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关键词： 轻质土   力学性能   聚苯乙烯泡沫颗粒   复合固化剂   矿渣掺量  

摘要： 聚苯乙烯泡沫（EPS）颗粒轻质土是一种新型的人工岩土材料，具有低密度高强度的特点，在工程中应用前景广泛。为促进 EPS 轻质土在工程中的广泛应用，采用矿渣替代部分水泥作为固化剂，能降低工程造价，提高EPS轻质土固化效果。在当今资源短缺的加剧与环保意识的增强的情况下，矿渣 EPS 混合轻质土正好符合我国绿色生产的理念，其研究成果可为工程设计和应用提供参考。　　本研究以湖北武汉地区黏土作为原料土，EPS 颗粒为轻质材料，矿渣-水泥为复合固化剂，水为一般自来水。通过对不同 EPS、复合固化剂、矿渣掺量的轻质土开展无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验，分析了矿渣 EPS 混合轻质土力学性能，借助电镜扫描SEM、核磁共振NMR以及XRD试验分析了矿渣EPS混合轻质土微观形貌、孔隙结构和矿物组成，主要研究成果如下：　　(1) 矿渣 EPS 混合轻质土的密度主要受 EPS 掺量影响，随 EPS 掺量增大而非线性降低，降低幅度逐渐减小，固化剂掺量的变化对矿渣 EPS 混合轻质土密度影响不大。　　(2) 在无侧限抗压变形特性研究中，矿渣 EPS 混合轻质土随 EPS 掺量的增加，峰值应力减小，破坏应变增大，曲线趋于平缓，表现出脆性向塑性转变;固化剂对峰值应力提升明显，但EPS掺量超过3%时，混合土的占比空间大幅度减小，EPS阻隔了部分颗粒间的联结，固化剂的粘接作用减弱;适量矿渣能增加峰值应力， 30%掺量时峰值应力最大;矿渣 EPS 混合轻质土的破坏形态分为剪切破坏和张裂破坏，未添加矿渣的轻质土通常表现出较脆的特性，掺有矿渣的轻质土整体性更好。　　(3) 在无侧限抗压强度试验中，矿渣-水泥复合固化剂的加固效果优于单掺水泥;无侧限抗压强度随EPS掺量增大而显著降低，与EPS掺量呈指数关系，随固化剂掺量增大而增大，与固化剂掺量呈线性关系;在一定的矿渣掺量范围内，轻质土的抗压强度随矿渣掺量的增加而增大，矿渣掺量30%时无侧限抗压强度最高，超过 30%后，轻质土的强度降低，无矿渣的轻质土试样与矿渣含量在 60%左右的轻质土试样强度相当。　　(4) 在三轴 CU 试验中，矿渣 EPS 混合轻质土的应力-应变-孔压曲线具有硬化与软化两种特性，材料的掺量与围压共同决定轻质土的应力-应变-孔压特性;变形模量随 EPS 掺量的增大而线性减小，随着围压增加而增加;低围压下，试样有明显的剪切带，剪切破裂面倾角大约为45°，在高围压下，试样整体收缩，无明显的剪切带;随 EPS 掺量的增加，抗剪强度参数均呈现下降趋势;矿渣掺量的增加，黏聚力和有效黏聚力先增大后减小，内摩擦角与有效内摩擦角无明显的变化规律。　　(5) 通过扫描电镜观察，矿渣EPS 混合轻质土强度主要来源于其内部发生的水化反应，形成了片状及网状的胶结结构，主要承担外荷载的作用，直接影响其力学性能。核磁共振试验表明：一定量矿渣掺入时，轻质土的孔隙数量和孔径随之减小。XRD试验结果表明：在掺有适量矿渣的轻质土中，内部水化反应产生了大量的C－S－H和C－A－H等凝胶产物，在混合土的微粒之间形成了强力的联结，并填补了颗粒间的孔隙，使结构更为密实，进而提升了轻质土的强度。

关键词： 土力学   能量桩   热–力响应特性   模型试验   温差梯度   饱和黏土  

摘要： 针对能量桩热–力响应的研究主要考虑竖向荷载，考虑水平荷载影响的研究较少，为探究水平受荷能量桩的热–力响应特性，基于模型试验分析饱和黏土中水平受荷能量桩在不同温差梯度下的桩顶位移、桩身弯矩、孔隙水压力和桩前土压力等的变化规律。研究结果表明：对桩体的加热和制冷均会引起额外的桩顶位移，并且制冷引起的额外桩顶位移更大，达到0.22%D(D为桩体直径)，而加热引起的额外桩顶位移为0.13%D；加热和制冷后桩体的极限承载力与测试桩相比均有所增大，并且加热后增大得更多，约增加32.7%，而制冷后约增加26.1%，这是因为与制冷相比，加热时的热固结效应会导致土体的强度明显增加；加热和制冷对最大弯矩的位置没有明显影响，加热和制冷前、后最大弯矩均出现在37.5%L(L为桩的埋深)深度处；加热和制冷后最大弯矩均增大，制冷时最大弯矩先增大，然后逐渐稳定，而加热时最大弯矩先减小，然后逐渐增大，并超过加热前的弯矩，在此期间桩顶位移持续增大，推测加热初期桩体可能发生了刚性转动；加热和制冷会对桩前土压力造成不同影响，总体表现为上部增大，下部减小；加热和制冷会导致土体孔隙水压力随温度发生变化，从而产生正的或负的超孔隙水压力。

关键词： 非饱和土   石灰改良黄土   持水特性   强度特性   边坡稳定  

摘要： 黄土在我国西北季冻区分布广泛,由于其湿陷性强因此常用石灰对其进行改良。鉴于冻融循环作用对石灰改良黄土的持水特性和强度性能影响显著,本文通过室内试验分析了土样在常温下和冻融循环作用下的吸力和强度变化规律,随后基于试验数据使用MIDAS GTS NX软件模拟并分析了降雨和地震工况下边坡的稳定性。主要研究成果如下: (1)通过滤纸法测定了不同灰土比、压实度和硫酸钠含量下土样的总吸力和基质吸力变化情况,并采用Gardner模型对基质吸力进行了拟合。实验结果表明:灰土比越接近最优灰土比、最大干容重越大和硫酸钠含量越高则其总吸力越大,并且硫酸钠含量越高,其总吸力变化速率越快。压实度和硫酸钠含量对基质吸力的影响主要集中在吸力低于100k Pa的范围内,而灰土比则主要影响土体的进气值。 (2)利用已测得的数据对Gardner模型进行了修正,建立了考虑灰土比的Gardner曲面耦合模型。并对不同石灰改良黄土的渗透系数利用CCG模型进行了预测分析,得到了基质吸力与渗透系数的拟合函数关系式。 (3)通过pF meter和Hydro Probe传感器监测了素黄土和石灰改良黄土在冻融过程中温度、含水率和基质吸力的实时变化情况。实验结果表明:在冻融过程中,土体含水率的变化曲线可分为3个变化阶段。素黄土与石灰改良黄土分形维数的不同是造成土体温度-含水率曲线滞回圈差异的主要原因。两种土体的土水特征曲线滞回圈面积先均先增大后减小,但滞回圈面积不同。 (4)通过无侧限抗压强度试验和直剪试验,对不同类型的石灰改良黄土土样在冻融循环下强度变化规律进行了分析。试验结果表明:在冻融循环过程中,养护龄期越短、含水率越高和硫酸钠含量越高土样的强度损失越大且强度越难达到稳定,并在最优灰土比时,冻融作用下强度损失最小。 (5)通过MIDAS GTS NX软件,使用强度折减法对降雨和地震工况下高填方黄土边坡进行了稳定性分析。分析结果表明:在降雨工况下,边坡的渗透流速减小,孔隙水压力、位移和应变增大。浅层冻融对于高填方改良黄土边坡安全性影响很小。在地震工况下,边坡内部的最大剪力主要分布在边坡底部,边坡安全系数的变化与地震加速度时程曲线相对应,加速度幅值越大,安全系数越小。

关键词： 预置骨料灌浆法   骨料骨架   水泥浆   水泥有效使用率   机理分析  

摘要： 传统混凝土搅拌浇筑需要大型搅拌设备,并存在泵送堵管风险,给施工带来不便。偏远地区建筑工程若缺乏搅拌站、运送车、搅拌设备,传统混凝土搅拌浇筑方式无法开展。针对该状况,本研究探索预置骨料灌浆浇筑方式以解决问题。该浇筑方式先将混合骨料填入模具中振实作为骨料骨架,再将水泥浆沿着模具的边缘均匀浇灌在骨料上方,依靠水泥浆自流平能力渗透填满骨料间的空隙完成浇筑。本文主要研究了骨料粒径分布和水灰比对预置骨料灌浆混凝土的可灌浆性、力学性能、水泥有效使用率及耐久性能的影响规律,并从宏观和微观方面分析其影响机理,最终得到抗压强度最高的配比和水泥有效使用率最佳的配比。研究发现,预置骨料灌浆混凝土的性能主要取决于骨料骨架的填充密度、水泥浆的流动性、间隙通过性和粘附性。为了提高混凝土的水泥有效使用率和力学性能,本文在水泥有效使用率最佳的配比的基础上,分别用机制砂等体积替换粗骨料以提高骨料骨架的填充密度;用端钩钢纤维等体积替换粗骨料以改善骨料骨架的弹性极限;用石灰石粉等质量替换硅酸盐水泥以节约水泥的使用量;用硫铝酸盐水泥等质量替换硅酸盐水泥以实现更绿色低碳的原材料。结果表明,适量的端钩钢纤维替换骨料可以在骨架中形成乱向分布的钢纤维的致密网状系统,使骨料骨架得到强化;适量的机制砂掺入可以扩充混凝土的粒径分布,提高骨料的填充密度;适量的石灰石粉或硫铝酸盐水泥替换硅酸盐水泥,可以提高水泥浆的可灌浆性,改善水泥浆的水化程度,从而提高预置骨料灌浆混凝土的各项性能。主要研究成果如下: 首先,可灌浆性主要受骨料骨架的填充密度和水泥浆的工作性能影响。填充密度较小、水泥浆流动性和间隙通过性较大、粘附性较小时,混凝土的可灌浆性较好。粒径分布广泛会提高骨料填充密度而降低可灌浆性,而较高的水灰比能提高水泥浆工作性能,从而提高可灌浆性。适量端钩钢纤维替换粗骨料,可以优化预置骨料灌浆混凝土的可灌浆性,替换量以2%最佳。 其次,预置骨料灌浆混凝土的力学性能,如抗压强度、抗折强度、抗劈裂强度及超声波脉冲速率,也与骨料骨架的填充密度和水泥浆的工作性能有关。通过调整粗骨料粒径分布比例(越广越好)、水灰比(W/C=0.2)、以及通过适量添加端钩钢纤维(1.5%)、机制砂(10%)、石灰石粉(10%)、硫铝酸盐水泥(25%)等,可以有效提高混凝土的力学性能。 此外,水泥有效使用率,即单位体积混凝土中水泥的使用效率,取决于混凝土的抗压强度和水泥消耗量。通过选择合适的水灰比(W/C=0.25)、使用机制砂替换部分粗骨料(10%)、选择适量的硫铝酸盐水泥(25%)和石灰石粉(10%)替换硅酸盐水泥,均可以提高水泥有效使用率。 最后,预置骨料灌浆混凝土的耐久性,包括吸水率、收缩值以及对碳化、硫酸根离子、氯离子的抗性,也受骨料骨架填充密度、材料性能及水泥浆工作性能的影响。通过适量掺入端钩钢纤维(1.5%)、机制砂(10%)、石灰石粉(10%)以及任意掺量的硫铝酸盐水泥,均可以起到优化混凝土的耐久性的作用。 预置骨料灌浆混凝土的可灌浆性与力学性能成相反关系,可灌浆性好的配比,往往强度较低。设计混凝土的最终配比还要从实际工程需求出发,尤其是要平衡可灌浆性和力学性能的需求。对于强度有较高要求的工程项目,可选择提高骨料的填充密度,降低水泥浆水灰比;对于施工速度有较高要求的工程项目,在满足强度的条件下,可选择降低骨料的填充密度,提高水泥浆水灰比;若强度和可灌浆性都满足要求,则可进一步选择水泥有效使用率最高的配比。

关键词： 土力学   黄土隧道   液化   动剪应力修正系数   动孔隙水压力   动三轴试验   静剪比   动剪比   振动台试验  

摘要： 我国黄土广泛分布，其大多数处于高烈度地震区，历史上多次强震都曾由于触发饱和黄土液化所致系列重大灾害。同时近年来铁路隧道运营事故频发，其中已有的黄土隧道翻浆冒泥、错台及拱顶掉块等病害引起众多学者重视。目前对振动作用(地震振动和列车振动)触发隧道饱和黄土围岩液化问题的认知不足，对围岩液化引起隧道结构次生风险病害的预判缺失。本研究以铁路隧道频发的翻浆冒泥、仰拱开裂及错台等病害为启示，以饱和黄土振动液化该土动力学热点科研问题为切入点，重点依托在建兰州至合作铁路某隧道黄土段，综合采用理论分析、动三轴试验、室内土工测试、大型振动台试验、隧道现场监测和数值模拟等多种方法，研究了影响地震荷载作用下隧道饱和黄土围岩液化的主要因素，分析了隧道饱和黄土围岩在地震荷载或列车荷载作用下的液化机制，得出了隧道围岩液化的特征，并给出了围岩液化可能引起的隧道结构致灾风险等级。通过研究得出：(1)隧道结构的存在显著提高了其围岩土体的动剪应力修正系数rd，其中明挖法施工隧道主要在拱顶和起拱线位置，矿山法施工隧道主要在拱顶和仰拱位置；隧道等效直径D是影响rd最显著的因素，隧道跨度B和土体变形模量Es对rd影响显著，隧道衬砌的厚度t和弹性模量Ec较显著，衬砌材料重度γ影响不显著；对修正系数rd的影响随隧道埋深h的增加而减小，且减小速率逐渐减小，当h>60 m时趋于稳定。(2)土样最大破坏面上的静剪比αs和动剪比αd是影响土样液化的关键因素，随着其增大，饱和黄土样的液化势被显著提高；在低频动荷载作用下饱和黄土更易产生液化破坏；在振动荷载作用下孔压的增长规律和消散规律，推导出地震荷载和列车振动荷载叠加作用下的液化判别公式，和前后列车叠加作用下的液化判别公式。(3)在地震作用下，黄土颗粒发生剪切收缩，孔隙水压力增加，土颗粒间的有效应力进一步减小，导致土体抗剪切能力迅速下降而产生液化。土–结构相互作用显著提高了隧道结构周围黄土的液化势。在地震作用下，隧道周围的土体会先于远离隧道的土体液化，而液化黄土层又减弱了地震荷载从底部向顶部的传递，进而影响土体的加速度、动剪应变和动压应力随地震荷载加速度的变化。液化黄土的流动性与刚拌合好的普通C30混凝土的流动性相似，与其初始状态相比，液化黄土密度减小，稳定性丧失。(4)大地震(汶川地震)的隧道围岩比中震(夏河地震)的隧道围岩更容易触发液化，且液化范围也更大；地震荷载相同条件下，隧道断面整体处于饱和状态时比隧道断面仰拱以下部位黄土处于饱和状态时更易液化，产生的液化范围也更大。(5)在列车振动荷载作用下：隧道研究断面的围岩应力条件下，仰拱厚度满足设计要求时，普通列车振动荷载不会引起仰拱基底饱和黄土的液化；仰拱厚度不满足设计要求时，在仰拱基底中心部位先产生液化，后序列车荷载作用使得液化部位逐渐扩展，最终致使仰拱基底饱和黄土全部液化。(6)地震动荷载引起隧道基底饱和黄土围岩局部液化时，后序列车荷载使得液化区域逐步扩张，最终使得整个仰拱基底围岩触发液化。在列车循环荷载作用下失去支撑的隧道基底振动剧烈，使得隧道产生衬砌开裂、错台、翻浆冒泥和整体道床下沉等病害，严重影响列车运行安全。最后根据地震荷载、列车振动荷载，及其叠加作用引起隧道饱和黄土围岩可能致灾程度划分出风险等级。

关键词： 膨胀土   冻融循环   三轴试验   统计损伤模型   Weibull分布  

摘要： 膨胀土是一种含有大量亲水性的次生矿物的黏土,在世界范围内具有十分普遍的分布。在土木工程,水利工程,交通工程等工民建领域中,由膨胀土引发的工程问题越来越多。在选择膨胀土作为路基材料时,由于受到气候条件的影响,其自身力学特性和变形特性会发生改变。因此,选用膨胀土作为路基材料填筑时其力学特性与变形特性的变化是岩土工程研究中的受到关注的问题之一。延边地区地处吉林省东部地区,近些年随着高速公路与高速铁路修建,在该地区发现大量的膨胀土存在。膨胀土存在“三性”,即胀缩性、裂隙性、超固结性,这些特性使得膨胀土会发生吸水膨胀强度衰减,失水时体积收缩产生变形。膨胀土独特的工程特性导致在修建浅表层建筑时对建筑物产生安全隐患,如路面塌陷、边坡滑坡等。同时吉林省延边地区是一个典型的季节性冻土区,冬天漫长、昼夜温差很大,当选用膨胀土作为路基填料使用时,土体会处于自然环境中,受到冻融循环作用的影响,易发生冻胀等病害对相关工程后期的修护带来困扰,对于公路运营和行车安全也会造成影响。鉴于上述原因,展开针对受冻融循环影响下的路基膨胀土的相关研究是十分有必要的,以便于后续对于路基的整体稳定性、路基面的平顺状态、路基填料的抗冻性等能力进行研究。因此针对季冻区膨胀土的损伤模型研究仍然具有实际的工程意义。 鉴于上述原因,本文结合国家自然科学基金“寒旱区复杂环境下苏打型盐渍土水盐迁移机理研究”(42207209)、吉林省教育厅科学研究项目重点课题“干湿冻融循环作用下吉林省延边地区路基膨胀土灾变演化机制及改良研究”(JJKH20230345KJ),选取吉林延边地区新岩村附近G302国道路基膨胀土为研究对象,开展一系列室内试验:包括物理性质试验、膨胀性试验、冻融循环影响下的三轴试验和变形特性试验,探讨了该地区膨胀土的工程性质。依托前述获得的试验数据为基础,基于连续损伤理论,推导并验证了冻融循环影响下的路基膨胀土统计损伤模型,证明了其可靠性。为当地后续的膨胀土施工提供了一定的参考价值。本文主要工作和成果如下: (1)对吉林延边G302国道的路基土进行现场调查取样,并对取来的土样开展了一系列的室内试验,包括击实试验、比重试验、界限含水率试验、颗粒分析试验、自由膨胀率试验、无荷载膨胀率试验、收缩试验。得到了膨胀土常温下塑限、液限、塑性指数、土粒比重、最优含水率、最大干密度、自由膨胀率、无荷载膨胀率、线缩率、体缩率等指标,根据塑性图对土类进行了判别,判定其为高液限黏土。根据规范对膨胀土的膨胀潜势进行了分类,将其分类为中等膨胀潜势膨胀土。对该地区膨胀土的工程性质有了认识和了解。 (2)以基础物理试验所得到的相关参数为基础,对吉林延边地区膨胀土进行冻融循环影响的力学性能和变形特性的研究。获得了其不同围压下、不同冻融循环次数下的应力-应变曲线和不同冻融循环影响下的冻胀率和体积变形。探讨了冻融循环对其力学性能和变形特性的影响。 (3)根据冻融循环影响下得到的吉林延边地区膨胀土的应力-应变曲线结果为基础,引入了连续损伤理论、Weibull分布为强度准则和应变等价假设对冻融循环影响下的路基膨胀土进行了统计损伤模型的推导和验证,结果表面该模型可以有效地反映冻融循环对路基膨胀土的影响,与实际试验曲线吻合度较高,有一定的工程参考价值。

关键词： 金矿尾矿灰   混凝土   抗压强度   劈裂抗拉强度   抗冻试验   抗碳化试验   SEM  

摘要： 为进一步探究金矿尾矿灰对混凝土力学及耐久性能的影响,将不同质量的金矿尾矿灰按照一定比例掺入到混凝土中,进行抗压强度、劈裂抗拉强度、抗冻试验、抗碳化试验,并利用微观测试手段(SEM)进一步探究金矿尾矿灰对混凝土的影响机理。结果表明:不同掺量的金矿尾矿灰混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度均呈先增加后降低趋势,且强度随养护周期增加而增加,相同养护周期条件下W4=15%的混凝土抗压与抗拉强度均达到最大;掺入金矿尾矿灰可有效提高混凝土抗冻性能与抗碳化性能,这与金矿尾矿灰填充效果和生成的胶凝物质有关;SEM图片显示掺入金矿尾矿灰可减少混凝土孔隙,使颗粒接触更加紧密,而过量金矿尾矿灰易导致团聚,无法有效填充孔隙。

关键词： 鱼骨粉   混凝土   力学性能  

摘要： 为探究鱼骨粉掺量变化对混凝土的影响,实验采用分别在300℃、500℃高温下煅烧成粉末状的鱼骨粉作为原材料,通过等质量替换成0、5%、10%、15%的水泥进行实验制备混凝土,探究不同煅烧温度、不同掺量鱼骨粉在一定养护龄期内对混凝土的抗压强度、抗折强度的影响规律。采用后掺法制备鱼骨粉混凝土,先将水泥、粗骨料和细骨料放入混凝土搅拌机中搅拌均匀;再将水泥、砂子和石子按一定比例的拌合物润湿,最后加入鱼骨粉进行搅拌混合。与不掺鱼骨粉的混凝土相比,添加鱼骨粉的混凝土抗压强度增大了7.8%~15.9%,抗折强度增大了1.78%~3.55%,总的来说,鱼骨粉可以提高混凝土的强度。

关键词： 硅锰渣   硅灰   免蒸压   加气混凝土  

摘要： 采用一定配比的含硅原料硅锰渣和硅灰,分别以不同的总质量比率(25%、50%、75%)替代粉煤灰,使用免蒸压工艺制作加气混凝土,并分析其干密度、质量含水率、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度的动态变化规律。结果表明,掺入含硅原料时,随着原料比率增大,干密度增长幅度较为明显,质量含水率与劈裂抗拉强度存在较小波动,抗压强度随着水胶比的变化而呈现规律性变化。其中,当硅锰渣与硅灰以25%取代粉煤灰时混凝土具有最高抗压强度,此发现对于环保节能及增强材料性能具有重要意义。

关键词： 煅烧纳米凹凸棒土   再生混凝土   力学性能   抗压强度   劈拉强度  

摘要： 为探究500℃煅烧纳米凹凸棒土(CNAT)对再生混凝土力学性能的影响,以CNAT掺量及再生骨料取代率作为变量制备纳米再生混凝土并进行抗压强度、劈拉强度试验,并采用电子显微镜(SEM)观察再生混凝土内部微观结构的变化,以期得出CNAT对再生混凝土力学性能的影响规律和改善机理。结果表明:再生混凝土抗压、劈拉强度,随CNAT的掺入呈先升高后降低的趋势,在CNAT掺量为6%对再生混凝土的力学性能改善效果最好;CNAT的掺入可以促进水化反应,生成更多C-S-H,填充再生混凝土孔隙,增强混凝土密实性。