- 无标题文档
查看论文信息

论文中文题名:

 冻融环境下伊犁谷地压实黄土水力特征演化与微观机理    

姓名:

 李业彤    

学号:

 20204053038    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 081401    

学科名称:

 工学 - 土木工程 - 岩土工程    

学生类型:

 硕士    

学位级别:

 工学硕士    

学位年度:

 2023    

培养单位:

 西安科技大学    

院系:

 建筑与土木工程学院    

专业:

 土木工程    

研究方向:

 岩土工程    

第一导师姓名:

 杨更社    

第一导师单位:

 西安科技大学    

论文提交日期:

 2023-06-12    

论文答辩日期:

 2023-06-03    

论文外文题名:

 Evolution and Microscopic Mechanism of Hydraulic Characteristics of Compacted Loess in Ili Valley under Freeze-thaw Environment    

论文中文关键词:

 冻融循环 ; 压实黄土 ; 损伤劣化 ; 渗透演化 ; 微观机理    

论文外文关键词:

 Freeze-thaw cycle ; Compacted loess ; Damage deterioration ; Permeability evolution ; Microscopic mechanism    

论文中文摘要:

新疆伊犁属典型的季节性冻土区,常年冻土面积比较大,以伊犁谷地压实黄土为地基的建筑物在工程建设期和运行阶段都应将冻融作用的影响考虑在内。因此本文以伊犁谷地压实黄土在冻融循环作用下的水力特征为切入点,通过对不同冻融循环次数下的伊犁谷地压实黄土开展室内试验,得到了土体的无侧限单轴抗压强度、渗透性能参数和微观结构变化规律。主要研究内容及研究成果如下:

(1)针对伊犁谷地压实黄土开展不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度试验,结果表明:不同含水率、干密度压实黄土应力-应变曲线表现出相似的形态特征和走势,均可定义为弹塑性-应变软化型曲线,随着含水率的升高应力-应变曲线由强软化型转变为弱软化型;不同含水率、干密度压实黄土的极限强度随冻融次数的增加持续减小,而弹性模量随冻融次数的增加呈波浪式变化,总体表现为衰减趋势;基于损伤力学理论和推广后的Lemaitre等效应力假定原理建立了冻融循环作用下压实黄土冻融损伤模型,并验证了其合理性。

(2)以伊犁压谷地压实黄土为研究对象,开展不同冻融循环次数下的GDS固结渗透试验,结果表明:渗透性受含水率和干密度影响显著,含水率越大渗透系数越大,干密度越大渗透系数反而越小;随着冻融循环次数的增加渗透系数和自重湿陷性系数均增大,含水率越高土体受冻融影响持续时间越长;一般来讲其对应的孔隙比也应该不断增加,但却出现了孔隙比降低,渗透系数反而增大的情况,分析其原因可能是由于冻胀融沉作用使得土中形成了微小裂隙,进一步扩展为裂缝,这就形成了优势流动通路,因而虽然试样孔隙比减小了,但并不影响其渗透性的增强。

(3))以伊犁谷地压实黄土为研究对象,开展不同冻融循环次数下压汞试验和扫描电镜试验,从定量和定性两个方面对土体的微观结构进行分析,结果表明:冻融循环使得土体孔隙向大中孔径孔隙演化,提高土体孔隙体积百分比;冻融循环次数的增加丰富了颗粒间的接触方式,由面-面接触发展为点-面接触和点-点接触甚至出现粒间接触方式,从而增大了粒间孔隙;土中水相变成冰晶体,体积增大,形成冻胀力,挤压周围土颗粒,骨架颗粒产生错动,形成一定的通路,同时骨架颗粒间的胶结作用减弱,为后续渗透作用提供通道;经过冻融作用后,大的骨架颗粒遭到破坏形成中小粒径的土颗粒,同时伴随微裂纹的产生,压实黄土强度也逐渐衰减。通过上述研究方面将黄土力学强度和渗透性与其微观结构联系起来,系统的阐述了伊犁谷地压实黄土冻融劣化机理。

论文外文摘要:

Yili in Xinjiang is a typical seasonal frozen soil area, and the perennial frozen soil area is relatively large. The influence of freeze-thaw action should be taken into account in the construction and operation stages of buildings based on compacted loess in Ili Valley.  Therefore, this paper takes the hydraulic characteristics of compacted loess in Yili Valley under freeze-thaw cycles as the starting point. Through the indoor test of compacted loess in Yili Valley under different freeze-thaw cycles, the unconfined uniaxial compressive strength, permeability performance parameters and microstructure variation of soil are obtained. The main research contents and results are as follows :

(1) The results show that the stress-strain curves of compacted loess with different water content and dry density show similar morphological characteristics and trends, which can be defined as elastoplastic-strain softening curve. With the increase of water content, the stress-strain curve changes from strong softening type to weak softening type. The ultimate strength of compacted loess with different water content and dry density decreases continuously with the increase of freeze-thaw times, while the elastic modulus changes in a wave-like manner with the increase of freeze-thaw times, showing an overall attenuation trend. Based on the damage mechanics theory and the generalized Lemaitre equivalent stress assumption principle, a freeze-thaw damage model of compacted loess under freeze-thaw cycles was established and its rationality was verified.

(2) Taking the compacted loess in Yili valley as the research object, the GDS consolidation permeability test under different freeze-thaw cycles was carried out. The results show that the permeability is significantly affected by water content and dry density. The larger the water content, the larger the permeability coefficient, and the larger the dry density, the smaller the permeability coefficient. With the increase of the number of freeze-thaw cycles, the permeability coefficient and the self-weight collapsibility coefficient increase. The higher the water content, the longer the duration of the soil affected by freeze-thaw. Generally speaking, the corresponding void ratio should also increase, but the void ratio decreases and the permeability coefficient increases. The reason may be due to the formation of micro cracks in the soil caused by frost heave and thaw settlement, which further expands into cracks, thus forming a dominant flow path. Therefore, although the void ratio of the sample is reduced, it does not affect the enhancement of its permeability.

(3) The compacted loess in Yili Valley was taken as the research object, and the mercury intrusion test and scanning electron microscope test under different freeze-thaw cycles were carried out. The microstructure of the soil was analyzed from both quantitative and qualitative aspects. The results show that the freeze-thaw cycle makes the soil pores evolve to large and medium pore size pores, and increases the percentage of soil pore volume. The increase in the number of freeze-thaw cycles enriches the contact mode between particles, from surface-to-surface contact to point-to-surface contact and point-to-point contact and even inter-particle contact, thus increasing the intergranular pore. The water phase in the soil becomes ice crystal, the volume increases, the frost heaving force is formed, the surrounding soil particles are squeezed, the skeleton particles are displaced, and a certain path is formed. At the same time, the cementation between the skeleton particles is weakened, which provides a channel for subsequent infiltration ; after freezing and thawing, the large skeleton particles are destroyed to form small and medium-sized soil particles. At the same time, with the generation of micro-cracks, the strength of compacted loess gradually decreases. Through the above research, the mechanical strength and permeability of loess are related to its microstructure, and the mechanism of freeze-thaw deterioration of compacted loess in Yili Valley is systematically expounded.

参考文献:

[1] 曹小红, 张俊敏, 孟和, 等.乌市头区地基冻害与土体粒度成分相关分析[J]. 甘肃科技, 2021, 37(11): 112-118.

[2] 李守定, 乔华, 马世伟, 等. 基于温度-降雨双参数的新疆地质灾害预警模型[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(11):207-218.

[3] 马巍, 王大雁. 中国冻土力学研究50a回顾与展望[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(04): 625-640.

[4] 张玉芝, 刘文龙, 王海永,等. 冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(02): 591-601.

[5] 刘建龙, 滕继东, 张升, 等. 气态水迁移诱发非饱和粗粒土冻胀的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(07): 1297-1305+1379-1380.

[6] 姜海波, 李琳, 李志强. 季节冻土区渠道水分迁移规律及冻胀特性试验研究[J]. 水利水电技术, 2020, 51(02): 92-97.

[7] 杜晓燕, 张千里, 孔郁斐, 等. 高速铁路路基粗粒土冻胀机理探析[J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12(S1): 152-156.

[8] 贾海梁, 陈伟航, 王婷, 等. 微波照射冻土热融软化规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(S2): 3636-3644.

[9] 周永毅, 张建经, 闫世杰, 等. 土体冻融特性试验研究现状与思考[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(06): 1267-1284

[10] 张明礼, 王斌, 周志雄, 等. 多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析[J].冰川冻土, 2020, 42(02): 457-466.

[11] 康孝森, 廖红建, 黄强兵, 等. 结构性黄土的临界压力比及其边界面塑性本构模型预测[J]. 岩土力学, 2022, 43(06): 1469-1480.

[12] 郝延周, 王铁行, 程磊, 等. 考虑干湿循环影响的压实黄土结构性本构关系[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 2977-2986.

[13] 王寒, 黄雪峰, 邱明明, 等. 压实黄土高压力下湿陷变形特性试验研究[J].自然灾害学报, 2023, 32(01): 122-130.

[14] 金鑫, 王铁行, 张玉, 等. 计算黄土卸荷湿陷量的模量折减法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(07): 1473-1483.

[15] Chuvilin Y M, Yazynin O M. Frozen soil macro- and microstructure formation. In: Kaare Seds. Proceedings of 5th International Conference on Permafrost. Trondheim, Norway: Tapir Publishers, 1988: 320-323.

[16] Simonsen E, Janoo V C, Isacsson, U. Resilient properties of unbound road materials during seasonal frost conditions. Journal of Cold Regions Engineering, 2002, 16(1): 28-50.

[17] Leroueil S, Tardif J, Roy M, et al. Effects of frost on the mechanical behavior of Champlain Sea clays. Canadian Geotechnical Journal, 1991, 28(5): 690-697.

[18] Lee W, Bohra N C, Altschaeffl A G, et al. Resilient modulus of cohesive soils and the effect of freeze–thaw[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1995, 32(4): 559-568.

[19] Ferrick M G, Gatto L W. Quantifying the effect of a freeze-thaw cycle on soil erosion: laboratory experiments. Earth Surface Processes and Landforms, 2005, 30(10): 1305-1326.

[20] Firoozi A A, Taha M R, Firoozi A A, et al. The Influence of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strength of clay soils treated with lime. Jurnal Teknologi, 2015, 76(1): 107-113.

[21] Pharr G M, Godavarti P S. A comparison of the creep behavior of saline ice and frozen saline Ottawa sand at -8℃. Cold Regions Science and Technology, 1987, 14(3): 273-279.

[22] Leroueil S, Vaughan P R. The general and and congruent effects of structure in natural soils and weak rocks. Geotechnique, 1990, 40(3): 467-488.

[23] 宋春霞, 齐吉琳, 刘奉银. 冻融作用对兰州黄土力学性质的影响[J]. 岩土力学, 2008(04): 1077-1080+1086.

[24] 王铁行, 罗少锋, 刘小军.考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(08): 2378-2382.

[25] 许健, 李诚钰, 王掌权, 等.原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析[J]. 土木建筑与环境工程, 2016, 38(05): 90-98.

[26] 叶万军, 陈义乾, 张登峰, 等. 冻融作用下水分迁移对压实黄土强度影响的宏微观试验研究[J]. 中国公路学报, 2021, 34(06): 27-37.

[27] 刘亚, 蒋宁山, 张吾俞, 等. 环境负温与升温梯度作用下冻土强度特性试验研究[J]. 公路, 2018, 63(04): 40-46.

[28] 刘宽, 叶万军, 景宏君, 等. 2021. 季冻区黄土微观损伤识别与宏观力学响应研究[J]. 岩土工程学报, 43(S1): 192-197.

[29] 庞旭卿, 张腾. 不同应力路径下非饱和黄土结构特性及其本构模型研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2018, 15(05): 1155-1163.

[30] 董晓宏, 张爱军, 连江波, 等. 反复冻融下黄土抗剪强度劣化的试验研究[J]. 冰川冻土, 2010, (4):767-772.

[31] 刘乐青, 张吾渝, 张丙印, 等. 冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(04): 109-115.

[32] 魏尧. 冻融循环对高含水率黄土物理力学特性的影响分析[D]. 西安科技大学, 2016.

[33] 杨更社, 魏尧, 田俊峰, 等. 冻融循环对结构性黄土构度指标影响研究[J].西安科技大学学报, 2015, 35(06): 675-681.

[34] 方秋阳, 柴寿喜, 李敏, 等. 冻融循环对固化盐渍土的抗压强度与变形的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(5): 1041-1047.

[35] 杨平, 刁鹏程, 张婷, 等. 冷端温度及解冻条件对原状海相软土冻融前后物理特性影响研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(01): 96-104.

[36] 钟佳思, 童富果, 刘畅, 等. 非饱和黏土受冻融影响的渗透性演化试验研究[J]. 人民黄河, 2018, 40(07): 134-137.

[37] 胡志平, 丁亮进, 王宏旭, 等. 冻融循环下灰土垫层渗透性和强度试验研究[J]. 施工技术, 2011, 40(13): 57-61.

[38] 王永忠, 艾传井, 刘雄军. 冻融作用对南方粉质黏土物理力学性质的影响[J]. 地质科技情报, 2010, 29(05): 107-111.

[39] 刘志彬, 刘锋, 张书建, 等. 冻融循环对GCL渗透特性的影响[J].东北大学学报(自然科学版), 2020, 41(07): 1027-1032.

[40] 胡学涛, 梁冰, 陈亿军, 等. 冻融循环对固化污泥力学及微观结构特性影响[J]. 岩土力学, 2016, 37(05): 1317-1323.

[41] 赵茜, 苏立君, 刘华, 等. 冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(03): 843-853.

[42] 许健, 王掌权, 任建威, 等. 原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究[J]. 工程地质学报, 2017, 25(02): 292-299.

[43] 许健, 王掌权, 任建威, 等. 冻融条件下重塑黄土渗透规律试验分析[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(07): 134-142.

[44] 许健, 王掌权, 任建威, 等. 原状黄土冻融过程渗透特性试验研究[J]. 水利学报, 2016, 47(09): 1208-1217.

[45] 肖东辉, 冯文杰, 张泽, 等. 冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响[J]. 冰川冻土, 2014, 36(05):1192-1198.

[46] 肖东辉, 冯文杰, 张泽,等. 冻融循环作用下黄土渗透性与其结构特征关系研究[J]. 水文地质工程地质, 2015, 42(04): 43-49.

[47] 王铁行, 杨涛, 鲁洁. 干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响[J].岩土力学, 2016, 37(S1): 72-78.

[48] 连江波, 张爱军, 郭敏霞, 等. 反复冻融循环对黄土孔隙比及渗透性的影响[J]. 人民长江, 2010, 41(12): 55-58+62.

[49] 张海欧. 土体微观结构研究进展[J]. 农业与技术, 2020, 40(04): 57-59.

[50] 李常花. 土体微观结构的研究发展[J]. 科学技术创新, 2020(03): 109-110.

[51] 唐朝生, 施斌, 王宝军. 基于SEM土体微观结构研究中的影响因素分析[J]. 岩土工程学报, 2008(04): 560-565.

[52] 王家澄, 张学珍, 王玉杰. 扫描电子显微镜在冻土研究中的应用[J]. 冰川冻土, 1996(02): 90-94.

[53] 董宏志, 王清, 于莉, 等. 长春季节性冻土地区土体微观结构与水分迁移的关系[J]. 水文地质工程地质, 2008(02): 62-65.

[54] 付翔宇, 张泽, 杨成松, 等. 冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(02): 484-496.

[55] 穆彦虎, 马巍, 李国玉, 等. 冻融作用对压实黄土结构影响的微观定量研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(12): 1919-1925.

[56] 陈鑫, 张泽, 李东庆. 基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究[J].冰川冻土, 2020, 42(04): 1238-1248.

[57] 张泽, 周泓, 秦琦,等. 冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(03): 839-847.

[58] 马骏骅, 马可, 徐贵娃. 冻融循环作用下黄土状土孔隙分布分形几何研究[J]. 煤炭工程, 2012, No.410(S2): 129-132.

[59] 肖东辉, 冯文杰, 张泽. 冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律[J]. 冰川冻土, 2014, 36(04): 907-912.

[60] 张先伟, 孔令伟. 利用扫描电镜、压汞法、氮气吸附法评价近海黏土孔隙特征[J]. 岩土力学, 2013, 34(S2): 134-142.

[61] 李楠, 王天亮, 徐昌, 等. 反复冻融作用下粉质黏土的微观分形特征研究[J]. 铁道标准设计, 2017, 61(10): 48-52.

[62] 韩大伟, 杨成松, 张莲海, 等. 基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例[J]. 冰川冻土, 2022, 44(02): 667-683.

[63] 叶万军, 强艳红, 景宏君, 等. 基于核磁共振的不同含水率黄土古土壤冻融循环试验研究[J]. 工程地质学报, 2022, 30(01): 144-153.

[64] 杜洋, 唐丽云, 杨柳君, 等. 基于核磁共振下的冻土–结构正融过程界面特性研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(12): 2316-2322.

[65] 刘倩倩, 蔡国庆, 韩博文, 等. 基于核磁共振的级配土孔隙结构及冻结特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(S1): 178-182.

[66] 汪恩良, 李宇昂, 任志凤, 等. 基于扫描电镜和核磁共振技术的分散性土改良微观结构性变化研究[J/OL]. 岩土工程学报,1(12): 03-18.

[67] 何攀, 许强, 刘佳良, 等. 基于核磁共振技术的结合水含量对重塑黄土抗剪强度影响试验研究[J]. 山地学报, 2020, 38(04): 571-580.

[68] 吴云涛, 叶万军, 杨更社, 等. 考虑应力路径的土体微观孔隙及宏观变形特征试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(11): 2311-232

[69] 郭永成, 司马艳, 李洪亚, 等. 基于轴-径环状分层CT扫描的岩石冻融损伤分析[J]. 水电能源科学, 2020, 38(03): 109-112.

[70] 张慧梅, 袁超, 慕娜娜, 等. 冻融岩石CT图像处理及细观特征分析[J]. 西安科技大学学报, 2022, 42(02): 219-226.

[71] 邵志鑫, 宋彦琦, 李小龙, 等. 基于CT试验的矽卡岩冻融细观损伤扩展机理[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(03): 1138-1143.

[72] 孟朕, 吴琼, 鲁莎, 等. 基于CT扫描的巴东组易滑岩组微观结构劣化研究[J]. 安全与环境工程, 2022, 29(04): 11-23+45.

[73] 赵玥, 韩巧玲, 赵燕东, 等. 基于CT无损扫描技术的冻土内部物质研究现状与分析[J]. 冰川冻土, 2017, 39(06): 1307-1315.

[74] 陈世杰, 马巍, 李国玉, 等. 与医用CT配合使用的冻土三轴仪的研制与应用[J]. 岩土力学, 2017, 38(S2): 359-367.

[75] 孙星亮, 汪稔, 胡明鉴. 冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验[J]. 岩土力学, 2005, 26(8): 1298-1302.

[76] 袁俊平, 卢毅, 韩翔宇, 等. 岩土体孔隙结构研究中的CT图像处理方法比较[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2019, 36(04): 51-57

[77] Kachanov L M.On the time to failure under creep condition[J]. Izv Akad Nauk USSR Otd Tekhn Nauk, 1958, 8; 26-31.

[78] Rabotnov Y N. On the equations of state for creep[C]. In: Progress in Applied Mechanics. 1963, 307-315.

[79] Lemaitre Jean.Local approach of fracture[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1986, 25(5-6): 523-537.

[80] Lemaitre Jean, Chaboche Je1an Louis, Mechanics of soild materials[M]. Cambridge University Press, 1999.

[81] Chaboche Jean Louis. Continous damage mechanics-a tool to describe phenomena be fore crack initiation[J]. Nuclear Engineering and Design, 1981, 64(2): 233-247.

[82] 王利. 岩石弹塑性损伤模型及其应用研究[D]. 北京科技大学, 2006.

[83] 陈慧娥, 王清. 有机质对水泥加固软土效果的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2005(S2): 5816-5821.

[84] 夏旺民, 郭新明, 郭增玉, 等. 黄土弹塑性损伤本构模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(S1): 3239-3243.

[85] Lemaitre J. How to use damage mechanics[J]. Nuclear Engineering and Design, 1984, 80(2): 233-245.

[86] 张全胜, 杨更社, 任建喜. 岩石损伤变量及本构方程的新探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(1): 30-34.

中图分类号:

 TU444    

开放日期:

 2023-06-12    

无标题文档

   建议浏览器: 谷歌 火狐 360请用极速模式,双核浏览器请用极速模式