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《浙江大学》 2003年
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纳米硅水泥土工程特性及本构模型研究

王立峰  
【摘要】: 水泥土外加剂可以改善水泥土的性能,如适应工程的需要早强、增强、增加抗渗能力和缓凝等等。随着对不同外加剂水泥土的工程特性、改性机理等理论的不断探讨和研究,水泥土被广泛应用于地基处理、边坡加固、基坑围护、注浆堵水等工程中。然而也因为存在水泥土强度不高、变形较大等因素而受到限制。随着纳米技术的兴起和发展,作者把纳米硅粉作为水泥土的外加剂,探讨了纳米硅水泥土的强度特性、变形特性及其影响因素和变化规律,分析了纳米硅作为水泥土外加剂在经济上的可行性,建立了纳米硅水泥土的弹塑性本构关系模型,为纳米硅水泥土在工程上的应用提供理论依据。 在大量试验基础上,本文首先分析了影响纳米硅水泥土抗压强度的因素和变化规律。试验表明,纳米硅对改善水泥土的工程特性,特别是增强水泥土抗压强度,效果明显。纳米硅增强水泥土存在一最佳掺量a_(op),超过或低于这一掺量都不能充分发挥纳米硅增强水泥土的作用。其次应用正交试验,定量分析了纳米硅掺量、水泥掺量、水灰比和龄期等因素对抗压强度影响的大小。在对纳米硅水泥土强度特性及大量试验数据整理和分析的基础上,建立了纳米硅水泥土抗压强度与水泥掺量、纳米硅掺量、围压和龄期间的强度关系模型,用此模型可以粗略地估算相同的试验材料在试验条件相同的情况下纳米硅水泥土的抗压强度。以经济学价格理论为指导,分析了工程上应用纳米硅水泥土在经济上的可行性。分析结果表明,当纳米硅价格降至某一临界值时,相同强度的纳米硅水泥土成本低于普通水泥土成本;在此基础上,对纳米硅水泥土成本进行了分析和预测。 分析和描述了纳米硅水泥土受压破坏的过程,解释了试验过程中观察到的一些现象;分上升段和下降段建立了单轴受压下纳米硅水泥土的非线性本构关系模型,给出了模型参数的选取方法和建议值。根据大量的应力—应变关系曲线,讨论了水泥土的破坏应变、变形模量等指标与围压、抗压强度间的关系和统计规律。 以收集到的大量试验数据为基础,以弹塑性理论为指导,得出了纳米硅水泥土在子午面上的破坏曲线。结果表明,低强度纳米硅水泥土破坏曲线在子午面上为直线型,高强度纳米硅水泥土为抛物线型,假定破坏线在π平面上以椭圆线相连,建立了纳米硅水泥土的屈服准则。应用此屈服准则,采用相关联的流动法则和塑性功硬化规律,推导了纳米硅水泥土的弹塑性本构关系模型;给出了硬化模量的一般形式,结合试验数据,可以方便地求出硬化模量。 建立了纳米硅水泥土的弹塑性有限元方程,得到了三轴试验中圆柱体试样和单桩复合地基中的应力分布、变形特性和沉降规律,最后给出了一个工程算例,计算结果表明,在其它因素相同的情况下,纳米硅水泥土的桩基沉降明显小于普通水泥土材料;当纳米硅掺量在最佳掺量范围内,纳米硅掺量大的桩基沉降小于掺量小的桩基沉降。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU432

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