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污染对水泥土电阻率特性影响的试验与理论研究

董晓强  
【摘要】: 在工程中污染可以引起水泥土地基强度的降低,导致建筑物失稳或破坏,因此研究污染对水泥土的影响非常重要,这已经成为环境岩土工程领域中的一个新课题,但是目前国内外尚无检测污染水泥土的专用手段和方法。论文以H_2SO_4、NaOH溶液浸泡水泥土模拟环境污染水泥土,以含H_2SO_4、NaOH、MgCl_2、MgSO_4、Na_2SO_4等污染土的水泥土模拟土体污染水泥土,利用作者自行研制的水泥土电阻率自动测试仪,来研究环境污染和土体污染水泥土的电阻率特性,揭示了电阻率同污染成分、浓度(或含量)、龄期及无侧限抗压强度的变化规律。 主要研究成果归纳如下: 第一,通过仔细研究水泥土电学模型(Komine模型),观察分析不同放大倍数下水泥土SEM照片,结合化学反应,指出了Komine模型存在的问题,提出了新的水泥土电学模型。 第二,污染水泥土是一种特殊的电化学体系,在测试过程中必须考虑直流电的极化等电化学效应问题,通过试验并借鉴前人经验,提出了适合于污染水泥土的电阻率测试方法,并研制了电阻率自动测试仪,实现了测试过程的智能化,该仪器已被授予发明专利。 第三,系统研究了环境污染下水泥土的电阻率特性。(1)H_2SO_4溶液浸泡下:水泥土电阻率、孔隙水电阻率均随着龄期的增加而增加,随着溶液浓度的增加而减小;结构因子随着龄期和溶液浓度的增加而增加;水泥土无侧限抗压强度随着水泥土电阻率的增加而增大;建立了水泥土电阻率预测公式;考虑侵蚀因子后,对Archie法则进行修正,建立了H_2SO_4侵蚀下的水泥土电阻率模型;初步提出用水泥土电阻率来评价水泥土受H_2SO_4侵蚀程度的量化指标。(2)NaOH溶液浸泡下:水泥土电阻率、孔隙水电阻率均随着龄期的增加而增加,随着溶液浓度的增加而减小;结构因子随着龄期的增加而减小,随着溶液浓度的增加而增加;水泥土无侧限抗压强度随着水泥土电阻率的增加而增大;建立了水泥土电阻率预测公式。 第四,系统研究了土体污染下水泥土的电阻率特性。含H_2SO_4、MgSO_4、Na_2SO_4污染土的水泥土电阻率均随着龄期的增加而增加,随着污染物含量的增加先增加后降低;含NaOH污染土的水泥土电阻率随着龄期和污染物含量的增加而增加;含MgCl_2污染土的水泥土电阻率随着龄期的增加而增加,随着含量的增加而降低;建立了含MgCl_2污染土的水泥土电阻率预测公式;含以上污染土的水泥土无侧限抗压强度均随着水泥土电阻率的增加而增大。 第五,根据污染前后水泥土无侧限抗压强度的变化,建立了基于污染物浓度(或含量)的水泥土强度影响系数公式,可以对《建筑地基处理技术规范》的11.2.4-2式予以修正;将环境污染和土体污染根据污染成分的酸碱性综合划分为3种情形:酸性环境(以H_2SO_4为代表)、碱性环境(以NaOH为代表)、中性环境(以MgCl_2、MgSO_4、Na_2SO_4为代表),对于以上特定的污染,只要测出水泥土电阻率后,就可以用相应的电阻率与强度关系式计算其强度值,由此得到通过水泥土电阻率计算桩身材料强度决定的单桩承载力确定方法。 第六,水泥土电阻率随龄期、污染浓度(或含量)、无侧限抗压强度的变化是由于孔隙结构和导电离子数量的变化引起的,水泥土的电阻率越高,结构的整体导电性就越低,土颗粒之间的连接就越紧密,孔隙比就越小,孔隙的连通性就越差,导致水泥土的抗压强度越高。 第七,水泥土的受压破坏过程实际上就是损伤的过程,而水泥土的电阻率能够很好的反映水泥土强度的变化规律。以受压过程中水泥土应变和电流变化为基准,得到了损伤演变方程,初步建立基于电阻率变化的水泥土损伤本构模型。


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