基于冻融作用的非饱和固化硫酸盐渍及土-结构界面力学行为研究

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硫酸盐渍土在我国西北季节冻土区广泛分布,且在工程之中大量涉及,常表现为盐胀、溶陷、腐蚀等不良工程性质,在该地区工程建设中需重点考虑其盐胀特性,为了抑制或缓解盐胀病害,往往进行固化处理。固化土体与结构物接触面间的力学行为是分析结构与土体相互作用及确定盐渍土地区基础承载力、工程安全性的前提和关键。鉴于此,以石灰-硅灰、石灰-稻壳灰及石灰-粉煤灰作为固化剂对固化后硫酸盐渍土的力学特性进行研究,发现石灰-硅灰固化效果最好;通过直接剪切试验探索了含盐量、冻融次数等因素对非饱和石灰-硅灰固化硫酸盐渍土与钢块、混凝土块接触面力学性能的影响;引用不同本构关系,分别对石灰-硅灰固化盐渍土与钢块、混凝土块接触面剪应力-位移适用效果进行评价;通过(SEM)电镜扫描及X射线衍射试验对固化土的微观特性进行了研究。主要的研究内容及研究成果如下:(1)通过对直剪试验数据分析,发现加入固化剂后盐渍土黏聚力有显著提高,且石灰-硅灰较其他两种固化剂下硫酸盐渍土的峰值剪应力和抗剪强度指标更高,表明石灰-硅灰固化效果最好,因此本文选用石灰-硅灰作为固化剂,对固化后盐渍土-结构接触面的力学特性进行试验研究。(2)随冻融次数的增加,不同含盐量下石灰-硅灰固化土-结构接触面的内摩擦角先增大后减小再增大,黏聚力逐渐减小,不含盐时接触面抗剪强度先增大后减小,含盐时接触面抗剪强度表现为先增大后减小再增大;随含盐量的增加,不同冻融次数下固化土-结构接触面的内摩擦角及黏聚力均表现为先增大后减小,接触面抗剪强度表现为先增大后减小并逐渐趋于稳定。(3)在冻融作用下,固化土及固化土-结构接触面的抗剪强度参数降低,固化土本身的剪切强度、黏聚力及内摩擦角值高于固化土-结构接触面对应的值,冻融次数相同时固化土-混凝土块试样接触面抗剪强度值略大于固化土-钢块试样接触面的值。(4)固化盐渍土-混凝土块接触面经历冻融作用后,应力-位移曲线可分成四个阶段:线弹性变形、强化、软化及流动阶段;固化土-钢块接触面的应力-位移曲线表现与之不同,未出现上述描述中的软化阶段;利用origin对试验数据进行拟合,可知固化土与混凝土块、钢块界面应力-位移曲线均存在两种以上较为适用的模型,但其中双曲线及指数曲线模型对固化土与混凝土块、钢块界面来说适用度最高。(5)通过接触式滤纸法测定,在冻融作用下不同含盐量下(1%、2%、3%、5%、7%)石灰-硅灰固化土基质吸力表现为先减小后慢慢趋于稳定,不含盐时接触面抗剪强度先增大后减小,含盐时接触面抗剪强度先增大后减小再增大。冻融次数一定时固化土的基质吸力随含盐量的增加表现为先增大后减小。(6)通过(SEM)电镜扫描及X射线衍射试验对石灰-硅灰固化土的微观特性进行研究,发现石灰-硅灰加入土体后伴随着一系列的物理化学反应,其主要有离子交换作用、碳酸化作用及火山灰反应,此时土体的主要物相为Si O2、C-S-H、C-A-H、Ca CO3、Ca(OH)2及AFt,固化剂加入后使盐渍土的孔隙数量、内部结构、凝胶物质含量发生变化,特别对3%含盐量的盐渍土来说,石灰-硅灰加入时土体水化反应更强烈,生成了更多的胶凝物质,孔隙数量减少,土体整体结构变得更为致密,土体强度得到了提高,进而直接导致石灰-硅灰固化土与结构界面强度发生变化,在宏观力学上表现为:3%含盐量的盐渍土经石灰-硅灰固化后,其与结构界面抗剪强度最高。
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