濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)改良情況。試驗結(jié)果表明:低于800kPa壓力時,由于磷酸的作用,黃土的結(jié)構(gòu)得到了顯著改良;高于800kPa壓力時,由于壓力已經(jīng)破壞了黃土的孔隙結(jié)構(gòu),磷酸的作用效果并不明顯。通過固結(jié)試驗與濕陷試驗證明了在同等壓力條件下,經(jīng)過磷酸溶液處理過的黃土發(fā)生濕陷和多次濕陷的可能性和危害性都較小。靜三軸和動三軸試驗證明了由于固化粘聚力和原始粘聚力的增強,土的抗剪強度得到了增強;由于較低的孔隙比,酸改良黃土有著更好的抗震性和抵抗液化的能力。(2)在黃土濕陷性試驗的浸入水溶液里添加不同濃度的硝酸與乙酸,測試在酸性環(huán)境中,不同壓力下黃土的濕陷系數(shù)、穩(wěn)定時間、濕陷速率等濕陷敏感性指標(biāo)。同時用掃描電鏡觀察試驗前后土樣的孔隙、結(jié)構(gòu)變化情況。試驗結(jié)果表明:在酸性溶液中,濕陷性黃土在低于400kPa壓力時,濕陷系數(shù)增大較多,在各級壓力下的濕陷穩(wěn)定時間均有所延長;在水溶液和酸性溶液中,黃土有著不同的濕陷敏感壓力區(qū)間等。在此試驗基礎(chǔ)上,吸取前人的經(jīng)驗,提出用完成90%濕陷量的時間和濕陷系數(shù)這2個指標(biāo)對黃土及其場地進行濕陷敏感性評價,并以發(fā)生過濕陷的場地——抽黃渠為實例驗證了此方法的科學(xué)性和實用性。(3)采用MATLAB與Image-Pro Plus 6.0兩款軟件對上述試驗土樣的SEM電鏡掃描照片進行了預(yù)處理,并計算了顆粒分維值和孔隙含量與數(shù)量。試驗測試并計算了不同土樣顆粒間的范德華力與庫侖力。從黃土結(jié)構(gòu)熵的角度解釋了其結(jié)構(gòu)特征和宏觀力學(xué)特征在荷載、水和酸的作用下得到改良的機理,從粒級熵、排列熵和能級熵3個方面對其結(jié)構(gòu)性做了定量計算。研究結(jié)果表明,當(dāng)壓力增大的時候,土壤顆粒粒徑的相對大小處于一個自我調(diào)整的過程,其粒度分維值表現(xiàn)為阻尼波狀。這就表明土壤顆粒粒徑的調(diào)整是一個“相對均勻-相對不均勻-相對均勻”的周期性反復(fù)轉(zhuǎn)變的過程。這種周期性的轉(zhuǎn)變過程對于其他條件下(增濕、加酸)黃土結(jié)構(gòu)的變化是一致的。其孔隙特征表現(xiàn)為,隨著壓力的增大,含水量的增加,酸性的增強,中孔隙和大孔隙的數(shù)量和含量均減小,微孔隙以及小孔隙的數(shù)量和含量均增加。土壤之間的孔隙間距和土的粒徑由此減小,土顆粒之間的范德華力與庫侖力的微重比隨之增大。以上結(jié)果證明,黃土的濕陷性隨上覆壓力、含水量和酸性的增加而降低,穩(wěn)定性隨之增強。(4)簡明介紹了二元介質(zhì)模型的基本概念與研究對象,詳細(xì)介紹了自然酸性環(huán)境下黃土被動破損演化的機理。基于對膠結(jié)黃土微觀結(jié)構(gòu)的抽象,以顆粒接觸方式(膠結(jié)接觸與摩擦接觸)計算天然黃土中摩擦元和膠結(jié)元所占有的體積。基于宏細(xì)觀能量平衡原理,利用能量方程推導(dǎo)了考慮化學(xué)因素影響的破損變量。基于鈣質(zhì)膠結(jié)與酸反應(yīng)的速率及黃土在酸性環(huán)境下的破損機理,一個改進的二元介質(zhì)模型用來預(yù)測酸性環(huán)境下黃土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。在這個模型中,黃土看作是結(jié)構(gòu)體和軟弱帶的結(jié)合體,分別承擔(dān)著來自于外界的應(yīng)力。通過簡單的表達(dá)式反應(yīng)了黃土中結(jié)構(gòu)體、軟弱帶在酸性環(huán)境下的破損特征。文中給出了各個模型參數(shù)的求解方法,通過濕陷試驗和三軸剪切試驗證明了該模型能夠預(yù)測酸性環(huán)境下黃土的變形特征。
【圖文】：

圖 1-1 中國黃土分布圖Fig.1-1. Loess distribution in China）化學(xué)成分【26】：均一性是黃土化學(xué)成分的基本特征，不同時期的黃土化學(xué)成分極其相似。

21（a）架空結(jié)構(gòu) （b）點接觸連接圖 2-1 黃土的架空結(jié)構(gòu)與點接觸連接Fig. 2-1. Macropore structure and point contact connections of Loess
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU444

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本文編號：2682559