压实花岗岩风化土的微观结构及其渗流特征探讨

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论文字数:43555 论文编号:sb2021102610541839111 日期:2021-11-11 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文以桂东南地区的花岗岩风化土为研究对象,通过不同干密度的花岗岩风化土进行显微 CT 扫描试验,利用 Avizo 软件中先进的数字图像处理技术提取孔隙网络模型,该模型可以定量表征孔隙及喉道的大小、形态、分布、配位数及连通性。然后运用数值模拟计算方法,研究水在不同干密度花岗岩风化土孔隙中的渗流特性,与实测饱和渗透系数对比,检验孔隙结构数字重构模型的准确性、代表性。

第 1 章  绪论

1.1 选题背景、目的及意义
华力西-印支期、燕山期的花岗岩广泛分布于我国南方地区(例如福建、香港、两广等地),花岗岩风化土是花岗岩长期风化的产物,由于它分布广泛,可作为廉价工程材料。因此,花岗岩风化土被广泛用于高速铁路和公路等项目的填料。然而,花岗岩风化土具有遇水易软化、易崩解性、高液限、结构性等特性[1, 2],在降雨和外部压力的作用下会导致干密度较低的花岗岩风化土发生路基变形、边坡破坏、灾难性的滑坡,如 2015 年12 月 20 日深圳光明新区,风化花岗岩的废土填埋场由于干密度不足导致滑坡[3];以花岗岩残积土为路堤的高速公路,因干密度不足多处发生浅层滑移、崩塌、滑坡[4],干密度与路基灾害或病害紧密相关。因此使用花岗岩风化土作为建筑填料需要通过处理来改善其性能(渗透性、强度、模量等)。土体常用的处理方法包括压实或加入掺合料。目前,花岗岩风化土填料仍是通过压实来改变土体结构特征。由于桂东南地区气温高且雨水充足,因此,形成数十米深的花岗岩风化壳。岩体风化壳从内部到坡面一般分为残积土带、全风化带、强风化带、中风化带、微风化带、未风化带[5]。其结构序列如图 1.1 所示。该类花岗岩在广西玉林容县等地分布较为广泛,这类地表裸露的花岗岩风化土,常用作路基材料和建筑的持力层,其工程特性、适用性受到较多的关注[6]。容县某滑坡灾害如图 1.2 所示。
图 1.1 花岗岩风化土剖面示意图                  图 1.2 容县地区某滑坡灾害
图 1.1 花岗岩风化土剖面示意图                  图 1.2 容县地区某滑坡灾害
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1.2 花岗岩风化土国内外研究成果及现状
1.2.1  土体孔隙研究现状
花岗岩风化土作为一种天然多孔介质,其物理力学、生物化学性能与这些孔隙紧密关联。土体孔隙结构特征包括孔隙的形态、大小、空间分布及连通性等方面,而土体的孔隙结构特征在一定程度上影响其宏观微结构参数、渗透系数。因此,精确地表征土体孔隙结构特征对于土体的开发使用具有重大意义。
为了对孔隙有更加准确和直观的认识,利用先进的测试技术和方法是必不可少的。目前主流的土体孔隙结构精细表征方法可以分成图像分析技术和数据分析技术。图像分析技术是以三维或二维图像为基础,对孔隙结构进行定量表征。三维图像分析技术主要包括 Nano-CT、Micro-CT 及聚焦离子束显微镜(FIB),可以对土体孔隙的直径、体积、形态、空间分布特征、连通性及配位数进行精细表征。二维图像分析技术主要包括矿物分析识别(QEMSCAN)、Maps 图像分析、扫描电镜(SEM),可以对土体孔隙类型及分布进行表征。数据分析技术是以数据为基础,对土体孔隙进行定量表征。数据分析技术主要包括压汞(MIP)、氮气吸附(NAI),可以对土体孔隙的分布、体积进行定量表征。图像分析技术和数据分析技术在孔隙结构分析上各有优缺点,图像分析技术的测试仪器较贵,但可以对孔隙结构进行直观、详细的表征;数据分析技术操作简便,但无法进行三维直观化。
压汞法是目前测定土体孔隙结构最常用的方法之一,可以通过毛细孔孔径与施加压力之间的关系求得土体的孔径分布。进退汞曲线类型可以定性的反映土中孔隙连通性好坏及其结构类型,而且从压汞获得的数据还可以求出孔隙度、比表面积、孔容等参数。吕海波[32]对天然结构性软土进行压缩,并利用压汞法获得不同荷载下的孔隙大小分布。闫小庆[33]将不同比例的膨润土掺加细颗粒土中,通过压汞试验获得土体微观孔隙结构特征。梁维云[34]通过对宁明膨胀土进行压汞、一维压缩试验,研究化学作用对膨胀土微观孔隙结构和压缩性的影响。唐益群[35]以淤泥质软黏土为对象,进行压汞、渗透和冻融试验,研究冻融作用对其孔隙微结构的影响。孙德安[36]以深度不同的黏性土为对象,通过压汞、压缩试验确定黏性土的孔径分布为单峰结构。牛庚[37]通过压汞试验研究在脱湿过程中两种土样的孔隙变化规律及孔隙分布。压汞法对土中的大孔和中孔测定相对准确,但是也存在一些问题:一、无法测定封闭孔;二、无法检测到位于小孔之后的大孔,因为填充大孔所需的压力与穿透小孔所需的压力相同(这种现象通常称为“墨水瓶”效应);三、检测后,样品被破坏。
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第 2 章  花岗岩风化土的物质组成及基本性质

2.1 研究区地质背景
土样取自桂东南地区广西玉林容县。桂东南地区的气温常年较高,夏季长且热,冬季短而暖,全年雨水充足。该地区位于北东方向的博白-岑溪大断裂带,地貌为丘陵山地、低山山地,植被覆盖率高,境内河流众多、水网密集。桂东南地区为花岗岩的风化提供两个有力条件(气温高和雨水充足),因此该地区逐渐形成既深又厚的岩体风化壳。其分布长度可达数十米,从垂直剖面上观察,岩体的风化带序列较为完整,岩体风化壳从内部到坡面一般分为未风化带、微风化带、中风化带、强风化带、全风化带及残积土带[1]。
容县花岗岩残积土位于山坡表层,土层厚度较薄,分布范围大约在 3 米到 4 米之间,颜色呈现棕红或砖红色,原岩结构基本破坏,粘聚力较好,且有残留的白色石英颗粒,粒径约为 1 mm。
花岗岩全风化土位于地表以下约 4 米,分布范围大约为 4 到 8 米,颜色主要呈现黄褐色,中间部分有其它颜色夹杂着,原岩结构特征保留较差,可观察到残留的白色石英颗粒,土质较为松散。花岗岩风化土的现场勘察如图 2.1 所示,取土过程如图 2.2 所示。
图 2.1 花岗岩风化土现场勘察                       图 2.2 取土过程
图 2.1 花岗岩风化土现场勘察                       图 2.2 取土过程
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2.2 花岗岩风化土的物质组成
2.2.1  矿物组成
X-Ray 衍射峰分析法是通过 X 射线对花岗岩风化土的矿物颗粒进行衍射和分析,确定花岗岩风化土的矿物成分及含量。花岗岩风化土中的粘粒多为高岭石片,颗粒结构呈片状,而石英和伊利石的颗粒结构一般为针状或粒状。试验前先将花岗岩风化土碾碎至小于 0.075 mm 的细粉粒。利用 X 射线衍射峰计算和分析花岗岩风化土的主要矿物成分及含量。X-Ray 衍射(XRD)试验结果如图 2.3 所示。
图 2.3 花岗岩风化土的 X 射线衍射图谱
图 2.3 花岗岩风化土的 X 射线衍射图谱
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第 3 章  花岗岩风化土的渗透性及微观结构................................... 13
3.1 土体的渗透性研究方法 .................................. 13
3.1.1  土体渗流基本模型 .......................................... 13
3.1.2  土体渗透系数测定的方法 ........................... 13
第 4 章  花岗岩风化土的孔隙结构表征 ................................... 21
4.1 CT 扫描 ................................................. 21
4.1.1  CT 扫描设备 ...................................... 21
4.1.2  试验样品制备 ........................................ 22
第 5 章  花岗岩风化土基于数字重构模型的渗流模拟研究 ....................................... 42

5.1 渗流模拟的方法介绍 .................................................. 42
5.1.1  基于数字重构模型的方法 .................................... 42
5.1.2  方法综合评述 ...................................... 43

第 5 章  花岗岩风化土基于数字重构模型的渗流模拟研究

5.1 渗流模拟的方法介绍
利用渗透试验描述花岗岩风化土微观尺度的流动现象比较困难,因此众多学者在孔隙空间结构模型的基础上利用数值模拟进行渗流特性研究。随着计算机运算能力、CT 扫描技术及图像处理技术的提高,孔隙空间结构模型中包含更多花岗岩风化土微观结构的详细信息,进而为渗流模拟提供一个真实的数字平台。数字岩心是一种渗流模拟的输入模型。
5.1.1  基于数字重构模型的方法
将代表实际孔隙结构的数字重构模型作为模拟基础,有两种渗流模拟的方法:计算流体力学的传统方法(CFD)及格子 Boltzman 方法(LBM)。CFD 是对介质模型进行动量、质量守恒方程求解,并离散控制方程及模型。而 LBM 是对微观粒子求解介观尺度的流动问题,并在离散模型中复原控制方程。CFD 和 LBM 两种方法有着本质的区别。
5.1.1.1  格子 Boltzman 方法
格子气自动机格子是格子玻尔兹曼基本原理的来源。格子玻尔兹曼方法不但传承格子气自动机的优点,还修改该算法的不足。LBM 是在分子运动理论的基础上模拟流体流动的方法,不再假设连续介质为基础,而是将流体看作由大量无体积、仅有质量的微粒构成,该微粒可以任意地朝空间多个方向运动。LBM 通过模拟网格中微粒的移动和碰撞,建立简化的运动论模型,进而反映流体在孔隙空间中的渗流规律。LBM 方法易于编程,适用于复杂孔隙中流体的渗流模拟,但其计算量大、耗时长。
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第 6 章  结论与展望

6.1 结论
本文以桂东南地区的花岗岩风化土为研究对象,通过不同干密度的花岗岩风化土进行显微 CT 扫描试验,利用 Avizo 软件中先进的数字图像处理技术提取孔隙网络模型,该模型可以定量表征孔隙及喉道的大小、形态、分布、配位数及连通性。然后运用数值模拟计算方法,研究水在不同干密度花岗岩风化土孔隙中的渗流特性,与实测饱和渗透系数对比,检验孔隙结构数字重构模型的准确性、代表性。本文主要结论有以下几点:
1.干密度 1.485 g/cm³、1.65 g/cm3、1.815 g/cm3花岗岩残积土渗透系数在 7.15×10-5 cm/s 至 8.82×10-7 cm/s 之间,干密度 1.674 g/cm3、1.86 g/cm3、2.046 g/cm3花岗岩全风化土渗透系数在 1.63×10-5 cm/s 至 8.18×10-7 cm/s 之间;随着干密度的增加,花岗岩风化土渗透性系数及大部分孔隙直径均逐渐减小。
2.通过对比四种滤波及多种阈值算法,最终选用非局部滤波处理图像,选择 OSTU算法分割阈值;基于花岗岩风化土的连通孔隙度确定的 REV 尺寸。并对孔隙进行空间参数定量表征。结果表明:花岗岩风化土的喉道半径和长度均呈单峰分布;花岗岩风化土中孔隙数量随着孔径的减小呈指数增长,花岗岩风化土中大于 52 μm 孔隙体积的占比,随着干密度为增加逐渐减小。分别从花岗岩风化土的平均配位数、配位数分布均匀程度表明随着干密度的增加其孔隙连通性逐渐变差;花岗岩风化土的配位数主要分布在 1-10 之间,配位数的峰值均出现在 3 附近,平均配位数在 3-7 之间。花岗岩全风化土的孔隙平均体积、喉道半径、喉道长度随着干密度的增加逐渐减小,而花岗岩残积土的孔隙平均体积、喉道半径、喉道长度与干密度无明显相关性。
3.通过微观渗流模拟获得干密度 1.485 g/cm3、1.65 g/cm3、1.815 g/cm3花岗岩残积土的平均饱和渗透系数模拟值分别是实测值 0.9、1.35、0.77 倍,干密度 1.674 g/cm3、1.86 g/cm3、2.046 g/cm3花岗岩全风化土饱和渗透系数模拟值平均值分别是实测饱和渗透系数 1.25、5.2、1.66 倍,表明该孔隙空间模型能较准确地代表土体内部真实的孔隙渗流特征。花岗岩风化土的渗流过程中,在连通性好的孔隙中心区域流速最大,流速沿着孔隙中心向外壁的方向,流体的渗速逐渐减小;在连通性差的孔隙区域流速接近为 0。随着干密度的增加,花岗岩风化土的连通性变差,且截面的平均渗流速度减小,表明干密度对花岗岩风化土的渗流特性有重要影响。
参考文献(略)