黏性土壤高温蒸发与开裂特性实验研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文黏性土壤高温蒸发与开裂特性实验研究论文作者：冯露菲学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：土木工程指导教师：王华军职称：教授资助基金项目：河北省自然科学基金(No.E2015202181)国家自然科学基金(No.50906020)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofCivilEngineeringEXPERIMENTALSTUDYOFEVAPORATIONANDCR

2、ACKCHARACTERISTICSINCOHESIVESOILSATHIGHTEMPERATURESbyFengLufeiSupervisor:Prof.WangHuajunDecember2016ThisworkwasfundedbyNaturalScienceFoundationofHebeiProvince(No.E2015202181),andNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50906020).原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，

3、进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：2016.12.20关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论

4、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：2016.12.20导师签名：日期：2016.12.20摘要黏性土是一种典型的工程岩土，其内部热-水-力三场耦合过程非常复杂，一直是能源、岩土、地质、环境等领域的难点课题。本文针对高温状态下不同黏性土的蒸发与开裂特性开展了较为系统的理论与实验研究，主要内容如下：蒸发特性方面：以广西桂平红黏土与河北廊坊黏土为例，定量测定了温度、厚度、含盐量、黏粒含量等因素

5、对蒸发速率的影响。结果表明，高温状态下黏性土壤蒸发主要分为常速率与减速率阶段，其中前者持续时间较长，而后者持续时间较短。在当前实验条件下，温度升高10℃，蒸发速率增大1.2~1.5倍，蒸发时间缩短1.32倍。相同干燥时间内，样品厚度越大，平均含水率越高，但厚度对蒸发速率基本无影响。随着初始盐分浓度的增大，表面蒸气压降低，土壤的蒸发速率逐渐减小，甚至不再蒸发。粉土以及团聚体含量少的土壤蒸发速率大于团聚体多的土壤。在实验基础上，给出了蒸发速率预测模型，能够较好描述不同温度工况下裸露黏性土层的蒸发速率。开裂特性方面：结合计算

6、机数字图像处理技术，建立了专门用于定量分析黏土裂缝图像的度量体系，可有效获得裂缝网络的几何特征参数。以河北廊坊黏土、广西桂平红黏土以及四川梁平黏土为例，进行了XRD与SEM微观表征，开展了非含盐与含盐状态下黏性土壤开裂特性实验，观察了黏性土壤裂缝“产生-发展-完成”的整个过程，定量分析了蒸发温度与厚度对裂缝度量指标的影响，基于双电层理论讨论了盐分浓度对裂缝特性的影响。结果表明，黏性土壤的开裂始于土壤表层，当土壤基质吸力大于土壤空气进气值时，土壤初始裂缝更容易在土壤表面“缺陷”处形成。随着蒸发温度增加，黏性土壤裂隙网络节

7、点个数、裂缝条数、裂缝长度逐渐减小，而裂缝块区面积、裂缝的平均长度以及宽度逐渐增大。随着厚度增加，节点个数、裂缝条数、裂缝总长度、块区个数、块区平均面积不断减小，而裂缝平均长度、平均宽度、裂隙率、块区面积逐渐增大。随着盐分浓度增加，黏性土壤表面裂隙程度降低，裂隙率减小，分形维数减小，数值在1.65~1.20范围内变化。塑性指数越高，开裂程度越大，三种土壤的开裂程度大小顺序为：廊坊黏土>桂平红黏土>梁平黏土。关键词：黏性土壤，蒸发，裂缝，裂缝度量指标，分形维数IABSTRACTBeingatypicalkindofeng

8、ineeringrocksoils,cohesivesoilshaveacomplexmechanismofthethermo-hydro-mechanicalcoupling,therebybecomingahottopicinmanyengineeringfieldsincludingenergy,rocksoil,geogr