冻土受力作用下细微观结构变化研究

基本信息
批准号:41001041
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:22.00
负责人:郑剑锋
学科分类:
依托单位:中国科学院西北生态环境资源研究院
批准年份:2010
结题年份:2013
起止时间:2011-01-01 - 2013-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:蒲毅彬,武俊杰,刑莉莉,穆彦虎,张坤
关键词:
细微观结构冻土无损CT监测耦合机理
结项摘要

冻土是一种由土颗粒、未冻水,冰和气体组成的具有复杂结构的特殊性土,冻土受力作用下,其内部结构变化也是一个极其复杂的过程,受到应力、温度、水分以及其自身土性的影响。但是由于技术测试手段的限制以及模型建立的合理性问题,使得冻土应力场与温度、水分场之间的耦合问题没有很好解决。本项目拟以冻土力学、损伤力学、冻土流变学等理论为指导,基于多能量CT机,实现对冻土(包括正冻土、已冻土和正融土)受力作用下内部细微观结构参数的变化进行全程无损CT监测,充分利用CT数据及图像,结合多种先进试验设备测试结果,进行冻土宏、细、微观对比研究,建立土体内部干密度、孔隙度、未冻水含量等结构参数与温度、压力等外在因素之间的关系,构建水-热-力耦合作用的内变量演化方程,为研究冻土真正的水-热-力耦合机理提供有力的支持,使得冻土力学的研究进入一个新的阶段。

项目摘要

冻土是一种由土颗粒、未冻水,冰和气体组成的复杂的特殊土,冻土受力作用下其内部结构变化是一个极其复杂的过程,由于实验手段和技术的限制,仍有许多问题没有得到很好的解决。本项目从最基本的试样制备出发,通过大量实验,对比了多种制样方式和冻结方式对冻土试样内部初始结构的影响,进行了冻土受力作用下的单轴与三轴剪切实验,并对试验的全过程进行了无损CT实时监测,获得了各个阶段试样不同部位的CT图像,然后应用图像数字化技术,实施了对CT图像的初步处理。对两头压实法制得的试样进行CT扫描,试样的CT数方差不大,密度分布比较均匀,满足我们对试样均匀性的要求;从冻结前后试样内部含水量差看,单向冻结对于含水量分布的影响要较径向冻结方式造成的影响为小,并且在不饱和土样中两者相差更大;冻结兰州黄土的应力~应变曲线具有相似的规律,土体的弹性模量相差很大,温度越低,弹性模量越大;高温冻土对于温度变化非常敏感,其力学响应也更依赖于温度和含冰量。冻结温度对冻土强度有决定性的作用,本次试验中,高、低温冻土试样强度相差6倍以上。单轴受力状态下CT实时监测表明,试样在加载初期体积收缩,但随着荷载的进一步增大转为膨胀,直至试样破坏,样品内部的压密和膨胀一直都在进行。CT数变化与冻结温度息息相关,在0~-2℃范围的剧烈相变区,CT数变化幅值较大;通过CT值计算试样干密度和体积含水量的分布,中心区域密度最大,而外围区域密度最小,而体积含水量的分布规律与之相反;冻结兰州黄土在三轴受力状态下其偏应力~应变曲线具有相似的规律,一开始在围压作用下,试样沿径向方向被压缩,导致试样单向伸长;低温冻结试样的弹性变形持续时间长于高温试样, 1MPa围压下的三轴力学试验中,温度越低,土体的弹性变形模量反而越小。围压的存在,使得冻土试样在不断受力过程中内部结构有了更大的调整空间,进一步强化了冻土体的塑性特征。在同一围压下,随负温的增大,相同条件下冻结兰州黄土的轴向变形减小,体缩量增大,膨胀量减小;三轴受力状态下,各试样整体损伤量基本都在0.1以下,相对于单轴受力状态下试样的损伤度要小得多,故围压对于冻土试样有“抗损伤”的功效;对CT图像的数字化处理可以使得CT图像更加清晰直观,根据CT图像的数字化处理图可以动态、定量地分析冻土受力作用下的内部细观结构的变化过程。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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