生物酶改良有机质土次固结特性试验研究

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有机质土分布广泛,当土体中有机质含量较高时,采用诸如水泥、石灰等无机材料的传统改良方法对有机质土进行改良,难以达到预期效果。本文采用一种新型土壤固化剂生物酶对有机质土进行改良。通过一系列不同生物酶掺量、不同加载比的一维次固结试验,研究生物酶改良有机质土的次固结特性。基于双曲线模型、Gibson模型和归一化理论,分别建立了考虑生物酶掺量影响的双曲线蠕变模型、Gibson蠕变模型和应变-时间归一化方程。通过所建立的蠕变模型对一维次固结试验应变-时间曲线进行预测,预测结果与试验结果吻合度较高,验证了模型的可靠性,表明模型理论适用于描述有机质土的次固结应变。本文通过一系列试验研究与分析,得到了以下结论:1、采用富里酸试剂作为有机质,人工配置有机质土,其含量为干土质量的6%。采用生物酶作为有机质土改良材料。通过不同生物酶掺量(0%、1%、2%、3%、4%与 0%、2%、4%、6%)(干土质量比)、不同加载比的一维次固结试验,分析生物酶掺量对改良有机质土的压缩指数、固结系数等压缩指标的影响,以及对次固结系数的影响。(1)随着生物酶掺量的增加,土体总压缩变形量逐渐减少。不同生物酶掺量下,试验土体的结构屈服应力大致在100kPa附近。压缩指数Cc随着荷载的增加而增大,且同一级荷载下,压缩指数Cc随着生物酶掺量的增加而减小。次固结系数Ca与Cc值大致满足线性关系,其Ca/Cc值在0.042~0.1之间,故可用Ca/Cc值大致估算生物酶改良有机质土的Ca值。在不同生物酶掺量下固结系数随着荷载的增加而减小,同一荷载下固结系数随着生物酶掺量的增加先减小后增大。(2)次固结系数随荷载增加出现峰值,约在100kPa处次固结系数出现最大值,且其最大值一般出现在结构屈服应力附近,当荷载小于结构屈服应力时,次固结系数与荷载呈正相关性,当荷载等于结构屈服应力时,次固结系数达到峰值,当荷载大于结构屈服应力时,次固结系数与荷载呈负相关性。2、通过一维次固结试验,得到应变与时间的ε-t曲线。采用t/ε-t关系对ε-r试验数据进行整理,发现t/ε-r关系近似为直线,因此采用双曲线方程ε=t/(A+Bt)对ε-t试验曲线进行描述。分析生物酶掺加量、固结压力对双曲线模型参数A、B的影响,建立了结构屈服应力前后双曲线模型参数与生物酶掺量的相关关系表达式。(1)A为ε-t关系曲线初始切线斜率E的倒数,B为ε-t关系曲线最终应变εd的渐近线的倒数。分别建立了固结压力与A、B之间的拟合关系式,E=F1(P/Pa)G1、εd=F2(P/Pa)G2,得到了相关参数F1(幂函数系数)、F2(幂函数系数)、G1(幂函数指数)、G2(幂函数指数)、E(ε-t关系曲线初始斜率)、εd(ε-t关系曲线最终应变)与生物酶掺量的相关表达式。(2)利用建立的双曲线模型对次固结试验应变-时间关系曲线进行预测,结果表明本文所建立的双曲线模型具有良好的预测效果,适用于描述有机质土结构屈服应力前后的次固结特性。3、基于由一个Hook体和一个Kelvin体串联而成的三元件流变模型(Gibson流变模型或称之为Merchant流变模型),对生物酶改良有机质土的一维次固结应变与时间的ε-t试验曲线进行描述。分析生物酶掺加量与模型参数的相关关系,建立了考虑生物酶掺加量的次固结Gibson模型。(1)建立了生物酶掺量与流变模型参数E0、E1、η的相关关系,随着生物酶掺量增加,参数E0、E1、η逐渐递减,在生物酶掺量为1%,E1、η达到最大,且E0、E1、η随着荷载的增加而增大。(2)试验值与模型预测值吻合度较高,表明该模型适用于描述有机质土的次固结蠕变,可用于指导改良有机质土地基的长期变形预测。4、建立了基于生物酶掺量的生物酶改良有机质土的应变-时间关系特性的归一化方程。(1)基于不同生物酶掺量与不同加载比的生物酶改良有机质土一维次固结蠕变试验,建立了生物酶改良有机质土的双曲线蠕变模型。(2)采用次固结应变极限值做为归一化因子,应变-时间关系特性归一化程度较高。(3)分析了改良有机质土在不同生物酶掺量下、不同荷载下的应变-时间关系归一化特性。(4)建立了基于生物酶掺量的生物酶改良有机质土的应变-时间关系特性的归一化方程,并且验证了其可行性和可靠性。通过不同生物酶掺量与不同加载比的生物酶改良有机质土次固结试验,得到了不同情况下的土体应力-应变-时间关系,并为生物酶改良有机质土的工程应用提供相应的参考价值。
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