冻融环境下黄土微结构损伤识别与宏观力学响应规律研究

冻融环境下黄土物理力学性质劣化是寒区工程建设必须要考虑的问题之一,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率、冻融循环次数为变量,借助扫描电子显微镜、Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分型理论定量评价冻融环境下黄土微观结构损伤状态;通过GDS探究不同初始含水率、不同冻融循环次数对试样强度指标的影响,并用显著性理论进行评价。结果表明：随着冻融次数的增加试样内部裂隙不断发育演化,土体内部的大颗粒不断分解为若干小颗粒,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;随着冻融循环次数的增加试样的黏聚力不断减小,内摩擦角不断增大,冻融10次后强度指标趋于稳定,试验结果与图像探伤结论相一致;对试样黏聚力、内摩擦角进行显著性分析可知冻融循环次数、初始含水率及其交互作用（耦合作用）对试样强度指标有特别显著的影响。     

冻融和干湿循环对原状黄土渗透系数的影响

为了反映冻融循环、干湿交替及其耦合作用对原状黄土纵横向渗透系数的影响,以延安Q_3黄土为研究对象,对比不同条件下黄土试样的表观结构特征,通过三轴渗透试验得到了渗透系数随循环次数、初始含水率、围压变化的规律,分析了各因素在耦合作用中的影响权重。结果表明:冻融引起的土体骨架结构破坏,与干湿造成的试样表面张拉裂隙均会对黄土体造成不可逆的损伤,冻融、干湿单一条件下土体典型的破坏形式均在耦合条件下有所体现。耦合作用下黄土纵横向渗透系数随循环次数及围压的变化规律与干湿条件下的最为相似,其数值远小于冻融条件下黄土的渗透系数,且只在冻融条件下考虑初始含水率对土体渗透性质的影响。试验规律与回归分析结果均表明,耦合作用中干湿交替起主导作用,冻融循环起促进作用。研究结果以期为黄土地区地质灾害防治与构(建)筑物设计提供参考。     

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北大核心CSCD

冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。     

改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制

为了研究冻融循环对改良粉土强度的影响规律及其作用机制,开展了不同初始压实度和初始含水率试样的冻融循环试验。对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,探讨了冻融循环作用对改良粉土的长期强度的影响规律。试验结果表明,随着冻融循环次数增加,改良粉土的抗压强度下降,最终在6次冻融循环后趋于稳定;相同的冻融循环次数条件下,初始含水率越大,改良粉土的抗压强度衰减幅度越大。为了寻找冻融循环作用对改良粉土孔隙结构的影响规律,进而揭示冻融循环对试样结构损伤的机制,开展了改良粉土的细观孔隙结构试验。试验结果表明,不同的冻融循环次数和初始含水率对小孔径孔隙（ 10 nm）之间的结构影响不大;冻融循环作用主要损伤了大孔径孔隙（0.01～100 μm）之间的结构,从而降低了改良粉土的强度。     

基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究

为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律, 以重塑黄土为研究对象, 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征, 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布, 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加, 特别是经历6次冻融作用后, 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续, 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时, 黄土孔隙呈现显著的分形特性, 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形, 在不同的尺度范围内, 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。     

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

为明确不同含水率古土壤在冻融循环作用下其微观结构特性及古土壤损伤机制,采用核磁共振扫描仪对不同含水率冻融循环后的古土壤试样进行测试,研究冻融循环和含水率共同作用对古土壤微观结构的影响及土体内部损伤变化。结果表明:冻融循环下不同含水率使土体内部产生不同程度的损伤,损伤程度为含水率大的土体大于含水率小的土体。随着冻融循环次数增加,T₂谱曲线信号幅度增加,孔隙结构改变,大孔隙、最大孔隙含量增加,中孔隙含量减小; 同时含水率较大的土体孔隙体积增大幅度大于含水率较小的土体,说明在季节冻土区建设工程中含水率越大土体越易发生破坏,因此在工程中应注意防排水问题。依据损伤力学原理,得出土体颗粒连续性与孔隙率关系,进而得出有效应力与孔隙率关系; 根据核磁扫描结果,建立孔隙率与冻融循环次数关系,最终推导出古土壤有效应力与冻融循环次数关系表达式。研究成果为季节冻土区古土壤地层建设工程提供理论指导。     

冻融红砂岩损伤演化多尺度分析

以红砂岩为研究对象,进行冻融循环、CT扫描及力学特性试验,采用图像处理技术结合遗传算法寻优模型实现了0、5、10、20、40 次冻融循环后 CT 扫描图像的去噪、增强、分割及三维重构处理,通过对同一对象跨尺度的损伤识别与对比研究,建立了基于细观损伤的弹性模量劣化预测公式,并从材料细观结构的物理本质诠释了冻融红砂岩宏观力学行为。结果表明：基于图像最大熵值的遗传算法能够快速精确地选取阈值进行图像分割,实现对岩石细观结构中基质和缺陷的识别;随着冻融次数增加,岩石孔隙率上升、孔隙分维下降,细观尺度上呈现出孔隙扩展、数量增多,但结构复杂程度下降的演化行为;传统方法以有效承载面积、弹性模量为度量基准定义的宏、细观损伤变量未能全面考虑损伤物理机制和材料内部结构信息,宏细观损伤演化曲线差异较大;基于2种物理机制定义细观损伤变量和考虑岩石天然损伤定义宏观损伤变量,实现了损伤的宏-细观结合。最后通过冻融循环过程中细观结构演化与宏观力学响应之间的关系,提出了弹性模量劣化预测公式,并分析冻融砂岩孔隙大小及孔隙结构形态变化在损伤过程中占据的不同主导作用,根据细观结构的物理机制解释宏观砂岩冻融破坏的力学机制。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

在季节性冻土区,冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化,探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的。以山西省柳林县某黄土边坡为例,采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环,研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对土体黏聚力、内摩擦角和微观结构的影响。结果表明:在一轮冻融循环过程中,土体强度与温度呈负相关关系,低温对土体强度影响较大。随着冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数函数下降,内摩擦角几乎没有明显变化。微观试验表明,随着冻融次数的增加,土体内大颗粒破碎化,孔隙增多,表现为颗粒趋于均一化,中等大小(5~10 μm)孔隙占比最大。本次研究模拟了土体经历的温度变化过程,为该地区季节性冻融型黄土滑坡防治提供了借鉴作用。      

冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究

冻融循环作用可通过影响寒区土体结构致使基础设施发生破坏,而导致工程失稳宏观现象的根源来自于冻融作用改变了土体的微观结构。为探索冻融作用下土体微观结构变化规律,将富平黄土作为研究对象,分别对其进行0、4、6、8、10、50、100次冻融循环下的电镜扫描观测试验,得到对应次数下的微观照片,对其从颗粒形态、连结方式、排列形式对孔隙的影响三方面进行分析,并且将微观照片中出现的颗粒接触方式以几何模型的方式进行归类,研究几何模型随冻融循环次数增加后的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土颗粒大小朝着均一性的方向发展,平均粒径呈先减小后增大趋势;颗粒的连结形式从面胶结为主逐渐演变为点接触为主最终再回归为面胶结为主;土体在0~6次冻融循环时孔隙率呈下降趋势,6~8次冻融循环时孔隙率快速上升,之后随着冻融循环次数的增加孔隙率逐渐减小;粒状粒子几何模型变化规律从棱边接触逐渐过渡为粒面接触,扁平状粒子几何模型变化规律从初始粒面接触为主逐渐演变为棱边接触为主,最终再演变为粒面接触。     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。     

冻融循环作用对黄土压缩性的影响

黄土不同循环次数冻融试验研究表明,冻融循环作用改变了土的粒径分布,随着冻融循环次数的增加,土体中细颗粒不断增加,土体孔隙比变大,从而使得土体密度变小,但减少的量很小;冻融循环作用使土的压缩系数增大,压缩模量减小.     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响。利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征。结果表明：1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小;2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小。湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程。     

干旱区土建筑遗址冻融耐久性研究

在我国的西北地区,强烈冻融、风蚀等对性质脆弱的土建筑遗址安全构成极大威胁。研究了冻融循环对土遗址耐久性的影响。选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了冻融循环试验,监测冻融过程中的质量变化,并在冻融循环结束后进行了风洞试验和强度试验。冻融试验结果表明,在试样初始含水率较低的情况下,前5个冻融循环,试样经历了一个质量增大的过程;在随后的冻融过程中伴随着冻干和吸湿,原状试样质量的整体趋势是减小的,重塑样质量的变化趋势维持水平。随冻融循环次数增大,原状试样的微结构出现损伤,强度减小,风蚀量增大,即耐久性持续变差。相反,冻融循环初期,重塑样的强度有所增大,风蚀量减小,耐久性得到了提高;随着冻融循环的增加,重塑样的强度开始下降。重塑试样由于重塑过程中其结构受到破坏,强度弱化,冻融循环引起重塑土的“陈化”,愈合了土体的结构,但随着冻融进行,矿物颗粒的微结构损伤不断增大,试样的耐久性降低     

干湿循环作用下原状黄土力学性质及细观损伤研究

增湿-减湿循环作用是黄土地区工程发生病害的主要原因之一,探究增湿-减湿循环对黄土体结构损伤机理有重要的理论和工程意义。本文以延安地区的黄土为研究对象,开展不同含水率、不同次数的原状黄土增湿-减湿循环试验,分析干湿循环诱发黄土孔隙率、抗剪强度及其参数的变化规律,同时使用核磁共振技术获取黄土内部裂隙发展的损伤演化。结果表明:随着干湿循环次数的增多,土体呈现出孔隙率逐渐增大、液限和塑性指数相继减小、塑限基本不变的规律,究其原因是内部颗粒的集、散动态变化引发了黄土损伤;干湿循环次数和含水率的增加弱化了土体颗粒的胶结作用,使得抗剪强度、黏聚力和内摩擦角降低,当试样含水率超过塑限后下降趋势更加明显;黄土历经核磁共振表明,试样内部小于0.025 μm的微孔隙随着干湿循环次数的增加逐渐向0.025~0.63 μm的小孔隙组过渡,同时新生孔隙开始产生。     

不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究

青海季节性冻土地区工程建设受冻融循环作用和黄土湿陷性的双重影响,工程上常采用石灰与黄土拌和作为垫层材料以满足工程要求,但冻融循环作用依旧对地基土体的性能有所影响。为探究青海季节性地区气候变化对地基土所带来的不利影响,采用3种温控曲线（1#、2#和3#温控曲线）模拟了青海季节性冻土地区气候变化规律,通过无侧限抗压强度试验和SEM等微观试验,分析不同温控曲线对2∶8、3∶7灰土强度和微观结构的变化规律。结果表明3∶7和2∶8灰土的应力-应变关系均呈现应变软化型,0~6次冻融过程中试样的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低,继续增加冻融循环次数后其强度有所上升;冻融循环6次时灰土内部孔隙分布相较于冻融20次时多,且随着冻融循环次数的增加颗粒间接触方式由点-点、点-面接触向面-面接触转变;1#温控曲线的微观定量参数较2#、3#温控曲线变化明显,经历1#曲线时试样内部孔隙更为圆滑,结构排列疏松,1#温控曲线对试样结构和强度的影响程度相对较弱。     

冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响

通过对洛川黄土在反复冻融作用下的电镜扫描观测、单轴压缩试验和三轴剪切试验,研究了冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响. 结果表明：随着冻融循环次数的增加,黄土的原始胶结结构逐渐被破坏,颗粒重新排列,土的结构越来越疏松,同级压力下土体的孔隙比不断增大;冻融循环50次后土样的原始胶结已完全破坏,当压力超过自重应力时会产生很大的附加变形. 反复冻融作用使黄土颗粒之间原始固有胶结逐渐减弱,造成黏聚力不断降低. 同时,较大的团粒破碎,颗粒均一化,颗粒与颗粒之间的接触点增多,表现为内摩擦角不断增大. 多次冻融循环后,原状黄土的抗剪强度与重塑黄土的强度接近.     

季节性冻融作用及其对斜坡土体强度的影响——以甘肃黑方台地区为例

季节性冻土地区黄土斜坡冬春交际常发生崩塌、滑坡等地质灾害,造成了严重的生命财产损失.位于甘肃省永靖县的黄土台塬——黑方台为典型的季节性冻土地区,其3月份黄土滑坡灾害高发.通过对滑坡体的野外调查、原位监测,分析了该地区的冻融作用特征及其对斜坡土体强度的影响,证实了该地区表层土体存在显著的冻融循环作用,总结了斜坡体受冻融作用影响的宏观表现和受气温影响的斜坡表层黄土地温变化过程.在此基础上设计开展了黄土室内力学性质试验,分析了不同初始含水率对冻结黄土三轴抗剪强度参数的影响,对比分析了黄土与冻结黄土的三轴抗剪强度参数变化.由天然和饱和2种状态下的黄土经历15次冻融循环后的直剪实验得出冻融循环作用对黄土强度影响较大的结论.该结果可为冻融期黄土斜坡稳定性分析提供参考.     

反复冻融下黄土抗剪强度劣化的试验研究

以陕西杨凌黄土为研究对象,对不同初始含水率的重塑黄土进行了长期反复冻融循环,对经历不同冻融次数的试样进行了系列直剪试验.结果表明:在控制含水率不变的情况下,黄土的黏聚力和抗剪强度一般在3～5次冻融循环之后降到最低值,并趋于稳定;内摩擦角基本不变.探讨了长期冻融循环下黄土的强度劣化特性,采用插值法修正了含水率下降对强度的影响.由试验数据拟合出黄土抗剪强度和冻融循环次数之间的经验关系,推导出一种考虑冻融循环作用的黄土强度劣化模型.经试验验证,该模型可以较好描述黄土强度的劣化特性,为黄土工程力学性质的劣化研究提供了一种新的有效途径.