粉煤灰水泥加固海相粘土的力学特性研究

发布时间：2020-09-04 22:15

　　海相粘土广泛存在于沿海地区,随着各类工程建设的开展,近年来海洋岩土工程日益引起人们的研究兴趣。另一方面,我国属于产煤和燃煤大国,粉煤灰是一种常见的工业废料,如果不妥善处理会造成很大的污染,粉煤灰的资源化利用属于当今经济与社会发展的重大课题。机场建设、深基坑开挖和隧道掘进等海洋岩土工程在施工之前要加固土体的强度、降低土体的渗透性和可压缩性。普通波特兰水泥是一种常用的固化剂,它可以使土体在短时间内获得很大的强度(28天固化期的强度可达80%)。但有些工程项目如深基坑支护的周期长,允许水泥土的早期强度增长速率较慢。基于以上背景,本文主要利用室内试验手段,以普通水泥加固海相粘土作为参考,重点研究了粉煤灰水泥加固海相粘土的微观加固机理、强度特性、屈服与变形特性、小应变行为特性及其影响因素和变化规律,并对两种水泥土的屈服、强度和刚度特性进行了对比分析,为粉煤灰水泥土在工程上的广泛应用提供了基本的试验数据和理论依据。(1)考虑不同水泥掺量和不同养护龄期,分别开展普通水泥土和粉煤灰水泥土的无侧限抗压强度试验研究,得到水泥掺量和龄期分别对两种水泥土强度的影响规律:普通水泥土28天龄期的强度值较大但后期强度增长缓慢,粉煤灰水泥土28天龄期的强度值较小但后期强度增长迅速,90天龄期时高掺量条件下两种水泥土的强度值基本相同。借助SEM技术分析两种水泥土不同掺量、不同龄期的微观结构,定性的分析两种水泥土的作用机理;对比分析了两种水泥土的强度、变形规律和破坏模式。(2)引入粉煤灰水泥掺量的不确定性参数α和搅拌过程中不均性参数β两个随机变量,建立了掺粉煤灰水泥土的强度预测模型,该模型可以预测不同粉煤灰与水泥掺量比在不同龄期、不同配合比条件下的强度,利用试验数据对预测模型进行了验证,预测结果与试验结果的误差在15%以内。利用随机变量α和β来研究粉煤灰水泥土的强度统计特征,使用Monte-Carlo数值模拟方法模拟探讨了变量α和β的概率密度函数对强度的影响,通过叶片转数的操作参数与强度的变化相关联,构建了用于评估工程实践现场数据的变异系数预测模型。(3)分别进行了两种水泥土的三轴各向同性压缩试验,获得了两种水泥土在不同水泥掺量、不同龄期条件下的初始屈服应力、中间屈服应力和最终屈服应力,分别建立了两种水泥土的初始屈服应力与无侧限抗压强度的线性关系,研究发现两种水泥土的初始屈服强度和无侧限抗压强度可以用同一线性关系式来表达P~’_(py)=0.55q_u;分别建立了两种水泥土在三轴各向同性压缩试验条件下有效围压与比容的对数曲线关系。(4)分别进行了两种水泥土的三轴排水剪切试验,建立了初始屈服应力P~’_(py)、有效围压p~’、偏应力q的抛物线曲线关系,发现两种水泥土的初始屈服面可以用相同的抛物线曲线来表示,只是相关系数N不同:普通水泥土N=2.6,粉煤灰水泥土N=2.1。利用初始屈服面,分别建立了两种水泥土初始屈服应力的预测模型,利用所建立的模型对两种水泥土的初始屈服应力进行预测,同时利用无侧限抗压强度建立的预测模型进行预测,结果发现两种不同预测模型的预测值与试验值误差均在15%以内。(5)开展了两种水泥土的弯曲元试验研究,获得了两种水泥土在不同掺量、不同龄期条件下的小应变最大剪切模量G_(max),分别建立了两种水泥土小应变最大剪切模量G_(max)与初始屈服应力P~’_(py)的指数曲线关系,两种水泥土的小应变最大剪切模量G_(max)和初始屈服应力P~’_(py)可以用同一关系式来表达。间接的建立了两种水泥土小应变最大剪切模量G_(max)与无侧限抗压强度q_u的关系式,可以用变量α和β来表示。(6)开展了普通水泥土和粉煤灰水泥土的局部应变试验,获得了两种水泥土在不同掺量、不同龄期条件下的局部应力-应变曲线和小应变剪切模量,探讨了两种水泥土的局部应变强度随水泥掺量和龄期改变的变化规律以及小应变剪切模量随水泥掺量和龄期变化的衰减规律,对两种水泥土进行了对比分析。(7)建立了粉煤灰水泥加固新加坡海相粘土初始屈服的经验模型,对于一些变形控制要求非常高的结构(例如地铁、隧道等),初始屈服应力对结构设计有非常重要的参考意义。介绍了粉煤灰水泥土初始屈服经验模型的用途和意义,对比分析了应用该经验模型的预测结果与试验结果的误差值。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU43
【部分图文】：

曲线,水泥土,屈服应力

图 1-2 水泥土初始屈服应力点的定义[92]ure 1-2 Definition of initial yield stress for cemen过研究强度较小的水泥土，提出第一个屈最尾端，第二个屈服应力点为应力-应变塑粘土，提出了“第一产量”作为偏转应力束作为最大曲率点的“第二产量”并度表示应力-应变与压缩曲线的关系，更。刚度法研究屈服特性，他们将剪切模量以对数刻度绘制的轴向应变图的切向刚所示。Bergado 等[97]通过用水泥处理曼应变曲线以确定水泥土的屈服应力，结转点被定义为屈服应力点，如图 1-3（

曲线,水泥土,屈服应力

图 1-2 水泥土初始屈服应力点的定义[92]Figure 1-2 Definition of initial yield stress for cemented soils[92]Maccarini[93]通过研究强度较小的水泥土，提出第一个屈服应力点位于应力应变曲线线性阶段的最尾端，第二个屈服应力点为应力-应变曲线的最大曲率点Maccarini[93]使用重塑粘土，提出了“第一产量”作为偏转应力的线性部分的端部对轴向应变曲线的结束作为最大曲率点的“第二产量”并绘制在同一图上。Bressani[94]用对数刻度表示应力-应变与压缩曲线的关系，更清晰的反应出水泥土的初始屈服行为特征。一些学者[95-96]用刚度法研究屈服特性，他们将剪切模量和对应的应变关系用对数曲线表示出来，以对数刻度绘制的轴向应变图的切向刚度的变化来研究屈服应力，如图 1-3（a）所示。Bergado 等[97]通过用水泥处理曼谷软黏土进行研究，绘制剪切应变与体积应变曲线以确定水泥土的屈服应力，结果发现剪切应变-体积曲线是双线性的，转点被定义为屈服应力点，如图 1-3（b）所示。

水泥土,屈服应力,小应变,屈服特性

图 1-4 水泥土初始屈服应力点的定义[98]igure 1-4 Definition of initial yield stress for cemented s研究者对初始屈服应力的定义基本一致：偏离应力点和最终屈服应力点的定义存在不同看法述可以看出，有少部分学者开展了普通水泥加固门针对粉煤灰加固海相粘土的屈服特性研究还灰水泥土加固海相粘土的初始屈服特性。小应变行为特性研究现状状应变剪切模量和最大剪切模量是常见的参数，具和重塑土的小应变研究的报道较多[99-106]，但是的研究较少，我国学者对水泥土的小应变研究大手段进行的。 GDS 共振柱室内试验研究了不同围压、不同掺性(动剪切模量和阻尼比)的影响，结果发现：随

【参考文献】