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关键词： 黄原胶   循环荷载   应力历史   强度特性   累积应变  

摘要： 由于黄土具有承载能力低、孔隙率大、自身黏结能力弱等不良工程特性,不能直接将其作为路基填料进行路基填筑,否则将出现路基不均匀沉降、路面开裂等一系列病害,造成巨大经济损失及人员伤亡,严重影响当地经济的快速发展。然而,传统水泥改良法存在CO2排放高、能源消耗大、环境污染严重等问题,因此探索绿色、低碳、高效的环境友好型固化剂成为亟待解决的关键科学问题。此外,应力历史对土体力学性质存在较大影响,在受到同等应力水平时,不同应力历史条件下土体所表现出的力学性质有所不同。鉴于此,本文采用环境友好型固化剂（黄原胶）对黄土进行改良,开展直剪及静三轴剪切试验、电镜扫描试验、单级循环荷载试验、循环荷载后静三轴剪切试验、分级循环荷载试验,深入研究长期循环荷载作用下黄原胶改良黄土力学特性,本文的主要研究内容及成果如下: （1）基于静三轴剪切试验,研究了改良黄土的静力特性及其影响因素。结果表明:黄原胶能有效地增强黄土的抗压强度,随着黄原胶掺量的增加,改良黄土三轴抗压强度呈现出先增大后减小的趋势,当掺量为2%时破坏应力最大,土体强度、内摩擦角和粘聚力分别提高67.2%、34.44%、53.7%。随着养护龄期的增加,改良黄土强度随之增加,且前14天内改良黄土的强度提升较快,14天后提升较慢。由于黄原胶能有效地削弱水对土体强度的弱化效应,使得当黄原胶掺量为2%时,随着含水率增加,改良土强度下降幅度小于素土。 （2）基于扫描电镜试验（SEM）,从微观层面上揭示了黄原胶改良土的加固机理。结果表明:改良土中黄原胶能与水反应生成絮状、网状的胶结物,不仅能够提高土颗粒之间的胶结能力,还能够达到填充土中孔隙的效果,进而提高土体的工程特性。 （3）充分考虑应力历史对土体力学性质的影响,基于循环三轴试验,研究了长期循环荷载作用下改良黄土累积变形及强度弱化规律。结果表明:无静偏应力预压时,随黄原胶掺量的增加,改良土累积应变先减小后增大,且在掺量2%时到达最低点。累积应变随含水率、动应力幅值增大而增大,随养护龄期、固结围压、振动频率增大而减小,其中含水率对土的累积应变影响最为显著。经过静偏应力预压后,改良土在循环荷载作用下产生的累积应变大幅减小,且静偏应力120～180k Pa时,累积应变随静偏应力增大而减小。此外,预压静偏应力及循环荷载都将导致改良黄土抗压强度下降。 （4）基于分级循环荷载试验,研究了黄原胶改良黄土动力特性。结果表明:改良黄土破坏动应力随黄原胶掺量增加先增大后减小,在掺量2%时试样破坏动应力最大,较之素土强度提升77.8%。黄原胶改良黄土破坏动应力随养护龄期、固结围压、振动频率增大而增大,随含水率、单级循环次数增大而减小。

关键词： 赤泥渗滤液   粉煤灰   改性黏土   力学强度   微观结构  

摘要： 近年来,尾矿库的生态安全问题频发,出现了尾矿库底部防渗材料被渗透破坏,防渗系统失效,污染物质泄露等问题。针对我国赤泥尾矿库地下黏土防渗层的重大水土污染防治需求,本论文拟采用粉煤灰改性黏土的方式,研究在赤泥渗滤液作用下,压实粉煤灰改性黏土的力学强度以及微观孔隙结构的变化。主要研究成果如下:（1）通过渗透试验,测定压实粉煤灰改性黏土随着赤泥渗滤液渗透其渗透系数的变化。结果表明,在赤泥渗滤液渗透前期,随着粉煤灰掺量的增大,压实改性黏土的渗透系数由3.16×10-11m/s变化到1.07×10-10m/s,渗透系数逐渐变大。在渗透试验后期,不同掺量的压实改性黏土并不单纯的表现为随掺量增大的同时渗透系数增大,8%掺量的改性黏土渗透系数稳定后为5.98×10-11m/s,比4%和6%掺量的改性黏土都要小,而0%掺量纯黏土仍表现为最小的渗透系数9.87×10-12m/s。（2）通过剪切试验及固结压缩试验,测定压实粉煤灰改性黏土随着赤泥渗滤液的渗透,其抗剪强度、黏聚力等力学特性变化。结果表明,经过赤泥渗滤液渗透的情况下,压实改性黏土的抗剪强度随渗透时间的增长而下降,而经过同种渗透天数后的压实改性黏土抗剪强度表现为随着粉煤灰掺量的增大而增大,掺量高的压实改性黏土抗剪强度下降幅度更小。在200k Pa垂直压力下,渗透14天后,0%掺量黏土抗剪强度比4%掺量黏土抗剪强度小10.07k Pa,比8%掺量黏土抗剪强度小22.63k Pa;渗透60天后,0%掺量黏土抗剪强度比4%掺量黏土抗剪强度小13.57k Pa,比8%掺量黏土抗剪强度小23.97k Pa。随着赤泥渗滤液的渗透,压实改性黏土的黏聚力不断减小,掺量高的压实改性黏土表现的黏聚力降幅更低。经过了60天的渗透后,8%掺量改性黏土的黏聚力下降了15k Pa,下降幅度为20%,0%掺量改性黏土的黏聚力下降了19k Pa,下降幅度为31%。（3）利用电镜扫描仪及BET孔隙分析仪,分析粉煤灰改性黏土受赤泥渗滤液腐蚀前后颗粒块体、比表面积、孔径分布等微观孔隙结构的变化。结果表明,随着赤泥渗滤液的渗透,在微观层面上导致了土体原有的孔隙结构被破坏,颗粒块体变小,颗粒物变多,比表面积减小,孔径分布的单肩峰高度增高;而随着粉煤灰的添加,在微观层面上使土体结构更加紧实,颗粒物聚合,比表面积增大,孔径分布的单肩峰高度降低。通过对压实粉煤灰改性黏土开展渗透试验、力学试验和微观分析,探讨压实粉煤灰改性黏土在赤泥渗滤液渗透下的力学强度、微观孔隙结构变化,为赤泥尾库矿地下黏土防渗层的研究提供一定的理论参考。

关键词： 改良黄土   羟乙基纤维素   间歇循环荷载   强度   累积变形  

摘要： 黄土的结构疏松,孔隙大,胶结弱,抗剪强度低。在季节性冻土区,受冻融作用和列车长期循环荷载共同作用,黄土物理力学性质发生剧烈变化,工程性质进一步变差,会引起路基不均匀沉降、冒泥翻浆、裂缝、错台等一系列病害,严重威胁了人民的生命和财产安全,制约了当地经济发展。然而,传统的加固材料水泥的生产伴随着氮氧化物等污染物的大量排放,会造成严重的环境污染。因此,探索一种环保、绿色、高效的新型改良剂成为亟需解决的科学问题。羟乙基纤维素(HEC)作为一种高分子材料,无毒无害,其水溶液具有良好的水稳性,常用于涂料、石油、化妆品等行业,还未用于改良土领域。鉴于此,本文以羟乙基纤维素作为改良材料对兰州黄土进行改良。通过冻胀试验、MTS静三轴试验、电镜扫描和动三轴试验,分析羟乙基纤维素改良黄土的冻胀特性、静力学性能、动力变形特性。本文主要研究内容和成果如下:(1)HEC改良黄土最优掺量。通过对HEC不同掺入方式下的改良土进行三轴压缩试验研究发现以粉末形式和溶液形式加入土体都能有效提高黄土强度。HEC以粉末形式掺入土体的改良土在短期内强度随掺量上升而上升,但随着养护时间增加,出现强度衰减现象,改良土强度不稳定。以溶液形式进行改良时,改良土强度随改良剂中HEC含量增加先增后减,考虑稳定性的情况下,改良剂中HEC的最优掺量为2%。(2)HEC改良黄土微观形成机理。基于扫描电镜试验,从微观层面上揭示了HEC粉末改良土的机理。结果表明:改良土中HEC粉末有填充孔隙、包裹土颗粒、形成三维网络连接分散颗粒三个作用,HEC粉末掺量较低(1%)时,以填充作用为主,掺量较高时同时发挥上述三种作用。(3)HEC改良黄土冻胀特性。通过开展HEC溶液改良土冻胀试验发现HEC溶液对土体的冻胀性有显著的抑制效果。改良土冻胀率随改良剂中HEC含量的增加显著降低,含量为2%时,冻胀率仅有0.083%。(4)HEC改良黄土的动力学特性。基于间歇荷载试验,研究了应力历史(预压应变)、动应力幅值、冻融循环次数对改良土累积应变与动弹性模量的影响。结果表明:250k Pa动应力幅值内改良土的累积应变曲线皆为稳定型,单次振动产生的残余应变与累积变形随动应力幅值,冻融循环次数的增大而增大,随预压应变的增大而减小。10次冻融循环后,累积塑性变形逐渐趋于稳定。动弹性模量随着预压应变(1%～4%)增长而显著上升;动弹性模量随动应力幅值先增后减,50～200k Pa动应力幅值范围内上升,在250k Pa时下降。(5)考虑间歇性循环荷载历史对静力学特性影响。充分考虑动荷载应力历史对土体抗压强度的影响,研究了间歇荷载、预压1%～4%应变后间歇荷载与持续振动1万次3种应力历史条件对改良黄土抗压强度的影响,研究结果表明持续性振动会降低土体强度。动应力幅值100k Pa、振动频率2Hz动荷载作用前对土体进行预压0～3%应变能显著提高土体强度,预压4%应变土体强度降低。

关键词： 锌污染红黏土   活性氧化镁   二氧化碳碳化   力学特征   固化机理  

摘要： 广西是“有色金属之乡”,有色金属矿产资源开采、冶炼加工等产业链带来经济效益的同时,也伴随着环境污染,重金属污染对土壤和水资源造成破坏,其中锌污染在岩土工程施工备受关注。目前,常采用水泥对重金属污染土进行治理,但水泥材料生产应用对环境有着负面影响,因此寻找其他固化剂替代的试验研究是有意义的。氧化镁碳化作为一种新型固化技术,有着高效、节能、绿色的特点,但在重金属污染土治理中应用较少。本文以锌离子污染红黏土为研究对象,研究活性氧化镁碳化技术对其固化后的力学特性及其固化机理。主要研究结论及成果如下:(1)分析不同初始因素下,活性氧化镁碳化固化锌离子污染红黏土的物理特性变化。结果表明:试样的质量与体积等随着活性氧化镁掺量、碳化时间的增大而增大;而随着初始含水率、初始干密度的增大出现先增大后减小的变化情况;随着碳化时间的增加,试样变化特征尤为明显,由于碳化时间的增加,活性氧化镁与二氧化碳反应更加充分,使得其试样物理特征变化更加明显。(2)研究不同因素对活性氧化镁碳化固化锌离子污染红黏土力学强度的影响。结果表明:随着活性氧化镁掺量和干密度的增大,试样的无侧限抗压强度也随之增大;而随着锌离子污染的增大,试样的无侧限抗压强度也随之减小;但随着碳化时长和含水率的增大,无侧限抗压强度也出现先增大后减小的趋势。而变形模量变化趋势有所不同,变形模量随着锌离子污染浓度、含水率、干密度的增加而减小,随着氧化镁掺量的增加而增大,随着碳化时间的增加变形模型出现先增大后减少的变化趋势。(3)基于不同因素对活性氧化镁碳化固化锌离子污染红黏土试样无侧限抗压强度的影响,对单因素影响下,无侧限抗压强度变化情况进行线性拟合,获得单因素变量下的拟合公式。(4)通过微观试验揭示了活性氧化镁碳化固化锌离子污染红黏土的固化机理。研究结果表明:氧化镁碳化固化锌离子污染红黏土的主要碳化产物为水碳镁石、球碳镁石、水菱镁石和纤水碳镁石。锌离子浓度对碳化产物影响不大,而随着氧化镁掺量、初始含水率和碳化时间的增加,碳化产物的量也有所增加。不同其中镁式碳酸盐的生成可有效填充试样孔隙,增强土颗粒的胶结能力。

关键词： 青藏高原机场水泥道面   玄武岩纤维-橡胶混凝土   早期收缩   抗冻性   核磁共振  

摘要： 针对青藏高原地区气候干热,昼夜正负温差大,空气相对湿度低等典型气候特征,普通道面混凝土极易出现收缩开裂,季节性反复冻融作用会加速有害性物质渗透侵入裂缝,不断降低机场道面混凝土的耐久性能。此外混凝土浇筑完成后仅是半成品,后期的养护方法和养护时间是决定后期力学性能、耐久性能以及长期使用性能的关键。因此,寻找合适的养护方式对减缓上述问题也尤为重要。本文首先开展不同体积掺量玄武岩纤维、不同取代率橡胶颗粒与不同水灰比混凝土宏观力学性能试验,根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MH/T 5004-2010)规范要求,制备了符合力学性能设计指标的机场道面玄武岩纤维-橡胶颗粒混凝土。研究结果表明:抗压强度、抗折强度与劈裂抗拉强度都随着玄武岩纤维体积掺量的增加先升后降,橡胶颗粒掺量与抗压强度呈负相关,橡胶颗粒掺量增加时,混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度先升后降;减小水灰比,力学性能越好,玄武岩纤维体积掺量0.3%与橡胶颗粒的砂取代率为10%的共同作用下,机场道面混凝土抗折强度与劈裂抗拉强度提升效果最好。其次探究了玄武岩纤维掺量、橡胶颗粒掺量与水灰比对混凝土抗氯离子渗透性、体积稳定性、抗冻性和微观孔结构的影响,并结合扫描电镜试验,揭示了玄武岩纤维、橡胶颗粒作用机理,建立了早期收缩发展预测模型和抗冻融损伤预测模型。试验结果表明:玄武岩纤维可抑制混凝土基体内微裂缝的萌生,承担部分收缩应力。有效抑制混凝土抗氯离子渗透性、早期收缩和抗冻性。而弹性体橡胶颗粒的“填充”、“蓄水”与“引气”作用,优化了基体孔结构,延缓水分蒸发速率,缓解冻胀压力,使混凝土力学性能、抗冻性提高、早期收缩降低。建立的收缩预测模型较好的反映了玄武岩纤维-橡胶混凝土早期收缩发展变化特征,基于试验数据拟合的冻融损伤预测模型也较好的反映了混凝土冻融损伤变化规律。最后对玄武岩纤维-橡胶混凝土试件进行了土工布养护、养护膜养护和橡塑板+养护膜养护三种“包裹”式养护,并与标准养护和自然养护混凝土性能进行对照。试验选取干热与干寒、正负大温差恶劣气候条件进行宏观力学、早期收缩、微观孔结构测试,测试内容有不同养护方式持续时间混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和早期收缩,并结合核磁共振试验,探究了不同养护方式对早期收缩的抑制效果与不同养护方式持续时间对混凝土强度影响规律。试验结果表明,干热环境条件和干寒大温差环境下,橡塑板+养护膜养护混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度较自然养护效果较显著,其次为养护膜养护,土工布养护效果最差;在早期收缩方面,干热环境条件下养护膜养护效果最佳,土工布养护次之,橡塑板+养护膜养护早期收缩最大。

摘要： 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊，中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国科技论文统计源期刊，《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》全文收录，也是国际三大检索系统之一的美国《工程索引》（EI compendex）文摘收录期刊（光盘版）。

关键词： 轻骨料混凝土   浮石封孔   力学性能   冻融循环   孔结构   Weibull系统理论  

摘要： 本文利用浮石骨料开口孔隙吸附水玻璃溶液和粉煤灰,制备成一种新型骨料。测定骨料的龄期吸水率、表观密度和筒压强度,并依据体积法配置轻骨料混凝土。对混凝土进行了立方体抗压试验、清水冻融循环试验、5%Na2SO4盐蚀—冻融循环耦合试验,研究轻骨料混凝土的宏观力学和耐久性能,同时借助显微硬度测定仪、环境扫描电子显微镜、核磁共振仪,分析混凝土内部的微观变化规律,利用Weibull理论预测混凝土的耐久性能。主要研究内容和成果如下:（1）浮石骨料封孔处理可以有效填充浮石表面开口孔隙,降低轻骨料的龄期吸水率,为轻骨料保留更多内部空腔,同时增强轻骨料提高轻骨料的密实程度,提高轻骨料的筒压强度。（2）通过混凝土力学试验和微观试验研究表明:浮石表面封孔材料可以增强骨料与水泥石之间的粘结的强度,增强界面区显微硬度,使界面过渡区更加密实,混凝土受力均匀,从而提高了混凝土的立方体抗压强度,同时在立方体抗压试验中的“环箍效应”减弱。（3）通过轻骨料混凝土清水冻融循环试验和微观试验研究表明:封闭浮石开口孔隙可以改善轻骨料混凝土的抗清水冻融耐久性能,在一定程度上通过区间位于0～0.1μm的孔隙的孔隙变化可以初步判断混凝土冻融损伤程度。区间位于0～0.1μm的孔隙在冻融循环前后的变化程度越大,则混凝土抗冻性能越好。（4）通过轻骨料混凝土5%Na SO4盐蚀—冻融循环试验和微观试验研究表明:封闭浮石孔隙可以改善轻骨料混凝土的抗盐蚀—冻融循环耐久性,混凝土盐蚀—冻融循环作用下的损伤程度高于清水冻融,用相对动弹性模量指标来评价混凝土抗盐蚀—冻融耐久性更加精准。骨料预湿溶液中水玻璃含量为5%时,混凝土盐蚀—冻融耐久性最优。（5）通过weibull理论对各组轻骨料混凝土进行清水冻融循环和盐蚀-冻融循环寿命预测。结果表明weibull模型拟合优度良好,可以准确预测轻骨料混凝土在西北地区的服役寿命。

关键词： 三灰改良盐渍土   寒区   弹性模量   损伤模型   Weibull分布  

摘要： 碳酸盐渍土广泛分布在处于深季节冻土区的松嫩平原上。土体长期冻盐耦合作用下,其工程性能严重影响了地方区域建设与经济发展。在受冻融循环影响的冻土地区,盐渍土的力学性能比非冻土地区的盐渍土表现出更明显的恶化。无机改性作为经济有效改善土壤力学性能的方法已被广泛用于基础设施的运行中。然而,冻土区盐渍土的力学性能受到复杂影响因素的制约,导致其表现出很强的非线性力学特征,难以用传统的模型进行模拟。因此,冻土力学的主要任务之一是构建无机改良寒区盐渍土的本构模型。本文依托于冻土工程重点实验室项目《东北地区碳酸盐渍土冻融特性研究》(SKLFSE201919),为解决寒冷地区冻盐耦合作用引起的工程问题,首先本文利用正交试验、方差分析法、极差分析和SPSS软件分析得出石灰、水泥和粉煤灰改良寒区盐渍土的最优配合比。在最优配合比基础上考虑环境温度、龄期、含盐量、冻结温度阈值和冻融循环等因素下的无侧限抗压强度试验和固结不排水三轴剪切试验。并基于Weibull分布建立一个可靠性高的数学方程来描述冻融循环和围压对强度变化的组合效应,构建了固化盐渍土的本构方程。结果显示,改良盐渍土在14天时的无侧限抗压强度可以达到最大抗压强度的75%,基本满足工程施工要求。受含盐量影响的强度损失率范围为16.2%至75.65%,盐冻耦合效应会放大了强度损失率。固结不排水三轴剪切试验显示,剪切强度的损失率会被冻融循环和盐蚀的耦合效应放大。随着FTCs的增加,杨氏模量的应变阈值被逐渐向后推。

关键词： 土力学   本构模型   复杂应力路径   统一硬化方程  

摘要： 在建立土的弹塑性本构模型时，需要具体确定屈服函数、塑性势函数，硬化规律及与之相配套的硬化参量，那么硬化参量计算公式的建立就显得尤为重要。首先通过类比正常固结土和超固结土应力–应变关系及强度特征，结合理论推导，给出考虑初始状态影响的统一硬化方程的构造过程；其次，基于复杂应力路径下超固结土强度特性的机制分析，引入可同时考虑初始状态和加载过程影响的土的强度势MY，并通过在原统一硬化方程中采用MY替换强度参数Mf得到复杂应力路径下土的统一硬化方程；最后，通过与各种应力路径下试验结果的对比，验证新的统一硬化方程对建立土的本构模型的意义。