人工制备湿陷性黄土微观结构的三维随机模拟与试验研究

Loess is a typical kind of aeolian deposits in arid and semi-arid area with loose metastable structure, its obvious overhead void structure and porous structure are the main reasons of the brittle failure and collapsibility of loess. The microstructural behavior of loess is like the foundation of soil structure, which has an important influence on the mechanical properties of loess. Analyzing the engineering properties of soil by combining its microstructure, structural property and mechanical properties has become an important direction in the researching field of soil structure. Based on Monte Carlo method, an air fall random geometric model of collapsible loess is established in this project, the rationality of simulating the initial microstructure of collapsible loess by the method of air fall is going to be proved from the geometric and mathematical angle. Through a series of proportioning tests, artificial collapsible loess of different collapsible grade will be developed based on Monte Carlo method. Scanning electron microscope test and mercury penetration experiment will be done for artificially-prepared collapsible loess, undisturbed loess and remolded loess, microstructural parameters will be acquired by processing SEM photos, microstructure fractal geometry theory will be used to quantify the structural parameters and to establish the relation between the microstructure parameters and the corresponding macromechanical parameters, as to deeply discuss the mechanical mechanism of loess.

黄土是干旱与半干旱地区一种典型的风成堆积物，具有疏松的亚稳定结构，其显著的架空孔隙结构和多孔隙结构是发生脆性破坏、湿陷的主要原因。而黄土的微观结构性态犹如土体构造的基石，对黄土的力学性质有重要影响，将土的微观结构、土的结构性及土的力学性质联系起来分析研究土的工程性质，已成为土结构性研究的重要方向。本项目拟基于Monte Carlo法，建立湿陷性黄土空中自由下落随机几何模型，从几何和数学角度证明空中自由下落法模拟湿陷性黄土初始微观结构的合理性。并基于Monte Carlo原理，采用试验空中自由下落法，通过大量配比试验，制备出不同湿陷等级的人工湿陷性黄土。对人工制备湿陷性黄土、原状黄土和重塑黄土进行扫描电子显微镜试验和压汞试验，对SEM照片进行图像处理，获取微观结构参数，引用微观结构分形几何学理论对结构参数进行量化，建立微观结构状态参数与其对应的宏观力学参量之间的联系，深入探讨黄土的力学机制。

天然黄土由于具有较强的结构性，在取样过程中不可避免的应力释放和扰动，黄土已非“原状”。同时，天然黄土在其湿陷性、干密度、含水量、抗剪强度等方面由于地理和空间位置的不同，试验结果离散性较大，很难直接进行对比分析。选取砂、石英粉、膨润土、石膏、工业盐作为基本材料，采用空中自由下落法，进行人工湿陷性黄土制备，将人工制备湿陷性黄土的物理力学性质指标及微观结构与天然黄土进行对比分析，提出一套人工湿陷性黄土制备技术与方法。并选取黏土矿物含量、压实度、初始含水率和浸水压力等湿陷影响因素，进行正交试验和单因素分析试验，探讨各因素对湿陷性的影响程度与规律。研究表明，空中自由下落方法应用于人工湿陷性黄土的制备，能够模拟风成黄土的沉积过程和形成条件，所制备的试样具有与天然湿陷性黄土类似的大孔隙性和多孔性，其物理力学性质指标与天然黄土基本一致，浸水后产生较大的湿陷变形，可用于湿陷性黄土与构筑物相互作用模型试验相似材料。对人工制备湿陷性黄土进行扫描电子显微镜测试，定性分析初始含水率、压实度和固结压力对土体微观结构的影响。通过提取各向异性、等效直径、扁圆度、充填比和面积比等微观结构参数，建立微观结构参数与宏观力学参数黏聚力、内摩擦角和湿陷系数之间的相关关系，从微观结构角度，探讨黄土湿陷的影响因素与机理。研究表明，面积比、各向异性与抗剪强度指标相关性最显著；面积比、等效直径和各向异性与黏聚力、内摩擦角呈正相关，扁圆度和充填比与黏聚力、内摩擦角呈负相关。湿陷系数与微观结构参数的关系与抗剪强度相反，等效直径和充填比对湿陷系数影响较为显著。针对湿陷性黄土地区常采用的桩基础和具有广阔应用前景的地下连续墙基础，采用人工制备湿陷性黄土作为地基土填筑材料，进行地下连续墙和桩基室内浸水模型试验研究，分析湿陷性黄土地基中深基础的荷载传递机理与负摩阻力分布特征，验证了人工湿陷性黄土制备技术与方法的合理性和可推广性。