关键词： 分散性土   木质素磺酸钙   物理力学性质   养护龄期   塑性破坏  

摘要： 为了使分散性土可直接作为路基填料,文章提出采用木质素磺酸钙改良分散性土并测定其物理力学性质,判定其工程适用性。主要结论如下:(1)随着木钙掺量的增加,土体的液限、塑限以及最优含水率均出现下降,土样的破坏模式逐渐过渡至塑性破坏;土体抗压强度先增大后减小,压缩系数先减小后增大;(2)随着土样养护龄期的延长,改性土的无侧限抗压强度也逐渐增大,压缩系数不断减小:(3)当木钙掺量为1%、养护时长为28 d时.改性土的土体结构稳定性较好,各项指标基本满足路基填料的要求。

关键词： 铀尾砂   MICP   胶结体   耐久性   损伤机理  

摘要： 微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation,简称MICP）技术逐渐发展成为岩土工程领域一大研究热点,在当前国内“双碳”战略背景下,该技术的工程化应用研究更具有时代意义。然而,MICP技术工程化应用后的耐久性问题将会限制MICP技术的广泛推广应用。综上所述,探究MICP矿化胶结体在复杂环境下的耐久性和劣化损伤机理研究仍是MICP注浆加固领域的一项重要课题。 本文以MICP技术在铀尾矿库注浆加固治理中的应用为研究背景,首先,通过开展理论研究和溶液试验,基于中央复合设计法（CCD法）和响应曲面进行了MICP注浆加固条件优选,制备了铀尾砂MICP矿化胶结砂柱。其次,通过设计干湿-冻融循环试验、雨水浸泡、冲刷相似模拟试验,分析了铀尾砂胶结体的无侧限抗压强度、渗透系数、质量损失率、三轴抗剪强度等宏观物理力学参数的变化规律,采用微细观测试手段,研究了铀尾砂胶结体细观孔隙结构、微观颗粒表面形貌和三维空间流网变化规律。最后,结合试验测试分析结合颗粒物质物理与力学相关理论,揭示了MICP胶结体在环境因素条件下劣化损伤机理。本文的研究结论为相关的后续中试实验试和工程应用提供了重要的基础数据及理论依据,主要研究内容和取得的成果如下: （1）通过溶液试验系统揭示了内部反应因素（菌液浓度、尿素浓度、胶结液浓度和菌胶比）和外部因素（温度、pH、初始干密度、注浆次数）对MICP矿化胶结铀尾砂的影响机制,基于CCD法和响应曲面设计进一步铀尾砂MICP注浆加固试验,探明了多因素间的响应规律并获取了最优的MICP注浆加固铀尾砂的条件。 （2）对不同初始干密度铀尾砂柱进行MICP注浆加固试验,从Ca2+的利用率、渗透性分析、无侧限抗压强度、三轴剪切强度和碳酸钙分布的均匀性全面分析了初始干密度对矿化胶结效果的影响机制,试验结果表明初始干密度为1.55g/cm3的砂柱在MICP注浆过程中其强度和经济性均表现出较好的优势。 （3）采用室内模拟铀尾砂MICP胶结体的干湿-冻融循环试验,探究了干湿-冻融循环作用下铀尾砂胶结体质量损失率、表观特征变化、强度衰减和碳酸钙含量的变化规律,探究了干湿-冻融循环作用下铀尾砂MICP胶结体宏观物理力学特性劣化衰减规律,对比不同试验组发现初始干密度为1.55g/cm3的胶结砂柱表现出了较好的耐久性和抗强度弱化特性。 （4）通过模拟雨水冲刷试验、雨水浸泡试验和干湿循环试验,研究了不同初始干密度铀尾砂MICP胶结体的雨水侵蚀和弱化规律。对比不同初始干密度试样变化规律,发现初始干密度为1.55g/cm3的试样在抗冲刷侵蚀、抗胶结弱化和强度保持方面具有优势。分析研究表明雨水环境下的铀尾砂MICP矿化胶结体的强度弱化是由于浸润吸水和蒸发脱水造成尾砂颗粒与胶结物之间胶结弱化,以及雨水中的弱酸性分子与胶结物发生反应,在这些环境因素下胶结体的孔隙增多、尾砂颗粒的胶结链接破坏时候其强度弱化的主要原因。 （5）利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、核磁共振成像分析仪（NMR）和计算机断层扫描（CT）等微细观研究手段,定量表征了胶结体在干湿-冻融循环作用下孔隙分形分维特征,重构胶结体孔隙结构的三维空间分布、孔隙发育规律和三维流网特征,结合胶结体微观表面形貌变化和宏观物理力学特性变化规律,揭示了铀尾砂MICP胶结体在复杂环境因素影响下劣化损伤机理。

关键词： 振荡淋洗   冻融土柱淋洗   Cu污染黏性土   重金属赋存形态  

摘要： 我国工业化的快速发展导致土壤重金属污染问题日益严峻,重金属污染黏性土由于其自身的低渗透性,使得土颗粒与淋洗剂接触不充分导致淋洗修复效果不佳,为解决这一问题,本文以重金属Cu污染黏性土为研究对象,结合冻融循环作用与化学淋洗修复技术,开展复合冻融循环与淋洗修复Cu污染黏性土试验研究,通过室内振荡淋洗试验筛选最佳的淋洗剂和试验参数后,进行冻融土柱淋洗试验,研究不同冻结温度、不同试样密度、不同补给方式和不同淋洗剂等因素对重金属Cu污染黏性土的修复效果,揭示冻融-淋洗的内在修复机理,对当前日益严重的土壤重金属Cu污染防治具有重要意义。主要取得以下主要研究成果。 (1)筛选出最佳的淋洗剂以及淋洗浓度 通过对不同浓度的乙二酸、EDTA、酒石酸、柠檬酸和茶皂素进行振荡淋洗试验得出,随着淋洗剂浓度的增加,重金属去除率呈对数增长趋势。其中,乙二酸表现出最佳的去除效果,最佳淋洗浓度为0.15mol/L,去除率高达57.83%。再将最佳浓度下的乙二酸、EDTA、酒石酸和柠檬酸进行复配淋洗其中乙二酸与柠檬酸的组合展现出优越的去除效果,达到63.5%。EDTA与乙二酸淋洗去除率也较好,但存在混合时有白色晶体析出影响试验结果。综合考虑实际操作和效果,乙二酸与柠檬酸的组合被选为最佳淋洗剂。 (2)不同试验因素对冻融土柱淋洗去除率的影响 选取中去除效果较好的乙二酸、EDTA和乙二酸+柠檬酸作为淋洗剂,开展开放式冻融土柱淋洗试验,研究不同土柱浓度、不同冻结温度、不同淋洗剂补给次数和不同淋洗剂条件下,冻融土柱淋洗过程中温度场、吸排水量、冻胀量、排除淋洗剂的重金属离子浓度、重金属去除率、重金属残留分布以及淋滤液的p H和电导率变化,研究发现排水量和淋滤液重金属浓度是决定重金属去除率的关键因素。排水量越大,淋滤液重金属离子浓度越大,去除效果越好;冻融7次中补给4次淋洗剂3次去处理水的淋洗效果要远大于全过程补给淋洗剂的去除效果此外,补给去离子水能有效改善淋洗后土壤酸化的问题,同时减少淋洗剂和水资源的消耗。 (3)冻融淋洗机理分析 从淋洗前后残留重金属形态分布、土样粒径变化、淋洗动力学方程和XRD成分分析等角度对淋洗机理进行探究。经分析可得淋洗剂主要作用于可还原态和可氧化态的重金属,而对弱酸可提取态的去除效果较弱。冻融淋洗相比常温淋洗,更能有效去除可还原态和弱酸可提取态的重金属。冻融淋洗后土样的黏粒占比增加近10%,砂粒占比减少2.39%。因此冻融作用对于提升土壤重金属淋洗效率的一部分原因在于破坏土颗粒的骨架结构,间接增大土壤与淋洗剂接触面积,从而提高了淋洗效率。通过XRD成分分析得出,淋洗作用并未改变土壤原有的成分,对土壤的扰动较小。

关键词： 围岩   冻融循环   损伤特性   三轴试验   Midas GTS  

摘要： 我国正在大力推进交通基础设施建设,尤其是连接西部地区与东部发达地区的交通枢纽建设,隧道作为交通基础设施的重要组成部分之一,正在我国西部地区大力建设。然而西部地区海拔高、昼夜温差大,岩石在冻融循环下受损劣化,隧道冻害问题严峻,在富含地下水地区的砂岩隧道尤为严重,围岩内部孔隙在冻融循环作用下发生不均匀膨胀,导致隧道围岩的变形、开裂和破坏,从而影响隧道的稳定性和安全性。本文依托香草隧道,研究冻融后青砂岩的物理力学特性变化规律及冻融对隧道稳定性的影响。首先通过室内试验,分析冻融循环后青砂岩的损伤特性,观察试样内部微观结构的变化,然后通过Midas GTS分析冻融循环对香草隧道稳定性的影响,为后续的寒区隧道工程的建设和运营提供参考。主要研究结论如下: (1)试样在冻融循环后平均质量和平均纵波波速总体上减少,经过100次冻融循环后,质量从488.66 g降为477.81 g,减少了10.85 g,质量损失率为2.22%,平均纵波波速从3676.3 m/s降为3246.8 m/s,损失率为11.68%,下降速率先慢后快。 (2)围压相同时,随着冻融的进行,试样的力学性能逐渐降低,在冻融100个周期后,试样抗冻系数最低降为64%,粘聚力从12.04 MPa降为9.9 MPa,内摩擦角从50.44°降为42.31°,弹性模量从9.78 GPa降为7.86 GPa;(2)冻融次数相同时,青砂岩的抗压强度会随着围压的增加而增大,围压增大会造成试样内部裂隙闭合,增加岩石的抗压能力;(3)试样在试验中呈现以剪切破坏为主的破坏形式。随着冻融次数和围压的增加,试样的破坏面逐渐扩大,破坏程度明显加剧,试样沿着轴向应力方向产生了不规则的贯穿裂隙和部分次生裂缝,在试样的端部还出现碎片剥蚀脱落现象。 (3)冻融循环后,试样内部孔隙体积明显增加,孔径增大,小孔隙逐渐扩展、连通,发育成大孔隙。其中孔隙总体积增加,小孔隙占比由70.88%降为60.96%,说明小孔隙新生速度不如发育速度,中孔隙占比由27.48%增加到至33.31%,大孔隙的占比由1.64%增加到至5.37%。结合试样的宏观破坏进行分析,冻融循环后试样内部颗粒逐渐松散,粘聚力逐渐减小导致试样抗压强度逐渐减小,外部荷载增加到颗粒间的最大粘聚力后试样达到极限承载力,破裂面贯通,试样沿破裂面滑移,发生破坏。 (4)在位移方面,随着冻融循环的进行,隧道围岩不断发生冻融损伤,隧道的变形逐渐增大,主要以拱底沉降和拱底隆起为主,但位移数值和变化都较小,在隧道支护结构设计时注意采取控制变形措施即可。在应力方面,随着冻融次数的增加,隧道水平和竖直方向应力均逐渐增大,竖直方向应力所受到的影响比水平方向大,在冻融100个周期后,隧道拱脚处水平应力从0.806 MPa增加到0.918 MPa,竖直应力大小从0.79 MPa增加到1.01 MPa,隧道处于不稳定状态,隧道支护结构的承载能力不足,施工设计时应加强拱脚处衬砌强度。

关键词： 冰碛土   细粒含量   冻融循环   三轴压缩试验   SEM电镜扫描  

摘要： 冰碛土是冰川退缩过程中形成的一种独特的地貌现象,广泛分布于高纬度和高海拔地区。受高寒山区特殊气候的影响,土体冻融作用显著,区域内的冰碛土在冻融循环作用后土体性质发生劣化,强度降低,稳定性变差,由此引发的地质灾害和工程问题日渐增加,严重威胁高原地区工程建设。但目前的研究多针对某一单因素对冰碛土性质的影响,关于冻融作用下不同细粒含量冰碛土性能演化的研究较少,因此,本文基于实地科考,对不同细粒含量的冰碛土进行试验研究,探索不同冻融次数下冰碛土物理力学指标的变化规律,为季节性冻土区的地基稳定性评估提供准确的力学参数,有助于全面深入理解冰碛土这一特殊土壤类型,为高寒山区的灾害防治技术发展奠定更为科学的理论基础。 本研究中以日喀则市昌岗错冰湖周围冰碛土为研究对象,通过室内试验探究细粒含量、冻融循环次数等因素对冰碛土渗透性能、应力—应变曲线、粘聚力、内摩擦角的影响规律;同时,采用SEM扫描电镜对冰碛土孔隙结构进行观测,从微观角度分析土样物理性质改变的原因,并在此基础上通过灰色关联法与多元回归分析建立不同土体宏观力学参数随微观结构参数变化模型。基于试验数据的分析,主要研究工作和成果如下: (1)通过常水头法测算出不同初始条件下冰碛土土样的渗透系数,探讨了围压、细颗粒含量、冻融循环次数等因素对冰碛土渗透性能的影响规律。随着围压的增加,土体的渗透系数总是呈现持续减小的趋势;与此同时,细粒含量的增加也会导致土体渗透系数的减小,而冻融循环次数的增加会导致土体渗透系数变大。这一过程中,初次冻融对土体渗透性能的影响最为明显,随着冻融次数的增加,土体对冻融作用的适应性增强,使得进一步的冻融循环对渗透性能的影响有所减弱。通过单因素的显著性分析表明,冻融循环次数对土样渗透性能的影响最大,其次是初始细粒含量对渗透性能的影响,而围压对渗透性能的影响表现出不显著,考虑交互作用的显著性分析计算结果表明,冻融循环次数和细粒含量的交互作用对渗透性能有显著的影响。 (2)基于室内三轴压缩试验研究冻融循环作用下冰碛土的力学变化特征,分析冻融循环作用下不同土体应力-应变曲线、抗剪强度及黏聚力、内摩擦角的变化规律。冻融循环后土体抗剪强度与围压、冻融循环次数和细粒含量有关。围压越大,土样抗剪强度越大。在未冻融情况下,细粒含量为10%的冰碛土的抗剪强度高于其他细粒含量冰碛土,在细粒含量1%～10%时,抗剪强度值随着细粒的增加而变大,而当细粒含量继续增加的时候,反而强度会下降。经历冻融循环作用后,冰碛土的抗剪强度均呈现下降趋势,其中内摩擦角在19.3°至22.72°范围内变化,虽整体表现出下降的趋势,但随冻融次数增加波动相对较小。而黏聚力波动较大,在未经历冻融循环前,细粒的增加可以显著提高土体的黏聚力,而多次冻融循环后,黏聚力急剧下降,土体更加松散。 (3)利用SEM扫描电子试验对土样微观结构进行拍照,并基于PCAS软件对土样微观结构图像进行处理,确定并提取图像中的微观孔隙结构信息。总结规律如下:细粒含量增加,孔隙分维度值会随之增加。而冰碛土的细粒含量越少,孔隙的概率熵越大,其孔隙率也越大,土壤中的孔隙分布更不均匀。特别是初次冻融后,面孔隙率上升最快,随着循环次数的增加,最终会趋于稳定。在经历冻融循环作用后,孔隙排列变得比初始状态更加不规则和复杂,土体结构受到破坏,冻融次数的增加会令孔隙的有序性有所回升。并基于试验已取得的冻融作用下土体宏观物理性质与微观孔隙结构变化研究成果,结合灰色关联法,找出了与宏观参数变化最相关的微观孔隙参数,建立了宏、微观参数之间关系模型,进一步解释土体力学性质劣化的微观原因。

关键词： 道路工程   寒区公路   沥青混合料   厂拌热再生   冻融循环  

摘要： 寒区冻融作用频繁,造成沥青路面性能损伤严重且呈现加速破坏趋势,进入大修阶段里程显著增长,产生大量的废旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)。针对高效利用RAP以及寒区的典型冻融环境,本研究聚焦寒区沥青路面厂拌热再生技术和再生沥青混合料性能,从大掺量厂拌热再生料的原材料宏微观性能、再生工艺优化、配合比设计、冻融损伤规律以及实际工程应用等方面进行了系统性研究。本文的主要研究工作和研究结论如下: 首先,分析了寒区RAP原材料的性能,从宏微观角度明确了再生沥青及复配再生集料的性能恢复特点、再生沥青低温性能提升规律以及复配再生集料的掺配比例。结果表明,寒区RAP旧沥青老化程度高,低温性能严重下降,RAP旧集料细化明显。再生剂及新沥青的复合再生提高了再生沥青的高温流变性能和低温抗裂性;添加玄武岩纤维可增强再生沥青的低温性能,有效平衡再生沥青组分,降低氧化基团和硫化基团;随新集料掺配比例增大,复配再生集料的损失率明显下降,结合再生集料宏细观性能,推荐选用A50规格复配再生集料(RAP旧集料与新集料在0～4.75、4.75～9.5、9.5～13.2和13.2～19mm四档规格以1:1比例进行复配)。 其次,基于传统再生方法,提出了适用于寒区厂拌热再生沥青混合料的分档再生工艺,进行了三种RAP掺量的再生沥青混合料配合比设计。结果表明,与传统再生方法相比,分档再生工艺制备的再生沥青混合料更为密实,抗变形能力更高;分档再生工艺下的再生沥青混合料高温稳定性略逊于传统再生沥青混合料,但其低温抗裂性和水稳定性更优越。 再次,结合寒区气象参数和环境条件,确定了室内冻融循环试验参数,进行了大掺量分档再生和传统再生的厂拌热再生沥青混合料冻融循环试验,分析了两种再生沥青混合料的宏观和细观性能演变规律。结果表明,高次数(15、20次)冻融作用对再生沥青混合料的宏观性能破坏严重,降幅分别达到28.6%和40.5%;不同冻融循环作用下,分档再生沥青混合料的力学性能和路用性能均优于传统再生沥青混合料;随着冻融循环次数增加,两种再生沥青混合料的细观孔隙结构逐渐发生变化,但分档再生料的空隙率变化、空隙数量和分形维数更为稳定。灰色关联分析表明,冻融循环作用下,分档再生料的三个细观特征参数与疲劳性能灰关联度较高,基于分档再生料疲劳性能变化规律所构建的冻融损伤演化模型可预测分档再生料经冻融循环作用后损伤度变化。 最后,结合沥青路面大修实际工程,开展了路面病害分析和路面综合检测,确定采用AC-20、RAP掺量为60%的分档再生工艺,铺筑大掺量厂拌热再生沥青路面试验段。经检测,试验段路面的渗水系数和压实度等满足要求;与室内分档再生料相比,路面芯样经5次和10次冻融循环作用后破坏弯拉强度平均降幅为8.1%,满足规范要求,而与室内传统再生料相比,疲劳寿命的平均增幅为10.22%,表明分档再生工艺能够有效提升再生沥青路面的耐久性,对寒区沥青路面大掺量厂拌热再生具有更高的适应性,为沥青路面再生提供了新视角和依据,有助于推动大掺量沥青路面再生技术在寒区的应用与发展。