黄土蠕变特性及微结构演变规律研究

作     者：陈立杰 

作者单位：长安大学 

学位级别：博士

导师姓名：彭建兵;黄强兵

授予年度：2023年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：原状黄土 蠕变特性 微结构演变 孔隙特征 蠕变微观机理 

摘      要：黄土高原是中国黄土的主要分布区,也是地球上分布最集中且连续分布面积最大的黄土区,该区域生态地质环境脆弱。随着国家“西部大开发战略的深入、“一带一路倡议的推进及“黄河流域生态保护和高质量发展战略的实施,人类工程活动规模空前,致使黄土高原地区地质灾害频发,给人民的生命安全和城镇化建设带来了巨大威胁。黄土特殊的工程性质尤其是蠕变特性是诱发黄土地质灾害的重要因素之一,而其微观结构随时间的变化是导致黄土蠕变变形产生和发展的根本原因。因此,探究微结构对黄土蠕变变形控制机理是研究工程性滑坡响应机理和灾害预警的基础与前提。本文选题依托国家自然科学基金重大项目“黄土高原重大工程灾变机理与防控（41790440）的子课题“黄土地质结构与水循环模式及介质灾变力学行为和陕西省创新能力支撑计划项目“海外岩土工程创新团队（2023-CX-TD-34）,以延安南沟Q3黄土为研究对象,借助室内物理力学试验、微结构测试及数据图像处理等手段,研究不同因素下原状黄土蠕变变形特性及其微结构形貌与孔隙特征的演变规律,分析微结构参数对黄土蠕变变形的响应程度,建立黄土蠕变变形与微结构参数之间的内在联系,揭示黄土蠕变变形破坏的微观机理。主要研究成果如下:（1）基于三轴蠕变试验结果,发现原状黄土蠕变变形受静荷载、加载时间、含水率及围压等因素的影响显著。静荷载长期作用下黄土蠕变变形分为衰减变形和非衰减变形两个阶段,每个阶段持续的时间与土体类型和静荷载有关。在低含水率、低荷载和高围压的条件下,土体应变速率峰值最低,应变速率-时间曲线衰减速率最快,土体蠕变变形进入稳定阶段所需的时间最短。原状黄土的应变速率峰值并不总是随静荷载增大而增大,应变速率峰值-静荷载曲线可能存在3个拐点,可将其视为土体变形状态的转折点。（2）基于三轴剪切试验和三轴蠕变试验,发现:相同条件下,土体的长期粘聚力和内摩擦角均小于常规抗剪强度指标,致使原状黄土的长期强度小于抗剪强度。随着含水率的增加、围压的减小,土体的抗剪强度和长期强度均降低,且长期强度降低的幅度小于抗剪强度。两者粘聚力均随含水率的增加呈指数下降,而内摩擦角几乎保持不变。（3）根据对蠕变变形前后原状黄土颗粒和孔隙的形态、大小及排列方式的分析,发现:天然原状黄土的骨架颗粒和孔隙边界清晰可见,以棱角状颗粒、半棱角状颗粒、半圆状颗粒及磨圆状颗粒为主,含有少量的外包粘土颗粒和集粒,土体孔隙以支架孔隙为主。蠕变变形后土体颗粒孔隙依然清晰可见,土体颗粒棱角发生崩解或剥落,在挤压和碰撞过程中被磨圆土体内碎屑物质和黏粒增多,土体颗粒间接触以间接接触为主;土体孔隙从以支架为主转化为以支架、镶嵌为主,大孔隙含量减少,小孔隙含量增加,总孔隙含量减少,土体内细长孔隙减少,圆滑孔隙增多;蠕变变形后颗粒和孔隙均具有明显的定向排列特征,其优势方向角与裂隙方向大致相同。静荷载、加载时间、围压及含水率等因素的变化使得土体颗粒和孔隙的形态、大小产生不同程度的变化,其中含水率的影响最为显著,其次为静荷载和围压,加载时间的影响最小。（4）根据对蠕变变形前后原状黄土孔隙特征的分析,发现:天然原状黄土孔隙具有明显的双峰分布特征,且双峰特征并未随蠕变作用而消失,其中小孔径峰值基本不变,大孔径峰值明显向小孔径方向移动。蠕变变形后土体孔隙的累计孔隙体积含量降低,其中中孔隙含量大幅度减少,小孔隙含量增加,大、微孔隙含量分别略减和略增。此外,蠕变变形后土体孔隙的特征孔径减小,分形维数和管形孔体积增大。静荷载、加载时间、围压及含水率等因素的变化使得土体孔隙特征产生不同程度的变化,其中含水率的影响最为显著。（5）基于灰色关联法分析微结构参数对黄土蠕变变形的响应程度,发现:孔隙对外部环境的响应程度大于颗粒。对于土体颗粒而言,颗粒形态对外界环境的响应程度最大,其次为特征粒径,颗粒尺寸影响小;对于孔隙而言,孔隙形态和分形维数对外界环境响应最明显,其次为孔隙体积、孔隙尺寸及特征孔隙。（6）黄土蠕变过程就是微结构随时间不断调整以适应外应力作用的过程。黄土蠕变变形的产生与发展是土体颗粒连结损伤（颗粒滑移、结构坍塌、颗粒损伤）和颗粒复合（压缩、挤压、重新排列）随时间交替出现的宏观表现。外部环境的变化是影响黄土蠕变变形和破坏的重要因素。