季冻区草炭土是一种在特有的气候、地形地貌及水文条件下,由地表沼泽环境中的植物残体在氧气和微生物的作用下转变而成的富含腐殖酸的腐殖质土。与大多数矿质土相比,含大量植物纤维的草炭土表现出大孔隙比、高含水量、高渗透性、高压缩、强度低和工程性质差等特点。近年来,人们逐渐意识到土体的宏观工程性质受到其细观结构状态和变化规律影响。研究重心逐渐由土体的宏观力学层次向细观层次转移,并且试图建立二者之间的联系。季冻区草炭土作为一种内部结构极其复杂的特殊土体,其细观结构对草炭土的宏观强度、变形特性和渗流特性等都具有极强的控制作用。然而,目前很少有研究对草炭土的细观结构问题进行详细的探讨。此外,针对草炭土力学性质的研究主要集中在宏观尺度,对草炭土力学机理的细观研究则相对不足。开展对季冻区草炭土的细观结构及力学特性研究,不仅有助于我们从根本上揭示草炭土宏观力学性质及现象的内在机理,还将有助于更好地解决草炭土地区工程建设所面临的岩土设计和湿地环境保护等诸多难题。本文以吉林省敦化市江源镇草炭土为研究对象,在野外取样和室内试验的基础上,利用显微CT扫描仪对土样进行扫描并获取了草炭土的内部细观结构的CT图像,然后对CT图像进行数字图像处理,最终定量分析了草炭土细观孔隙结构特征。本文将草炭土的细观结构分析分为两部分,一部分分析不同分解度的原状草炭土细观孔隙结构的规律,另一部分对草炭土内部细观孔隙结构随冻融循环次数的变化规律进行研究。考虑到离散元数值模拟技术在理解土体的细观尺度机理研究方面具有非常大的优势。本文利用颗粒流离散元技术,构建草炭土的三维离散元模型,并模拟了草炭土数值试样的三轴压缩试验,进而分析了不同围压和不同纤维排列方式(水平、垂直与随机排列)条件下草炭土力学性质的细观机理。本文主要研究内容和成果如下:(1)利用显微CT扫描技术扫描了原状草炭土样品获取了草炭土细观结构的断层序列图像。基于数字图像处理技术依次对草炭土断层图像进行了裁剪、灰度直方图均衡化、非局部均值滤波以及分水岭图像分割等过程完成了草炭土细观结构灰度图的二值化处理。同时,对草炭土的细观结构进行了三维可视化,定性分析了其细观结构特征。(2)确定了能够反映草炭土细观孔隙结构的代表性单元体,提取并分析了两组不同分解度的原状草炭土样的孔隙几何特征。结果表明:草炭土断层图像的二维孔隙率可以表征其三维孔隙率。基于形状因子对草炭土中孔隙分类,草炭土中似球状孔隙和椭球状孔隙数量占比最多,属于小孔径的孔隙,而长柱状孔隙和枝杈状孔隙尽管数量占比少,但属于大孔径孔隙,对草炭土的渗透特性起主导作用。此外,高分解度草炭土样孔径相对较小,具有更高的比表面积。不同分解度的草炭土样计算得到的各向异性度均较小,说明小尺寸的草炭土样的孔隙系统趋向于各向同性。(3)分析了两组不同分解度的原状草炭土样的孔隙拓扑特征,并基于草炭土样CT图像进行数值模拟得到了渗透率。结果表明:草炭土的渗透率随草炭土分解度的不同而不同,低分解度的草炭土的渗透率要大于高分解度草炭土。这一方面归因于低分解度草炭土样中孔径更大,另一方面低分解度草炭土具有更大的孔隙配位数和连通密度,同时具有更小的几何和水力迂曲度,这也意味着其具有更好的连通性,使得孔隙中水分流动更容易。(4)CT扫描成像可以直接反映草炭土冻融前后内部孔隙结构的变化特征,揭示草炭土孔隙演化规律。结果表明:随冻融循环次数的增多,草炭土的孔隙率和孔隙数量呈上升趋势,其中小孔隙的百分比逐渐增大,而中孔隙和大孔隙的百分比呈现下降的趋势。冻融循环还使孔隙结构的复杂程度增加并增强了孔隙的连通性。(5)基于PFC3D建立了草炭土的三维颗粒流离散元模型,并完成了不同围压条件下的三轴数值试验模拟。结果表明,围压对草炭土的接触力分布和承载机理有一定的影响。草炭土在加载过各个阶段的颗粒位移场和速度场均呈轴对称向外分布,使得草炭土样以侧向变形为主,这从细观角度解释了草炭土样难以形成剪切带的原因。此外,随着围压的增大,作用在纤维表面的平均法向接触力和界面接触面积也变的越大,从而沿植物纤维表面产生更大的摩擦力,使植物纤维中产生更大的张力,对草炭土强度的贡献也就越大。(6)天然草炭土会因其中植物纤维排列方式的不同而导致草炭土的结构各向异性,进而对其力学性能产生影响。基于草炭土的三维颗粒流模型分析了纤维排布方向对草炭土三轴试验强度的影响的细观机理。结果表明,不同取向的植物纤维的存在对草炭土的接触力分布和承载机理有一定的影响。植物纤维水平排列的草炭土数值试样中纤维体周围的法向力和有效接触面积增加是最大的,这导致纤维与草炭土团聚体颗粒间的滑动摩擦也是最大的。很明显,大多数水平方向排列的植物纤维在三轴压缩时都会受到拉伸。当纤维取向于拉伸应变方向时,草炭土中植物纤维对强度的增强的效果最高。