基于分形理论的膨胀土微观结构演变规律研究

• 作 者: 易远
• 出 处: 武汉轻工大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 膨胀土 微观结构 分形维数 脱湿 压汞试验 电镜扫描试验

膨胀土作为一种失水收缩,吸水膨胀的特殊土体,在我国分布广泛,引起的工程事故更是数不胜数。目前膨胀土的物质组成和力学性质已经十分清楚,但是其内部微观结构的研究大部分还是停留在定性研究方面,而微观结构与土体宏观物理力学性质有着密切关系,大量研究人员都认识到各种土体在力学性质上的差异主要源于土体内部微观结构的差异,土体内部微观结构的改变也将会导致宏观力学性质发生改变。土体作为自然界的一员,内部结构具有复杂性和不规则性,这使得传统欧氏几何难以对其进行描述,而新兴的分形几何作为研究不规则物体的数学理论,为膨胀土微观结构的定量研究提供了方法。本文所用膨胀土土样均取自南阳某高速公路。分别对不同脱湿环境、压实度和初始含水率的膨胀土进行压汞试验和电镜扫描试验。本文首先对各种分形模型和分形维数计算方法进行了归纳和总结,然后利用微观结构分析模型和分形模型对试验数据进行定量研究,并使用扫描电镜图像对膨胀土表面微观结构进行定性研究。其中压汞试验数据使用了孔隙分布模型中的三个参数平移量К,压缩量ξ和分散程度η,以及三种不同的分形维数计算方法进行研究,电镜扫描图像则使用盒维数法进行研究。分析了脱湿环境、压实度和初始含水率与分形维数的关系,并根据分形理论对南阳膨胀土内部孔径进行划分,以分形维数和孔隙分布模型中的三个参数为桥梁研究膨胀土脱湿后微观结构的变化规律。根据三个参数的变化发现脱湿环境对土体内部微观孔隙结构有着明显的影响,使得孔隙分布更均匀,不再集中在平均孔径附近;而压实度越大,膨胀土内部孔径分布越集中,内部总孔隙体积在不断的减小,平均孔径朝着微小孔径方向转移;根据平移量К的变化,将微观孔隙随着初始含水率的变化过程分成了两个阶段,根据压缩量ξ的变化发现存在一个初始含水率的值,使得总孔隙体积最大,根据分散度η,发现也存在一个初始含水率使得分散效果最明显;其次,利用电镜扫描图片定性研究了膨胀土表面颗粒形态、排列方式和结构类型;最后,利用分形理论研究了脱湿环境、初始含水率和压实度对分形维数的影响以及对内部和表面孔隙结构的影响,发现了土体内部结构变化最剧烈的压实度范围和初始含水率范围,并认为多种分维数计算方法同时使用并互相补充比使用单一的分维数计算方法更加严谨和科学。