巖土多孔介質孔隙結構的分形研究及其應用.pdf

1、巖土多孔介質作為一種特殊的工程材料,其工程性質具有復雜性和變化性,而這種復雜性和變化性主要受其微觀或細觀結構的控制,因而對其微觀結構進行研究具有極其重要的意義。巖土多孔介質微觀孔隙和顆粒的大小和形狀相異,表現(xiàn)出“無序”的特征。大量研究表明它們表現(xiàn)出分形特性,因而分形理論成為巖土介質微觀、細觀特性研究的有效手段。基于分形理論,本文對巖土介質孔隙結構展開研究工作,目的旨在推動巖土多孔介質的微觀結構研究。
　　 論文首先對巖土多孔介質

2、的分形模型進行深入研究,提出了兩大類模型。這兩類分形模型能將國內外模型統(tǒng)一起來,從而形成了兩類統(tǒng)一的模型,有效避免了分形模型的錯用。
　　 論文對巖土多孔介質的分形維數(shù)進行了系統(tǒng)的歸類與定義,并研究它們之間的關系。建立了二維和三維空間分維數(shù)之間的聯(lián)系,從而可以通過二維數(shù)字圖像技術估算巖土多孔介質在三維空間的分維數(shù)。證明了顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)與孔隙原狀面積(體積)分布分維數(shù)在有限尺度范圍內能同時存在,并給出了兩者之間的關

3、系式。黏性土的微觀結構實驗數(shù)據(jù)表明:通過此關系式可有效估算孔隙原狀面積分布分維數(shù)。建立了土壤黏粒含量與其顆粒質量～粒徑分布分維數(shù)的關系,大量的實驗數(shù)據(jù)證明了它的有效性。
　　 論文采用土壤切片技術、SEM技術、壓汞技術及數(shù)字圖像技術獲得了水泥基環(huán)境巖土材料、軟黏土的孔隙分布數(shù)據(jù),在此基礎上研究了取樣深度及干濕循環(huán)對水泥基環(huán)境巖土材料孔隙分布的影響,研究了固結壓力對軟黏土孔隙分布的影響。
　　 利用軟黏土和水泥基環(huán)境巖土材

4、料在二維和三維空間內的孔隙實驗數(shù)據(jù)證明了本文提出的分形模型的合理性。
　　 論文探討了分維數(shù)求解方法對巖土多孔介質的孔隙分形特性的影響,結果表明本文提出的分維數(shù)求解方法比已有方法更為方便、有效、合理。
　　 論文對孔隙分布的定量化描述進行了深入研究,提出了3種描述孔隙孔徑分布的孔隙率模型,并利用黏土和水泥基環(huán)境巖土材料在二維和三維空間內的孔隙實驗數(shù)據(jù)研究其適用性,結果表明:三維空間內,第3種孔隙率模型預測值與實測值吻合很

5、好,二維空間內,模型的有效性與相應的孔隙數(shù)量～孔徑分布分維數(shù)大小緊密相關。
　　 利用提出的描述孔隙孔徑分布的孔隙率模型,給出了基于土體微觀孔隙結構的固結變形計算公式,在低固結壓力下壓縮應變計算值與實測值相差約0.007;建立了多種非飽和土的土.水特征曲線模型,從形式上包含了現(xiàn)有的土-水特征曲線模型,由于模型中的顆粒原狀面積(體積)分布分維數(shù)能反映孔隙分布特性,因而建立的土-水特征曲線模型更為合理;最后給出了土體黏聚力及巖土介質