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冻融循环下石灰改良粉质黏土力学特性试验研究及数值模拟

谭毓清  
【摘要】:本文取湖南省某粉质黏土公路路基的路基土作为试验的研究对象,冻融循环次数、石灰掺量及围压为主要变量,结合理论分析和室内土工试验对石灰改良粉质黏土的力学性质变化规律进行了冻融循环试验和三轴压缩试验研究,分析了石灰改良粉质黏土在不同冻融循环作用下的应力应变关系、应力应变滞回特性、弹性模量、强度及抗剪强度指标等力学行为的变化规律,确定工程最优掺灰量。最后,利用试验数据结果并通过FLAC~3 ~D建立数值模型,得到冻融作用下石灰改良后的粉质黏土路基应变场变化。本文的主要成果如下:(1)利用室内土工试验测出粉质黏土的物理力学指标以及确定土料中的石灰掺量配比,测出粉质黏土和不同石灰改良粉质黏土的最优含水量,并在最优含水量下击实制备土样,研究各土样的动静力特性。试验研究得到粉质黏土与石灰改良粉质黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化型,且土样黏聚力随围压的增大而逐渐增大,随石灰掺量增加先增大后减小,以及内摩擦角在一定范围内波动;在动荷载作用下,2000次振动后素土的轴向应变接近6%,而石灰改良土的轴向应变低于2%,滞回圈随围压增大越靠近纵轴,抵抗变形能力逐渐增强,石灰改良效果明显。(2)将粉质黏土和不同石灰掺量的试验土样制品经受不同冻融循环次数后进行三轴压缩试验,获取试样在不同石灰掺量和冻融循环次数下的应力-应变关系、模量、强度及抗剪强度指标等力学特性的变化规律。研究结果得到:试样的强度劣化程度在冻融作用下随石灰掺量增大而降低,且降低幅度逐渐变小;粉质黏土与石灰改良粉质黏土抵抗变形的能力随着冻融次数的增加均减小,黏聚力随冻融次数增加先减小后逐渐稳定,内摩擦角在一定范围内波动,弹性模量随冻融次数增加先降低后增加;相同冻融循环作用下,试样的内摩擦角和弹性模量随石灰掺量增加基本上呈现增长趋势,黏聚力随石灰掺量增加先增大后减小,石灰能有效地提高粉质黏土抵抗变形的能力,提高粉质黏土路基抗冻融稳定性。最终确定L_C=9%为最优石灰掺量。(3)应用FLAC~3 ~D软件对路基填筑工程和路基经冻融作用后的应变场进行数值模拟分析。研究结果表明:石灰改良粉质黏土填料路基在填筑后的沉降量和侧向位移量较小,符合质量工程要求。冻融作用对路基具有劣化作用,随冻融循环次数增加,路基沉降量和侧向位移量均先增大后减小,且沉降量和侧向位移在路基冻融9次以上后基本趋于稳定。


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