环境因素驱动的初始风积黄土结构演化机制

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黄土地质灾害一直困扰着我国中西部基础工程的建设和安全运营,导致该问题的根本原因是现今黄土结构的脆弱性。现今黄土结构是初始风积黄土在漫长的地质历史时期经受各种环境因素(如温度循环、湿干交替、冻融循环和后期沉积导致的上覆荷载)作用逐渐演化而来的。探明黄土结构的演化轨迹一方面能为揭示黄土地灾成因机制提供重要依据;另一方面,将古论今,可用于预测黄土结构的未来演变趋势,为黄土地区国土空间规划利用和黄土地质灾害的有效防控提供理论和方法指导。以往针对黄土结构形成机理方面的理解和认识多为基于现今黄土结构观察所做出的推测,确凿证据欠缺,且现有观点间存在一定争议。而关于黄土结构演化模式方面的研究目前主要聚焦于现今的原状黄土、重塑或压实黄土。但因黄土的初始风积结构远不同于现今黄土,相关研究成果无法简单推延和应用于初始风积黄土。故而,现今黄土结构究竟是如何形成的,是哪种环境因素在起主导作用,其作用机制是什么,学术界仍未给出明确答案。为解答上述科学问题,本研究模拟了风积环境,再造了初始风积黄土,以初始风积黄土为研究对象,开展了不同环境因素作用下的结构演化物理模拟试验,以期近似还原风积黄土早期结构的形成和演化过程。结合CT扫描、影像动态捕捉、离散元数值模拟和理论分析等方法手段,就风积黄土的初始结构和单个环境因素作用下的风积黄土结构演化规律与演化机制进行了探讨,加深了对黄土化过程的认识。主要研究成果归纳如下:(1)选取典型马兰黄土作为原材料,采用空中自由下落法,模拟了黄土粉尘的沉积过程,再造了初始风积黄土。借助CT扫描、Morphologi图像分析和三维孔隙结构参数提取等技术,对初始风积黄土结构进行了定量表征。结果显示,初始风积黄土颗粒堆积极度松散(ρd=0.88 g/cm~3;e=2.07),内部架空孔隙发育,且多呈竖向或近竖向排列,孔隙间相互孤立存在,较均匀分布于空间中。(2)借助DHTH-500-40-P-SD恒温恒湿试验箱,开展了环境温度循环作用下的初始风积黄土结构演化物理模拟试验,阐明了环境温度与土体温度、土体竖向变形间的耦合关系,揭示了温度循环在初始风积黄土结构演化中的作用机制。研究发现,在温度循环作用下,初始风积黄土的竖向变形和土体温度均呈周期性波动变化,二者波动基本同步且滞后于环境温度。随着温度循环次数的增加,初始风积黄土整体趋于收缩,土体变形逐渐由弹塑性变形转为弹性变形,其间无明显的裂隙增生现象。(3)搭建了降雨和蒸发试验平台,开展了湿干交替作用下的初始风积黄土结构演化物理模拟试验,借助影像动态捕捉、CT扫描和图像处理技术刻画了初始风积黄土在湿润和干燥过程中的结构演化特征。结果显示,湿干交替作用下,初始风积黄土由最初的疏松均质结构逐渐演变成为由竖向裂隙和竖向排列的密实块体所组成的各向异性结构。此结构与现今黄土的簇聚结构相一致。借此明确了湿干交替在风积黄土早期结构演化过程中的关键作用。特别是,与目前普遍认识所相反,湿润过程而非干燥过程在主导着初始风积黄土的结构演化,后期的干燥收缩仅仅保留和扩展了初始风积黄土在湿润过程中所发育的结构特征。(4)基于初始风积黄土体积含水率、基质吸力、颗粒组成和易溶盐含量监测结果,对湿干交替作用下初始风积黄土结构演化的控制因素进行了剖析。结果表明,湿干过程中存在细颗粒迁移和易溶盐溶解迁移的现象。但因迁移量较小,该两种因素对初始风积黄土结构的改造程度有限,而湿干过程中所产生的毛细力则易导致土体收缩开裂,是促使风积黄土中竖向裂隙和密实块体形成的主要驱动力。借助Mat DEM离散元分析软件,全过程动态模拟了毛细作用下初始风积黄土的结构演化,数值模拟结果与试验结果一致,相互验证。(5)基于各环境因素作用下的风积黄土结构演化物理模拟试验、数值模拟以及理论分析结果,构建了风积黄土结构演化机制模型。初始风积黄土的松散堆积结构和架空孔隙的发育为黄土结构演化提供了物质条件和结构基础。湿干交替过程,特别是湿润过程中产生的毛细力克服粒间阻力,驱动相邻颗粒靠近,将架空孔隙改造为竖向裂隙,其在风积黄土的结构演化历程中扮演着重要角色。而温度循环、冻融循环和后期沉积导致的上覆荷载作用均倾向于将风积黄土结构均质密实化,不利于现今黄土各向异性结构的形成,在风积黄土的结构演化历程中扮演着次要角色。
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