浅谈中国湿陷性黄土的结构性研究

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1、太原理工大学博士学位论文中国湿陷性黄土的结构性研究姓名：王梅申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：白晓红20100301太原理工大学博士研究生学位论文中国湿陷性黄土的结构性研究摘要从土的结构性出发进行土的工程性质的研究已成为土力学发展的新方向，而黄土由于其特殊的结构所具有的湿陷性为黄土地区的建设安全带来了巨大的隐患。湿陷性黄土在天然状态下可以保持较高的强度和较低的压缩性，但遇水浸湿后，结构迅速破坏，发生突然的下沉变形，强度也随之大幅下降，具有极大的危害性。本文依托国家自然科学基金项目“中国黄土的微观结构与湿陷性”（项目编号：50478096），通过选取我国不同黄土地区的典型湿陷性黄土土样

2、，结合大量的室内土工试验，并借助扫描电子显微镜测试技术，对黄土的微结构图像进行了细致的定性分析以及定量评价，从黄土的结构特性出发，对黄土的湿陷机理及湿陷变形规律进行综合研究，提出了造成黄土湿陷的主要结构因素，总结了微结构特征与湿陷性之间的统计关系，为正确评价黄土的湿陷性并有效控制黄土的湿陷变形提供了理论依据，对我国黄土地区的工程建设事业的发展具有积极的意义。主要研究成果归纳如下：1）通过黄土的颗粒分析试验得出，黄土的颗粒组成以粗粉粒为主，也含有较多的黏粒。土体中黏粒含量的增多在一定程度上会降低黄土的湿陷性，但不能仅根据黏粒的含量来判断黄土的湿陷性。一些地区的土样黏粒含量在30%以上，仍具有较

3、强烈的湿陷性。利用扫描电镜对该土体结构进行观察，发现其原因为黏粒只是存在于团粒的内部，而团粒表面起骨架胶结作用的黏粒很少，团粒之间呈松散排列，土体存在较大的湿陷性，黏粒的高含量对于黄土的湿陷性没有影响。所以考虑黏粒对黄土湿陷性的影响，I太原理工大学博士研究生学位论文除考虑其含量外，还要重点确定其在土体中的赋存状态。2）通过反复试验，成功研制出一套适合于湿陷性黄土微观结构分析的制样方法，并确定了适用于黄土浸泡的液体材料及配比，在不扰动土体结构的前提下，获得清晰的微观图像，为今后湿陷性黄土的结构研究奠定了基础。3）在前人对黄土结构总结的基础上，对黄土的结构进行了更合理的分类。将黄土的基本单元体形

4、式归纳为颗粒状单元体、团粒状单元体；单元体间的连结方式划分为接触连结和胶结连结；根据单元体不同的排列方式而形成的孔隙分为单元体内孔隙、镶嵌孔隙、架空孔隙、大孔隙。4）根据孔径的大小将孔隙划分为大孔隙（>500µm）、中孔隙（500-50µm）、小孔隙（50-5µm）和微孔隙（<5µm），并将其与根据单元体的排列形式划分的孔隙类型相对应。单元体内孔隙基本属于微孔隙，镶嵌孔隙与小孔隙相对应，架空孔隙包括中孔隙和孔壁未加固的大孔隙。将各种结构的孔隙形式具体量化，便于今后对孔隙结构进行定量分析。5）通过对不同地区黄土微结构的分析总结，并与其湿陷性相对比，得出在黄土结构特征的三个基本要素中，以单元体间

5、的排列方式最为重要。骨架单元体之间松散排列形成的架空孔隙是黄土产生湿陷的根本原因。6）根据土样的扫描电镜微观图像为二维图像的特点，确定将孔隙面积比作为微结构定量分析的主要测量参数。对于IPP图像处理软件得出的数据进行了全面的分析和研究，最终确定以放大倍数1000倍，以灰度分布曲线上后方峰值的左侧坡脚（峰值左侧）所对应的阈值，来统计土样的孔隙面积比。7）按照确定的放大倍数和阈值取值方法统计出各地土样的孔隙面积比，并与室内土工试验得出的孔隙率相对比进行验证，得出所确定的微结构分析方法合理，统计数据对于土体的微结构特征具有一定的代表性。8）根据土样的微结构图像定量分析结果，土样垂直面的结构规律性要

6、II太原理工大学博士研究生学位论文好于水平面，垂直面的孔隙面积比随埋深的增加而减小，其变化呈线性关系；湿陷系数随孔隙面积比的增加而增大，孔隙面积比与湿陷系数之间呈对数曲线关系。总结得出了黄土孔隙面积比与埋深之间的线性回归方程式，以及孔隙面积比与湿陷系数间的对数回归方程式。9）通过黄土的各项物理性质与湿陷性的关系研究得出，随着含水量、重度、干重度、饱和度的增加，黄土的湿陷系数降低，湿陷性减弱；随着孔隙比、孔隙率的增加，黄土的湿陷系数提高，湿陷性增强。并分析总结了非湿陷性黄土和强湿陷性黄土所对应的各项物理性质指标，对工程实践中正确评价黄土湿陷性具有一定的指导意义。10）通过黄土的不同初始含水量固

7、结试验得出，随着初始含水量以及初始饱和度的增加，土样的压缩变形增大，湿陷系数减小，黄土的湿陷性降低。关键词：黄土，湿陷性，微观结构，定量分析，孔隙面积比，架空孔隙III太原理工大学博士研究生学位论文STUDYONSTRUCTUREOFCOLLAPSIBLELOESSINCHINAABSTRACTThestudyonengineeringpropertiesofsoilbasedonitsstructureha