不同材料改良黄土的抗剪强度和崩解特性研究

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黄土在我国西北地区分布广泛,其水敏性特点为以黄土为建筑材料的边坡工程带来诸多隐患。延安市近年来开展了大规模的岩土工程项目,极大的增加了地质灾害的发生概率,形成了许多不可预测的工程问题。因此,在黄土中掺入各种稳定剂来消除黄土的某些不良工程性质使其满足工程需求就显得十分必要。本文基于前人的研究成果,选取传统改良黄土材料中的生石灰、新型碳纤维材料中的聚丙烯纤维、纳米级颗粒中的纳米二氧化硅、从豆科植物的胚乳中提取出的瓜尔豆胶四种改良材料,对黄土进行改良研究。不同材料的掺入比以质量分数表征分别为:石灰3%、6%、9%、12%;聚丙烯纤维0.2%、0.4%、0.6%、0.8%;纳米二氧化硅0.6%、1%、2%、3%;瓜尔豆胶0.25%、0.5%、0.75%、1%。在黄土中分别添加以上一种和两种材料开展抗剪强度和崩解特性的试验研究,同时借助水滴入渗试验和扫描电镜试验从微观角度探讨不同材料改良黄土的微观作用机制。本文取得的主要试验成果有:(1)在延安市安塞区某治沟造地现场取代表性黄土样,通过室内土工试验(颗粒分析试验、比重试验、界限含水率试验、击实试验),确定试验用土的基本物理力学性质,并为后续试验方案的确定提供数据参考。发现黄土在分别掺入石灰和纳米二氧化硅后,黄土的塑性指数均有所减小。黄土的液塑限均随着纳米二氧化硅掺入比的增加而增大,随着石灰掺入比的增加先增大后减小。说明石灰和纳米二氧化硅均可以降低黄土的可塑性,改善黄土的工程性质,但是石灰降低黄土可塑性的效果没有纳米二氧化硅显著。(2)对分别添加不同单一改良材料后的黄土进行直剪试验,针对不同材料研究了含水率、掺入比、压力、干湿循环次数、养护龄期对黄土抗剪强度指标和应力应变曲线的影响。试验结果表明不同材料均可以提高黄土的抗剪强度,并根据试验结果得到不同材料单独掺入黄土时的最佳掺入比。(3)以黏聚力和内摩擦角作为评价指标,分别对石灰—聚丙烯纤维、纳米二氧化硅—聚丙烯纤维复合改良黄土进行正交试验,确定其最佳配合比,并分析不同材料和含水率对改良黄土抗剪强度指标的影响。综合考虑多种因素,得到石灰—聚丙烯纤维、纳米二氧化硅—聚丙烯纤维复合改良黄土的最佳配合比分别为:含水率13%、石灰9%、聚丙烯纤维0.6%;含水率13%、纳米二氧化硅2%、聚丙烯纤维0.6%。(4)对分别添加不同单一改良材料后的黄土进行崩解试验,试验结果表明单独掺入石灰和纳米二氧化硅延长了初始崩解阶段的时长,但是最终100%崩解;单独掺入不同掺入比的聚丙烯纤维和瓜尔豆胶后黄土的平均崩解速率和最终崩解率下降明显,耐崩解性显著增强。对石灰—聚丙烯纤维、纳米二氧化硅—聚丙烯纤维复合改良黄土进行崩解试验,试验结果表明多种材料复合改良黄土耐崩解性效果较单一材料改良效果更好,多种材料复合改良黄土崩解性时聚丙烯纤维存在最佳掺入比为0.6%。(5)对瓜尔豆胶改良黄土在不同干湿循环次数后开展水滴入渗试验,结果表明瓜尔豆胶可显著提高黄土的斥水性,大中孔隙数量减少,黏聚力不断增大,结构趋于密实,表层水难以入渗。SEM图像揭示了不同材料改良黄土的加固机理,分析了多种材料复合改良黄土的抗剪强度和耐崩解性效果较单一材料改良更好的深层次原因。(6)综合考虑工程造价、对黄土脆性的影响以及对黄土抗剪强度和耐崩解性的影响,认为石灰—聚丙烯纤维、纳米二氧化硅—聚丙烯纤维复合改良黄土时各自的掺入比应取:石灰9%、聚丙烯纤维0.6%;纳米二氧化硅2%、聚丙烯纤维0.6%。
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