水泥改良粉质粘土冻胀融沉特性研究
发布时间：2020-09-18 08:41
水泥土加固法与人工地层冻结法是岩土工程中最常用的两种施工方法,但两者都有着各自的缺点,前者在控制地下水渗流上往往出现问题,后者产生的冻胀融沉易对周围环境造成影响。随着实际工程中遇到的地质条件越来越复杂,开始有研究人员提出将两者相结合的新方法,即先对地质条件较差的地层进行水泥注浆改良,然后再进行人工冻结的方法。然而目前对水泥改良土冻胀融沉特性的研究相对较少,本课题即在此背景下提出,通过室内试验和数值模拟相结合的研究方法,对水泥改良粉质粘土的冻胀融沉特性开展了一系列研究。首先,通过常规土工试验和热物理参数试验测试了水泥改良前后土体的含水率、渗透系数、冻结温度和导热系数,总结了各参数在不同水泥掺量、养护龄期下的变化规律,并为后续的室内冻胀融沉试验、数值模拟提供了必要的参考。然后,在自行设计并加工的室内冻胀融沉试验装置上,开展了水泥改良土的冻胀融沉单因素试验与正交试验,得到了水泥掺量、养护龄期、冷端温度和含水率四个因素对水泥改良土冻胀率和融沉系数的影响规律,及各影响因素的主次关系和显著程度。同时,通过对冻胀融沉试验过程中温度和位移的监测及冻结后土体试样不同部位含水率的测量,得出试验过程中温度场和位移场的发展规律以及水分重分布规律。最后,参考冻土相变温度场、水分场相关基本方程,建立了饱和正冻土的水热耦合模型,并利用COMSOL Multiphyscis数学模块中的系数型偏微分方程接口建立水泥改良粉质粘土单向冻结二维数值计算模型进行求解,分析了冻结过程中土体试样内温度场、水分场和冻胀量的变化规律,并与室内冻胀试验实测数据进行对比,验证了模型的可行性和有效性。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU445
【部分图文】：
9%、12%、15%、18%）的改良土，试样制备好后，连同模具一起称重，保证试样符合要求，即重塑土密度与要求密度之差不大于±0.01g/cm3，水泥土含水率与要求含水率之差不大于±1%。若不达标，该试样重做。最后将符合要求的试样用保鲜膜包裹严实，并用胶带缠裹好，放进恒温箱中按标准条件进行养护。相关研究表明水泥会与土中水发生水解和水化等反应，反应过程中，土中部分自由水转变成水泥水化产物中的结晶水，而采用烘干法测定土样含水率时部分结晶水在 110℃条件下不能被蒸发出来，所以总体来说水泥土的含水率略低于天然土样的含水率，一般减少0.5%~7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减少[5]。对于普通硅酸盐水泥来说，其中硅酸三钙和硅酸二钙的含量占大部分，而水化反应中消耗水分的也正是这两种成分，因此在水泥改良土制备时，需要对达到养护龄期要求的水泥土进行含水率测试，明确水泥改良土中含水率的变化情况。试验步骤主要为：从达到养护龄期要求的水泥改良土试样中心分别选取大约 50g 土放入称量盒内，称量盒加湿土的质量并进行记录，然后打开盒盖并将盒置于 105℃~110℃的烘箱内大约烘干 8h 至恒重，称量盒加干土质量并进行记录，最后按公式计算同一试样的平均含水率。图 2-3 为室内测量水泥土含水率的试验过程。
（a）TST-55 型土壤渗透仪 （b）供水装置图 2-5 水泥改良土渗透试验Figure 2-5 Test on infiltration of cement-improved soil2.3.2 试验结果分析根据达西定律可求得土的渗透系数，按照变水头法测得的渗透系数可按下式（2-1）计算：1 12 2 1 22.3 lg( )TA l hkA t t h （2-1）式中Tk 为水温为 T℃时试样的渗透系数，cm/s；2.3 为 ln 和 log 的变化因数；A1为变水头管的断面积，cm3；l 为渗径，即试样的高度，cm；A2为试样的截面积，cm3；1t 、2t 分别测试水头的起始和终止时间，s；1h 、2h 分别为起始和终止水头，cm。试验测得的养护 14d 和 28d 的改良土渗透系数的平均值如表 2-3 所示，渗透系数与水泥掺量的关系曲线如图 2-6 所示。表 2-3 不同水泥掺量改良土渗透系数试验结果Table 2-3 Test results of soil permeability coefficient improved by different cement content
（a）试样制备与热电偶埋置 （b）高低温交变恒温试验箱 （c）DT85-Datataker 数据采集仪图 2-8 水泥改良土冻结温度试验Figure 2-8 Test on freezing temperature of cement-improved soil2.4.4 导热系数试验仪器及试验步骤稳态法和瞬态法是土体导热系数测试常用的两种方法。稳态法是通过土样在稳定的传热过程中，当传热速率与散热速率达到动态平衡来计算导热系数，这种方法虽然操作简单、计算准确，但是试验过程花费时间较长，且对试验环境要求比较严格。瞬态法是指试验测量过程中土体试样温度不是稳定不变的而是随着时间的变化而变化，通过测量土体试样内温度随时间的变化的过程以及其他一些参数，从而计算导热系数的方法[76]。本试验采用的是瞬态平面热源法，使用的仪器是 DRE-2C 导热系数测定仪，它是基于TPS 瞬态平面热源技术，用 Hot Disk 作为探头的导热系数测定仪。试验过程中 Hot Disk 探头作为热源，同时它又是温度传感器，所以可通过测试温度与探头的相应时间来计算测试试样的导热系数和热扩散系数。该方法具有测试速度快、方式简单、精确度高等优点。具体试验过程如图 2-9 所示。试验具体步骤如下：
本文编号：2821427
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU445
【部分图文】：
9%、12%、15%、18%）的改良土，试样制备好后，连同模具一起称重，保证试样符合要求，即重塑土密度与要求密度之差不大于±0.01g/cm3，水泥土含水率与要求含水率之差不大于±1%。若不达标，该试样重做。最后将符合要求的试样用保鲜膜包裹严实，并用胶带缠裹好，放进恒温箱中按标准条件进行养护。相关研究表明水泥会与土中水发生水解和水化等反应，反应过程中，土中部分自由水转变成水泥水化产物中的结晶水，而采用烘干法测定土样含水率时部分结晶水在 110℃条件下不能被蒸发出来，所以总体来说水泥土的含水率略低于天然土样的含水率，一般减少0.5%~7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减少[5]。对于普通硅酸盐水泥来说，其中硅酸三钙和硅酸二钙的含量占大部分，而水化反应中消耗水分的也正是这两种成分，因此在水泥改良土制备时，需要对达到养护龄期要求的水泥土进行含水率测试，明确水泥改良土中含水率的变化情况。试验步骤主要为：从达到养护龄期要求的水泥改良土试样中心分别选取大约 50g 土放入称量盒内，称量盒加湿土的质量并进行记录，然后打开盒盖并将盒置于 105℃~110℃的烘箱内大约烘干 8h 至恒重，称量盒加干土质量并进行记录，最后按公式计算同一试样的平均含水率。图 2-3 为室内测量水泥土含水率的试验过程。
（a）TST-55 型土壤渗透仪 （b）供水装置图 2-5 水泥改良土渗透试验Figure 2-5 Test on infiltration of cement-improved soil2.3.2 试验结果分析根据达西定律可求得土的渗透系数，按照变水头法测得的渗透系数可按下式（2-1）计算：1 12 2 1 22.3 lg( )TA l hkA t t h （2-1）式中Tk 为水温为 T℃时试样的渗透系数，cm/s；2.3 为 ln 和 log 的变化因数；A1为变水头管的断面积，cm3；l 为渗径，即试样的高度，cm；A2为试样的截面积，cm3；1t 、2t 分别测试水头的起始和终止时间，s；1h 、2h 分别为起始和终止水头，cm。试验测得的养护 14d 和 28d 的改良土渗透系数的平均值如表 2-3 所示，渗透系数与水泥掺量的关系曲线如图 2-6 所示。表 2-3 不同水泥掺量改良土渗透系数试验结果Table 2-3 Test results of soil permeability coefficient improved by different cement content
（a）试样制备与热电偶埋置 （b）高低温交变恒温试验箱 （c）DT85-Datataker 数据采集仪图 2-8 水泥改良土冻结温度试验Figure 2-8 Test on freezing temperature of cement-improved soil2.4.4 导热系数试验仪器及试验步骤稳态法和瞬态法是土体导热系数测试常用的两种方法。稳态法是通过土样在稳定的传热过程中，当传热速率与散热速率达到动态平衡来计算导热系数，这种方法虽然操作简单、计算准确，但是试验过程花费时间较长，且对试验环境要求比较严格。瞬态法是指试验测量过程中土体试样温度不是稳定不变的而是随着时间的变化而变化，通过测量土体试样内温度随时间的变化的过程以及其他一些参数，从而计算导热系数的方法[76]。本试验采用的是瞬态平面热源法，使用的仪器是 DRE-2C 导热系数测定仪，它是基于TPS 瞬态平面热源技术，用 Hot Disk 作为探头的导热系数测定仪。试验过程中 Hot Disk 探头作为热源，同时它又是温度传感器，所以可通过测试温度与探头的相应时间来计算测试试样的导热系数和热扩散系数。该方法具有测试速度快、方式简单、精确度高等优点。具体试验过程如图 2-9 所示。试验具体步骤如下：
【参考文献】
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本文编号：2821427
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