基于三维微结构动态演化的黄土湿陷机理试验研究

Most micro-scale investigations upon loess collapsibility paid little attention on the dynamic characteristics of the collapsing process. In this project, three-dimensional dynamic evolution of loess microstructure during collapse will be captured via advanced imaging and analysis techniques. Novel experimental system is designed and employed to conduct loading and wetting tests on small specimens having size of only several millimeters. This allows real-time observation of the grain-scale microstructure based on μ-CT technique while the specimen is undergoing loading and wetting. Through image reconstruction and particle tracking techniques, the 3D evolution of microstructural features including grain kinematics and pore morphology will be characterized and quantified. Using modified oedometer apparatus and SEM, Collapse Deformation-Controlled Tests and Wetting Rate-Controlled Tests will be carried out to analyze the sequential changes of loess microstructure during various collapsing timesteps and wetting stages respectively. Results based on different approaches and techniques will be systematically and critically compared. The underlying collapse mechanisms will be thoroughly investigated and revealed from a dynamic and multi-scale point of view.

黄土湿陷的过程本质上是动态的，研究黄土湿陷机理应充分重视湿陷过程的这一动态属性。项目拟聚焦黄土湿陷过程的动态属性，采用自主研发的水-力加载系统对毫米级黄土试样开展湿陷试验，采用高精度μ-CT技术对黄土湿陷变形全过程中所有骨架颗粒的位态和孔隙形貌及其动态变化进行三维无损动态追踪，全面获取湿陷动态全过程中三维微结构的定量表征参数。通过改进的湿陷固结仪开展基于变形控制的饱和湿陷微观动态过程研究，揭示不同湿陷变形阶段黄土三维微结构特征及其变化规律；开展基于含水率控制的非饱和湿陷微观动态过程研究，揭示非饱和湿陷过程中增湿至不同含水率水平时的黄土三维微结构特征及其变化规律。以多尺度试验系统所获取的微观结构作为纽带，将试验结果相互对比和验证，联合揭示黄土湿陷过程中微结构的连续动态变化规律。通过项目研究，从力求捕捉黄土湿陷动态过程这一崭新的角度深刻揭示其湿陷机理，对黄土湿陷性研究具有重要的理论与实际意义。

湿陷性黄土在水、力共同作用下会产生快速、显著的湿陷变形，往往造成严重后果，其机理至今尚未明确，具有重要的科学研究和工程价值。项目紧扣黄土湿陷的动态属性，针对黄土湿陷过程中的微结构演化和微观机理开展攻关研究，在试验技术、观测方法、图像处理、机理分析等方面取得了一系列创新性成果：1）自主研制了微型土样水力加载系统，为黄土微结构演化的动态观测提供必要试验装置；2）改进了颗粒图像的分割方法，为颗粒的准确定量表征和追踪提供方法基础；3）首次捕捉到黄土湿陷过程中的颗粒的运动特征；4）查明黄土湿陷过程中不同孔隙的演化规律；5）阐明了不同湿陷压力下黄土微结构的演化规律，系统比较了不同孔隙尺寸表征指标对结果的影响。项目取得的成果为湿陷过程中黄土三维微结构动态演化过程的观测提供了全新的思路和方法，使我们对黄土湿陷性及其内在机理有了前所未有的崭新认识，为进一步的相关理论和数值研究提供了重要试验数据和参考依据。