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污染对水泥土影响的力学试验及其损伤本构模型研究

赵永强  
【摘要】: 水泥土技术由于其具有造价低、施工方法简便、在施工中无振动、无噪声、无地面隆起和对周围建筑物无有害影响等优点,而在各类土体加固工程中广泛使用。然而,水泥土的工程特点,常常遇见被加固的土体已经被污染或成桩水泥土处于含有侵蚀离子的环境中的问题,这些污染土体或者环境中含有的侵蚀性离子与水泥土具有较强的结晶分解作用,对水泥土的力学性能和耐久性产生重要影响,因此研究土体污染和侵蚀环境影响下的水泥土力学特性变化、化学侵蚀特点、建立水泥土损伤本构模型具有重要的理论意义和工程意义。 为了适应工程中可能遇到的两类污染情况,配制了两种水泥土,一种是由污染土配制成的水泥土(简称水泥污染土),另一种是由无污染土配制成的水泥土(简称水泥土),首次对标准养护条件下的水泥污染土和侵蚀环境中浸泡的水泥土在不同龄期时的外表形态、破裂特征、抗压强度和应力—应变关系曲线等进行了详细的对比分析,结果表明,污染土较侵蚀环境对水泥土力学特性等方面的影响较弱。 首先,SO_4~(2-)离子在一定含量范围内的水泥污染土,其抗压强度较无污染水泥土不但没有降低,相反,其抗压强度有一定的提高;阳离子不同,使得SO_4~(2-)对水泥污染土强度的增强或削弱程度不同,结合电子显微镜扫描试验,对SO_4~(2-)影响水泥污染土强度的原因,从微观、细观和化学机理三个方面进行了定性分析。通过大量试验结果,对实际水泥加固工程中污染土和侵蚀环境中各种离子的极限含量做了说明,对不同污染形式下各种离子对水泥污染土和水泥土的抗压强度修正系数进行了总结,并且把不同化合物、不同阴离子和阳离子对水泥土强度影响作用的强弱进行了排序,为污染土和侵蚀环境中水泥土的应用、施工和设计提供了一定的参考依据。 其次,水泥污染土和侵蚀环境中的水泥土的应力—应变关系曲线,具有明显的线弹性阶段和塑性变形阶段,塑性变形与水泥土的侵蚀方式、侵蚀离子的种类和浓度紧密相关。针对水泥土的弹塑性变形特点,作者提出了分段考虑水泥土变形过程的观点,通过对水泥土损伤试验结果的分析,明确了水泥土损伤变量的变化规律,探讨了水泥土的损伤机制,结合试验中获得的应力—应变曲线,建立了水泥土损伤模型,并根据试验数据确定了水泥土的相关材料参数和损伤变量,得出了水泥土的分段弹塑性损伤本构关系,说明将弹塑性的损伤理论引入到水泥土的工程力学特性领域是可行的、有意义的。 再次,明确了H_2SO_4侵蚀环境中的水泥土的化学侵蚀特点,定义了水泥土的化学侵蚀因子,结合试验数据,并且根据化学动力学的知识,建立了H_2SO_4侵蚀环境中的水泥土早期强度的化学预测模型,通过与试验结果的对比,证明本文所建立的化学预测模型的准确性与合理性,为H_2SO_4侵蚀环境中的水泥土强度的预测提供了依据,该模型的建立,把化学侵蚀与力学强度有效地结合起来,根据文中定义的化学侵蚀因子,使我们在宏观立场上清楚地了解了水泥土内部物质和水化产物与H_2SO_4消耗量之间的关系,对水泥土与H_2SO_4的反应有了定量的认识;同时,只要掌握不同侵蚀环境中的水泥土力学参数和侵链介质的消耗速率,应用模型可对相应的侵蚀环境中的水泥土早期强度进行预测,为水泥土桩尤其是大体积水泥土在各种侵蚀环境中的早期强度的预测提供了理论依据。 根据侵蚀环境中离子的迁移特点和化学反应机理,在考虑侵蚀离子在水泥土中的扩散、渗透和化学反应的基础上建立了侵蚀环境中离子迁移的模型,并求得模型的解析表达式,该模型可根据侵蚀离子的不同条件求得其解,为各种侵蚀环境中的离子迁移提供了理论依据。 文中还提出了NaOH侵蚀条件下水泥土强度与NaOH浓度和龄期之间关系的强度预测公式,经与试验值比较,证明该公式具有极高的精确性,可以用于NaOH侵蚀环境中水泥土强度的预测。


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