桂林红黏土裂隙演化的温度效应与尺寸效应

作     者：叶子明 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖桂元

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：红黏土 裂隙演化 温度 尺寸 定量分析 

摘      要：红黏土作为一种失水易收缩的特殊土,易受温度与尺寸的影响。南方地区处于湿热的亚热带季风气候,温差变化对土的工程性质造成极大影响。红黏土分布在南方大部分省份,迫切需要研究环境温度与尺寸效应对红黏土裂隙演化规律的影响。以广西桂林红黏土为研究对象,结合室内试验与理论分析,研究了不同温度与不同尺寸下桂林红黏土干化过程中的裂隙演化规律,通过PCAS软件进行裂隙图像处理,定量化分析桂林红黏土裂隙发育特征参数,并结合红黏土矿物晶层结构和双电层厚度变化进行补充解释。主要内容有:(1)自行研制了高清自动拍照及称量装置,对桂林红黏土的裂隙发育进行自动拍照,将得到的裂隙图像通过PCAS软件对图像进行二值化、图像杂点去除、裂隙修复、块区识别和裂隙识别,定量化分析裂隙的特征参数。(2)红黏土的水分蒸发过程主要分为三个阶段:常速率阶段、变减速率阶段以及残余稳定阶段。随着温度升高,土样的蒸发速率变大,并且土体含水率达到残余稳定阶段的时间也变得明显缩短。水分蒸发的三阶段随着红黏土尺寸的增加而增大。(3)不同温度裂隙演化主要分成三个阶段:微裂隙产生初始阶段、裂隙扩展阶段以及裂隙稳定阶段。桂林红黏土裂隙演化的温度效应较明显。对于同一尺寸的试样,随着温度的升高,红黏土裂隙演化的三阶段都相应变短,初始开裂临界含水率减小,裂隙面积的增长速率明显增大,土体的最终裂隙块区个数显著减少,最终裂隙率也随着温度的升高而增大。(4)桂林红黏土的裂隙演化也具有一定的尺寸效应。在同一温度与初始土样高度下,不同直径的红黏土试样,土体表面裂隙率随着试样尺寸的增大而增大。同一温度,不同尺寸的裂隙率增长速度基本一致。试样尺寸越大,红黏土到达裂隙稳定阶段时间越长,裂隙的边界效应越小,裂隙的块数越多,初始开裂临界含水率也越大。(5)通过XRD试验研究表明,最高温度60℃温度场并不能改变土体的晶层间距。结合双电层理论,推导出适用的扩散双电层的方程。温度升高,Zeta电位值增大,双电层厚度也随之变大。土颗粒间气-液界面张力(表面张力)的变化是引起红黏土收缩开裂的重要原因。红黏土在失水收缩开裂的过程中,红黏土土体内部经历了饱和状态、非饱和状态(水-气-粒三界面)和干燥状态三个状态。结合不同温度的红黏土初始开裂含水率的数据,拟合出相应的经验公式。