1绪论
1.1研究背景和意义
在相关公路规范中又叫水泥稳定土,在土体中按比例加入水、水泥和外加剂后,混合物土体的物理性质和力学性质得到明显改善,在满足强度要求的前提下,具有材料来源广、施工过程和方法简便、施工周期短、成本较低等优点,是一种无论从经济、环境、社会等角度考虑效益都非常高的建筑材料。目前被广泛的应用在道路工程中的路基处理、水工建筑中的渠道衬挪、截渗工程、基础工程中基坑支护及能方便快捷的进行建筑工程的复合地基加固等,取得了良好的技术经济效益。
但是,水泥土作为一种新型建筑材料也存在着许多缺点如强g较低,后期变形较大等。为此,国内外的众多学者进行了大量的试验研究,以求能有效地提高水泥土的力学性能,在水泥土中掺入各种外加剂,通过一系列的物理化学反应来提高水泥土的强度。如周丽萍^在水泥土中单掺8种外掺剂,并研究配制了针对寒区粉质粘土的复合水泥材料;王文军等在水泥土中掺入纳米桂粉,分别探讨了纳米娃粉与水泥水化及土体之间的作用机理,并分析了纳米桂粉对水泥土的改性效果,为纳米桂粉在工程中的应用奠定了基础。
在混凝土强度增长机理中得到启示,如果在水泥土中按一定的比例掺入河砂和风积沙,能否使水泥土的受力性能得到较大的改善,受到人们广泛的关注。目前,有许多学者在这方面进行了相关研究,但针对风积沙在土体加固中的研究相对较少,成果也不多。因此本文主要针对沙漠地区的软土路基处理。在土体中加入适量的风积沙,通过室内试验研究对土体工程性质的影响,为工程实际提供一些试验数据,同时也能为丰富的沙漠资源找到一条变废为宝的途径,具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1水泥土的国内外研究现状
据记载水泥土起源于美国,是在1915美国的一次铺路工程实践中,一位美国的铺路商人,就工程现场情况进行分析,结果将现场的砂和贝壳与水泥直接混合压实作为路基,这一创举也成为目前世界上有记载的水泥土第一次在建筑工程中的应用。从那时起,科研人员就开始了针对工程现场土料及周围的环境的研究,试图寻找到能达到工程要求的水泥复合材料。对工程本身来说,既便捷又经济,对科研工作者来说,因现场土体的复杂性而成为一个又一个的新课题,也为水泥土的研究开阔了视野。直到20世纪30年代,只在美国就有2亿立方米水泥土应用于工程项目中,并且应用领域也有了很大的扩展。于20世纪40年代,美国材料试验协会(ASTM)将水泥土的试验标准写进了工程土壤规程中为水泥土在工程中应用及推广提供了文字依据。美国垦务局于1951年以水泥砂土为主料进行了抗侵烛性研究,十年后发现水泥砂土表面具有较强的耐侵蚀性,并将其用于护坡材料,是水泥土在水工建筑领域有了工程先例。直到20世纪70年代,在美国约有160万nf水泥土应用于护坡材料中,典型工程有1961年修建修建于美国的两座大现,用水泥土取代了毛石,为工程项目节约了大约一半的成本。上世纪80年代,人们开始将水泥土用在道路建设工程当中,并且为了混合土料有更好的受力性能,开始在土体中加入一些外加剂。在水泥土中加入工业矿渣粉煤灰等,发现其强度和变形性能都较原状土和水泥的混合料强很多。于是,人们尝试着将水泥土用于其它的建筑工程中,如砲筑渠道,其防渗性能也远优于原状土。特别是在上个世纪初,美国人在处理费利克斯城游泥土场时,砲筑面积达100英亩,是美国当时最大的水泥土棚筑工程,给工程提供了场地的同时相对于混凝土也节约了造价。
对水泥土应用较早的国家除美国外,还有日本和瑞典。美国的Li,Kweishr以水泥为外掺剂研究如何能快速稳定土壤。日本学者铃木键夫做了很多试验研究,结果表明:水泥掺量相同的情况下,水灰比的大小对无侧限抗压强度有很多影响。上世纪60年代瑞典用水泥和石灰加固桩基,从70年代幵始推广到低高层建筑地基基础加固工程、渠道衬硕工程和道路地基工程及渠道管够的防渗工程。
我国对水泥土的研究相对较晚。上世纪70年代才率先在水利工程中使用水泥复合土,此后有关的研究机构才开始在国外研究的基础上针对我国土体的性质对这一领域进行试验研究,并迅速发展起来,逐渐积累了不少试验数据。1974年辽宁省沈抚公路就利用水泥复合土作为基层进行修筑,这也是水泥复合土在我国公路上的首次使用?。又比如深圳宝安的松白一级公路和新城大道就利用水泥土作为路面结构中的复合基层,基层上、下层分别采用水泥掺量为6%和4%的石屑水泥土,设计厚度分别取为200mm及150mm。根据我国的实际情况以及生产建设的需求,在土体中加入水泥和工业矿渣等其他外添剂形成的水泥复合土正在成为稳定土体、改善土体性能的主要措施和手段,并且应用范围也正在渐渐扩展。
不仅仅应用在软弱土层的加固,还应用在有强度要求的基础基层建设以及对材料抗渗、抗冻、耐腐烛要求较高的渠道衬砲及护坡中。所以研究复合土力学性能具.有更深远的工程实践意义。郭婷婷,张伯平等人通过利用石灰和粉煤灰作为掺和料与土料混合配制的二灰土作为回填土的试验,证明该土不仅抗渗性良好,抗剪强度较高,且压缩性低,经济环保,能够代替传统的二八灰土处理地基。王文军等将纳米硅粉作为外掺剂配制水泥复合土得到:将纳米硅粉作为外掺剂对土体的强度的改善有十分明显的增强效果,尤其是早期强度的提高,同时还指出纳米娃粉对软土加固效果更佳。
2试验材料、内容及方法
2. 1试验材料
2.1.1试验用土
本文试验用土采自内蒙古临河区河套灌区储量丰富的粉质粘土。取样深度为地表以下40cm,经过了室内的风干和碾散处理后,进行了土料化学成分的鉴定试验、颗粒分析试验、比重试验等相关试验,试验用土的颗粒级配曲线见图2,得到该土体的化学成分、相关物理性能指标和颗粒组成见表1、2、3。
3试验结果分析...............12
3.1击实试验...............12
3.2无侧限抗压强度及其影响因素...............12
3.3三轴压缩试验...............17
3.4变形特性分析...............24
3.5本构模型的建立...............27
3.6 本章小结...............31
4掺风积沙水泥土固化机理及微观结构...............32
4.1水泥土固化机理研究...............35
4.2掺风积沙对土体抗剪强度参数的影响...............36
4.3微观结构研究...............40
4.4本章小结...............42
5结论与展望...............43
5.1全文总结...............43
5.2下一步开展工作思路与展望...............43
结论
本文以内蒙古河套灌区的粉质粘土为对象,针对周边的自然环境情况做了系统的研究,论文通过对掺河砂和风积沙水泥土进行无侧限抗压强度试验、三轴不固结不排水(而)剪切强度试验,对其强度的发展过程、破坏形态的变化及本构模型进行了细致的分析,并利用SEM电镜扫描技术对土样的微观结构进行了探讨,现将本文的具体研究情况作如下总结:
1、分别探讨了水泥掺入比与河砂掺入比对试样抗压强度的贡献,在本文的研究范围内,从对强度影响出发,河砂的最佳掺入比为50%,从变形的角度分析,最佳掺入比为30%,本文建议河砂掺入比为30%-50%范围内。
2、通过对掺入风积沙的水泥土的三轴试验结果分析,得到风积沙的掺入给强度带来的影响及对风积沙提高强度的机理进行了研究,风积沙的掺入对强度的影响主要表现在对颗粒比表面积的影响,比表面积大则剪切强度增高。
3、三轴剪切试验结果中剪切参数随各组分掺量的变化而变化,从而能够得出,强度增加的内在因素,掺入风积沙对其摩擦力的影响较小,主要表现为对粘聚力的提高,为理论计算提供基础数据。
4、在不同围压作用下,土体的力学性能和变形特性都有所改善,随围压的增大土体塑性变形能力增强,剪胀力的增大使土体的强度增强明显,并且土体的受力面增多,破坏后土体呈压碎状,而不是沿某个平面滑移。
5、另外,通过试验结果得出围压的作用对素水泥的影响要大于对掺风积沙水泥土的作用效果,影响程度的大小需进一步的研究。
6、通过对水泥土微观结构的认识,可以看出土体强度的增加主要来源水泥的水化产物在其中的联结和填充作用,同时,加入风积沙的混合料在7d时就产生了纤细的针状钙矾石,这对早期强度的提高起到了关键的作用,针状物质在缝隙中发育的多,所以相对较大颗粒的风积沙颗粒对土的置换作用,使土和水泥接触的更快,有利于早期强度的发展。
7、掺风积沙后主要提高了原有土体的骨架强度,它在混合土体的作用类似于在混凝土中粗骨料的贡献。并能显著的提高复合土体的强度和变形性能。
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