压实石灰改良黄土力学和水力特性的试验之工程硕士研究

文章来源:毕业论文通 分类:工程硕士论文 发布时间:2019-11-16 23:00:45
毕业论文通第2019-11-16期,本期论文编辑为大家分享一篇工程硕士论文《压实石灰改良黄土力学和水力特性的试验之工程硕士研究》,供广大毕业生在写工程硕士文章时进行参考。

  1  绪论

  1.1 研究背景及意义 

  黄土古称“黄壤”,本源于土地之色,是一种第四纪沉积物。黄土具有多孔性、垂直节理发育、透水性强、湿陷性等特殊工程性质。因此,在湿陷性黄土层上进行工程建设时,需对地基采取处理措施以消除湿陷性,其中,强夯与改良为其常见的两种处理措施。如新建的高速公路、机场与开山造城高填方工程等。强夯即通过夯实提高压实度来保证路基稳定性;改良的方法一般为在土体中掺入水泥、粉煤灰、石灰、固化剂等材料,来提高土体的工程性能指标,其中石灰改良土在消除湿陷性的的应用最为广泛。压实或改良后的黄土,由于地下水位升降、降雨、蒸发等作用,经常处于非饱和状态,即由固、液和气三相组成。由于气相的存在和变化,使得压实与改良黄土的研究具有很多特殊性和复杂性。因此,基于现代非饱和土力学理论与方法,深入开展压实黄土与石灰改良黄土的力学和水力(包括持水与渗水)特性的研究,以期把握压实黄土与石灰改良黄土的工程特性,对解决实际工程问题具有重要的意义。

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  1.3 本文研究思路及内容 

  在非饱和黄土地基的影响因素中,压实程度、上覆荷载以及降雨是影响路基质量好坏的主要因素。因此,论文对不同压实度的压实及石灰改良黄土,进行固结排水三轴剪切试验、控制吸力侧限压缩试验、常竖向应力分级增湿试验以及常竖向应力一次增湿试验,分析其力学和水力特性。鉴于以上研究思路,本文主要研究内容如下所述:

  (1)通过击实试验确定出不同灰土比的石灰改良黄土的最大干密度和最优含水率。对不同灰土比的石灰改良黄土在最大干密度和最优含水率下进行无侧限压缩试验,分析无侧限抗压强度随灰土比的变化规律,确定出最优灰土比。 

  (2)三轴应力条件下压实及石灰改良黄土的变形及强度特性。采用应变控制式三轴仪,对不同压实度和含水率的压实及石灰改良黄土,进行固结排水三轴剪切试验,研究压实度与含水率对其变形强度和临界状态特性的影响,采用量化指标评价石灰改良黄土强度特性的改良效果。 

  (3)侧限应力条件下压实及石灰改良黄土的变形和水力特性。采用非饱和土固结仪,对预增湿到不同含水率的压实及石灰改良黄土进行侧限压缩试验,分析吸力和压实度对压缩增湿变形特性的影响,对比分析应力条件对压缩变形特性的影响,评价石灰改良黄土压缩增湿变形特性的改良效果。 

  (4)常竖向应力分级增湿时压实及石灰改良黄土的变形和水力特性。采用非饱和土固结仪,对不同净竖向应力和压实度的压实及石灰改良黄土进行分级浸水的增湿试验,分析净竖向应力和压实度对增湿湿陷特性、土水特征和渗水特性的影响,对比分析力水作用路径对增湿湿陷特性和土水特征的影响,评价石灰改良压实黄土增湿湿陷变形特性、图书以特征和和渗水特性的改良效果。

  (5)常竖向应力一次增湿时压实黄土的湿陷变形特性。采用杠杆式固结仪,在不同竖向应力下对不同压实度的压实黄土进行一次增湿至饱和的增湿试验,分析湿陷特性随压实度和竖向应力的变化规律,探讨单线法和双线法两种力水作用路径以及一次增湿与分级增湿两种增湿级数对湿陷特性的影响。 

  2 研究方案与方法

  为了研究压实及石灰改良黄土的力学和水力特性,本文对压实黄土和石灰改良黄土进行如下五个方面的试验研究:(1)击实试验和无侧限压缩试验;(2)等向压缩和固结排水三轴剪切试验;(3)控制吸力的侧限压缩实验;(4)常竖向应力分级增湿试验;(5常竖向应力一次增湿试验。本章将对试验土样及制备、试验仪器、试验方案等内容分别进行介绍。

  2.1 试验用土及试样制备 

  2.1.1 试验用土

  试验用土为取自陕西延安大学新校区某边坡的原状土切削后散土,属于3Q黄土。其物理性质指标如表2-1所示。通过液塑限试验将其定名为粉土。

原状黄土物理性质指标

  2.1.2 试样制备

  本文所有试验试样均为重塑试样,采用压样法制备,制样含水率为压实及石灰改良黄土各自的最优含水率,制样干密度为两种土各自的最大干密度与选定压实系数的乘积。为了制备不同初始含水率的试样,考虑到时间和效率问题,对最优含水率试样采用滴定法进行预增湿。 

  a.最优含水率试样制备

  (1)最优含水率散土配制 首先将土料风干碾碎后,过1mm孔径的筛子测定其含水率。称量风干土质量,计算所需增加水质量,采用喷雾法控制到最优含水率。均匀搅拌后装入密封袋中,待静置48h后再过2mm 孔径的筛子(避免较大聚集体),之后再装入袋中密封静置至少48h以使土中水分均匀分布。

  (2)压样法制备试样 

  试验所用试样均采用压样法压制而成。制样含水率为压实及石灰改良黄土击实试验确定的最优含水率,制样干密度为击实试验确定最大干密度与选定压实系数的乘积(结合工程实际选定三个压实度分别为95%、90%和85%)。无侧限压缩和三轴剪切试样为直径3.91cm,高为8cm的圆柱形试样,按制样含水率和制样干密度计算出每个试样所需湿土质量,分五层用静压法压入模型。侧限压缩试样为底面积30cm3,高度为2cm的圆柱试样,将环刀装入特制的压样器中,将称好质量的散土一次性倒入环刀中,采用千斤顶静压成型。对于所有的试样,制样干密度ρd允许误差限为±0.02g/cm3,制样含水率w0允许误差限为±0.02%。 

  b.不同含水率试样制备 

 (1)非饱和试样制备

  将最优含水率下制备的试样采用滴定注水的方法增湿到试验含水率。首先根据目标试验含水率计算出试样需要增加的水质量,使用少量多次方法进行滴定,避免单次增加过多而使土样发生膨胀,且滴定过程中实时测定试样质量。当增湿到试验含水率后,将试样放入保湿缸中静置72h以上,确保水分均匀迁移,同时将滤纸和试样一起放入保湿缸。 

  (2)饱和试样制备 

  采用真空抽气的方法对试样进行饱和。首先将三轴试样装入饱和器中,压缩试样将试样、滤纸和透水石放置在试样的上下绑扎固定,然后放入真空饱和缸中进行密封抽气、注无气水、继续抽气、浸泡24h,经测试最终的饱和度达95%以上。

  2.2 试验仪器 

  对于无侧限压缩试验、等向压缩试验及固结排水三轴剪切试验,选用应变控制式三轴压缩仪;控制吸力的侧限压缩试验和常侧限应力分级增湿试验,选用非饱和土固结仪;常侧限应力一次增湿试验及饱和渗透试验分别选用杠杆式固结仪和南水55 型渗透仪进行试验。 

  2.2.1 应变控制式三轴压缩仪 

  对于无侧限压缩、等向压缩和三轴固结排水剪切试验,试验仪器采用溧阳永昌仪器厂生产的TSY10-2型应变控制式三轴压缩仪,如图2-1所示,该仪器主要由压力室、台座、围压加载系统、轴压加载系统和自动采集系统构成。

应变控制式三轴压缩仪

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  3  三轴应力条件下压实及石灰改良黄土的变形强度特性

  3.1  压实及石灰改良黄土等向压缩特性

  3.2  压实及石灰改良黄土的应力应变和体应变特性

  3.3  压实及石灰改良黄土的临界状态及强度特性

  3.4  压实黄土的屈服特性

  3.5  石灰改良黄土强度特性的改良效果评价

  3.6  本章小结

  4  侧限应力条件下压实及石灰改良黄土的变形和水力特性

  4.1  压实及石灰改良黄土的压缩特性

  4.2  压实及石灰改良黄土的增湿湿陷变形特性

  4.3  压实及石灰改良黄土的水力特性

  4.4  本章小结

  5  常竖向应力分级增湿时压实及石灰改良黄土的变形和水力特性

  5.1  常竖向应力分级增湿时压实及石灰改良黄土的增湿湿陷变形特性

  5.2  常竖向应力分级增湿时压实及石灰改良黄土的土水特征

  5.3  常竖向应力分级增湿时压实及石灰改良黄土的增湿渗水特性

  5.4  本章小结

  6  结论与展望

  6.1  本文主要工作和成果

  (1)增大含水率和降低压实度都会增大压实及石灰改良黄土的压缩性。含水率对等向压缩特性的影响程度随压实度的减小而增大。非饱和状态,含水率对压实黄土的影响程度大于石灰改良黄土,饱和时相反。结构屈服压力py和压缩指数λ可以量化为含水率和压实度相关的函数。

  (2)压实黄土的应力应变关系曲线为硬化型,石灰改良黄土应力应变关系曲线既有硬化型又有软化型。围压、含水率和压实度对应力应变和应变关系曲线有影响,影响程度依次为围压>含水率>压实度。 

  (3)含水率和压实度对压实及石灰改良黄土的临界状态特性有影响。总粘聚力c可以量化为与w及K相关的函数。压实黄土的e-lgp临界状态线和等向压缩线近似相平行,石灰改良黄土的临界状态线和等向压缩线不平行。压实黄土屈服面为倾斜椭圆,屈服面随压实度和塑形体应变的增加以及含水率的减小逐渐向外扩张。 

  (4)三轴应力条件下,压实黄土经过石灰改良峰值偏应力、粘聚力、内摩擦角和平均刚度均有提高,且在饱和状态下提高更明显。 

  (5)侧限应力条件下,黄土经石灰改良压缩性降低了50%左右。孔隙比之比与净竖向应力之比关系近似归一,且侧限应力条件下测定的屈服压力和压缩指数大于等向应力条件。 

  (6)压实度较小时压实黄土有湿陷性,而石灰改良黄土的湿陷性基本消除。压实及石灰改良黄土的增湿湿陷系数和湿陷系数随净竖向应力p的增大先增大后减小,随压实度的增大而减小,但增湿湿陷系数随吸力的减小而增大,湿陷系数随吸力的减小而减小。双线法测定的增湿湿陷系数和湿陷系数均大于单线法。高压实度下分级增湿测定的湿陷系数均小于一次增湿,低压实度下分级增湿测定的湿陷系数大于一次增湿。 

  (7)土水特征曲线由陡降段和平缓段组成,但常竖向应力分级增湿试验测定的石灰改良黄土的土水特征曲线近乎线性变化。压实及石灰改良黄土的Sr-s曲线随压实度和净竖向应力的减小向下移动,w-s曲线随压实度净竖向应力的减小向上移动。当吸力较小时,两种土的土水特征曲线逐渐平齐,相交点对应的吸力随压实度的减小和净竖向应力的增大而增大。力水作用路径对土水特征的影响与吸力有关,当吸力较大时曲线重合,吸力较小时,先增湿后加载路径测定的土水特征曲线高于先加载后增湿路径。压实黄土的饱和度与吸力关系可用经典的V-G土水特征描述,提出了考虑净竖向应力和压实度影响的修正V-G模型;

  (8)相同条件下非饱和石灰改良黄土的渗水系数小于压实黄土,压实及石灰改良黄土的渗水系数随压实度和净竖向应力的减小而增大。对于压实黄土,同一压实度相对渗水系数与饱和度的关系可以归一,渗水系数与吸力的关系可用经典的V-G渗水模型描述,提出了考虑净竖向应力和压实度影响的修正V-G模型。

  6.2  展望

  通过本阶段对黄土的研究工作,取得了一些新的认识并取得了上述成果,但由于时间和客观条件的限制,及自身认识的局限性,本文在很多方面仍需要深入的研究,主要有以下几方面。 

  (1)论文通过无侧限压缩试验,通过比较无侧限抗压强度确定出了石灰改良黄土的最优灰土比,应增加不同灰土比石灰改良黄土的试验内容,综合分析其变形强度特性,确定最优灰土比。 

  (2)论文只对三个压实度下的压实及石灰改良黄土进行了研究,应增加并细化压实度数量,以便更好的探讨压实度的影响。 

  (3)论文试验控制的试验含水率均在最优含水率以上,为了更好分析含水率对压实及石灰改良黄土相关特性的影响,应增加小试验含水率试样的研究。

  (4)侧限应力条件下,分析了先增湿后加载和先加载后增湿两种水力作用路径对压实及石灰改良黄土增湿变形特性和土水特征的影响,应增加水力作用路径,进而全面分析水力作用路径对增湿变形和土水特征的影响。 

  (5)常竖向应力分级增湿试验是从最优含水率增湿到饱和,今后可以降低起始含水率或做减湿试验,以得到完整的土水特征曲线。


考文献(略)


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