干湿循环对膨胀性岩溶回填体微观结构演化与力学性能退化机理研究

《Scientific Reports》：Experimental study on the evolution of mesoscopic structure and macroscopic mechanical properties of typical karst fillings soil under dry-wet cycles

　　

摘要

山东省济南市是中国北方典型的岩溶发育区。当在回填溶洞上方建造建筑物时，岩溶回填体的水环境可能会发生改变，在干湿交替条件下，其力学性能会逐渐退化。当回填体具有膨胀性时，这一问题会进一步加剧，因为干燥会引起收缩裂缝，而湿润会引发膨胀。然而，很少有研究专门针对这一问题。本研究首先对典型场地采集的膨胀性岩溶回填体进行了室内物理性质试验。随后，对经过不同次数干湿循环处理的试件进行了卸载膨胀率试验、压汞法（MIP）和固结不排水三轴试验。结果表明，这些回填体具有中等膨胀潜力，这归因于其高蒙脱石含量。随着干湿循环次数的增加，卸载膨胀率降低，总孔隙体积显著增大，孔径分布发生变化，回填体的微观结构逐渐劣化。基于三轴试验结果，建立了弹性模量、破坏偏应力与干湿循环次数之间的定量关系。随着循环次数的增加，破坏偏应力显著降低，而弹性模量呈指数衰减并趋于稳定，整个过程中破坏偏应力的劣化速率相对均匀。基于压汞法和三轴试验结果，建立了渐进的宏观-微观损伤演化模型，揭示了干湿循环下岩溶回填体微观结构损伤与宏观力学性能退化之间的内在关联。本研究为类似岩溶场地的工程建设提供了有用的参考。