鄂尔多斯丘陵区砒砂岩风—冻融复合侵蚀力学机理研究

In the Ordos plateau region,terrain is broken and vegetation is scarce.Surface is mostly soft rock-chestnut soil.The chestnut soil is poor structure,low stability,weak corrosion resistance,serious soil and water loss.According to special physical and chemical property of the soft rock and climatic characteristics of the sharp temperature differences between day and night in winter and spring,the research project finds its relationship with frozen and melt temperature,cycle times,the local index,cementation strength,shear strength,establishs its relationship with variation of stress state and temperature on the longitudinal profile and cross section of marginal soft rock soil,and researchs freeze-thaw main mechanism by field test and indoor soil freeze-thaw test; By wind tunnel test the project researchs the effect of velocity changes on erosion thickness of soil and erosion rate, establishs the semi-experience model of different underlying surface soil force causined by velocity changes.At last the project researchs soil displacement caused by the action of internal stress,wind and gravity for variation of soil based on its relationship with Variation of stress state and temperature after repeated freeze-thaw with the fundamental theory of aerodynamics and viscoelasticity hydrodynamics,establishs the mechanics equation of soil critical failure by erosion of freeze-thaw and wind,and analyzes the erosion process of shear zone from microcosmic level.

鄂尔多斯高原地形破碎，植被稀少。地表多为砒砂岩土壤-栗钙土，这种土壤结构差，稳定性较低，抗蚀性弱，水土流失严重。本项目针对该地区砒砂岩特殊的理化性质及冬春季昼夜温差悬殊的气候特点，通过野外试验及室内冻融试验，寻找冻、融温度、循环次数与土性指标、胶结强度、抗剪强度的关系，建立边缘砒砂岩土体在纵剖面及横剖面上应力状态改变与温度变化的关系，研究砒砂岩土体冻融主要机制；通过风洞试验，研究风速变化对土体剥蚀厚度、剥蚀速率的影响，建立风速变化引起不同下垫面土体受力的半经验关系模型。以得到的应力状态改变与温度变化的关系为基础，应用空气动力学、粘弹性流体力学等基础理论，研究反复冻融后，土体在变化的内应力、风力、重力共同作用下，引起的土体位移及平衡破坏机理，建立风-冻融复合侵蚀下，土体临界平衡破坏的力学方程，从微观层次上分析砒砂岩土体剪切带发生剥蚀过程。

针对内蒙古准格尔旗砒砂岩的特性，运用试验、理论相结合的方法，以砒砂岩土体为研究对象，针对不同频率、不同冻融次数、不同极端温度下的冻融循环作用，试验研究砒砂岩原状土体及相同干密度控制下重塑土体的组构、级配、含水量、粘聚力、内摩擦角等土性指标的相应特征；通过电镜扫描、超景深显微镜、动态图像颗粒分析仪等对砒砂岩冻融前后和反复冻融后颗粒的排列、粒子尺度分布孔隙等微观结构进行观测。得到了砒砂岩反复冻融作用下的抗剪强度、抗压强度等力学性能指标的变化规律；得到了冻融作用下土体的内应力—粘聚力、抗剪强度变化规律；得到了砒砂岩在反复剪切作用下的剪胀规律；得到砒砂岩冻胀和融沉的起始含水率以及冻胀和融沉的规律；根据三轴试验建立了砒砂岩邓肯张本构模型；并对微观结构进行定量的分析，提供了砒砂岩冻融结构变化的直观佐证；根据野外气象监测数据，利用风洞开展了风速变化对砒砂岩散土体剥蚀质量的影响，建立风速、冻融循环次数下剥蚀质量的半经验关系模型。由于项目开展了较深入的砒砂岩冻融变异、风蚀力学机理的大量试验，获得了详实的实验数据，目前还在对复合侵蚀进行更深入探究，项目的研究可以揭示该地区冻融作用下砒砂岩变异规律，对砒砂岩区风-冻融侵蚀的防治及改善地区环境都具有实际意义。