水泥土加固法與人工地層凍結(jié)法是巖土工程中最常用的兩種施工方法,但兩者都有著各自的缺點(diǎn),前者在控制地下水滲流上往往出現(xiàn)問題,后者產(chǎn)生的凍脹融沉易對周圍環(huán)境造成影響。隨著實(shí)際工程中遇到的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,開始有研究人員提出將兩者相結(jié)合的新方法,即先對地質(zhì)條件較差的地層進(jìn)行水泥注漿改良,然后再進(jìn)行人工凍結(jié)的方法。然而目前對水泥改良土凍脹融沉特性的研究相對較少,本課題即在此背景下提出,通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,對水泥改良粉質(zhì)粘土的凍脹融沉特性開展了一系列研究。首先,通過常規(guī)土工試驗(yàn)和熱物理參數(shù)試驗(yàn)測試了水泥改良前后土體的含水率、滲透系數(shù)、凍結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù),總結(jié)了各參數(shù)在不同水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期下的變化規(guī)律,并為后續(xù)的室內(nèi)凍脹融沉試驗(yàn)、數(shù)值模擬提供了必要的參考。然后,在自行設(shè)計(jì)并加工的室內(nèi)凍脹融沉試驗(yàn)裝置上,開展了水泥改良土的凍脹融沉單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn),得到了水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、冷端溫度和含水率四個因素對水泥改良土凍脹率和融沉系數(shù)的影響規(guī)律,及各影響因素的主次關(guān)系和顯著程度。同時(shí),通過對凍脹融沉試驗(yàn)過程中溫度和位移的監(jiān)測及凍結(jié)后土體試樣不同部位含水率的測量,得出試驗(yàn)過程中溫度場和位移場的發(fā)展規(guī)律以及水分重分布規(guī)律。最后,參考凍土相變溫度場、水分場相關(guān)基本方程,建立了飽和正凍土的水熱耦合模型,并利用COMSOL Multiphyscis數(shù)學(xué)模塊中的系數(shù)型偏微分方程接口建立水泥改良粉質(zhì)粘土單向凍結(jié)二維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行求解,分析了凍結(jié)過程中土體試樣內(nèi)溫度場、水分場和凍脹量的變化規(guī)律,并與室內(nèi)凍脹試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了模型的可行性和有效性。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU445
【部分圖文】：

9%、12%、15%、18%）的改良土，試樣制備好后，連同模具一起稱重，保證試樣符合要求，即重塑土密度與要求密度之差不大于±0.01g/cm3，水泥土含水率與要求含水率之差不大于±1%。若不達(dá)標(biāo)，該試樣重做。最后將符合要求的試樣用保鮮膜包裹嚴(yán)實(shí)，并用膠帶纏裹好，放進(jìn)恒溫箱中按標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。相關(guān)研究表明水泥會與土中水發(fā)生水解和水化等反應(yīng)，反應(yīng)過程中，土中部分自由水轉(zhuǎn)變成水泥水化產(chǎn)物中的結(jié)晶水，而采用烘干法測定土樣含水率時(shí)部分結(jié)晶水在 110℃條件下不能被蒸發(fā)出來，所以總體來說水泥土的含水率略低于天然土樣的含水率，一般減少0.5%~7.0%，且隨著水泥摻入比的增加而減少[5]。對于普通硅酸鹽水泥來說，其中硅酸三鈣和硅酸二鈣的含量占大部分，而水化反應(yīng)中消耗水分的也正是這兩種成分，因此在水泥改良土制備時(shí)，需要對達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期要求的水泥土進(jìn)行含水率測試，明確水泥改良土中含水率的變化情況。試驗(yàn)步驟主要為：從達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期要求的水泥改良土試樣中心分別選取大約 50g 土放入稱量盒內(nèi)，稱量盒加濕土的質(zhì)量并進(jìn)行記錄，然后打開盒蓋并將盒置于 105℃~110℃的烘箱內(nèi)大約烘干 8h 至恒重，稱量盒加干土質(zhì)量并進(jìn)行記錄，最后按公式計(jì)算同一試樣的平均含水率。圖 2-3 為室內(nèi)測量水泥土含水率的試驗(yàn)過程。

（a）TST-55 型土壤滲透儀 （b）供水裝置圖 2-5 水泥改良土滲透試驗(yàn)Figure 2-5 Test on infiltration of cement-improved soil2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)達(dá)西定律可求得土的滲透系數(shù)，按照變水頭法測得的滲透系數(shù)可按下式（2-1）計(jì)算：1 12 2 1 22.3 lg( )TA l hkA t t h （2-1）式中Tk 為水溫為 T℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；2.3 為 ln 和 log 的變化因數(shù)；A1為變水頭管的斷面積，cm3；l 為滲徑，即試樣的高度，cm；A2為試樣的截面積，cm3；1t 、2t 分別測試水頭的起始和終止時(shí)間，s；1h 、2h 分別為起始和終止水頭，cm。試驗(yàn)測得的養(yǎng)護(hù) 14d 和 28d 的改良土滲透系數(shù)的平均值如表 2-3 所示，滲透系數(shù)與水泥摻量的關(guān)系曲線如圖 2-6 所示。表 2-3 不同水泥摻量改良土滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 2-3 Test results of soil permeability coefficient improved by different cement content

（a）試樣制備與熱電偶埋置 （b）高低溫交變恒溫試驗(yàn)箱 （c）DT85-Datataker 數(shù)據(jù)采集儀圖 2-8 水泥改良土凍結(jié)溫度試驗(yàn)Figure 2-8 Test on freezing temperature of cement-improved soil2.4.4 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)步驟穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法是土體導(dǎo)熱系數(shù)測試常用的兩種方法。穩(wěn)態(tài)法是通過土樣在穩(wěn)定的傳熱過程中，當(dāng)傳熱速率與散熱速率達(dá)到動態(tài)平衡來計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，這種方法雖然操作簡單、計(jì)算準(zhǔn)確，但是試驗(yàn)過程花費(fèi)時(shí)間較長，且對試驗(yàn)環(huán)境要求比較嚴(yán)格。瞬態(tài)法是指試驗(yàn)測量過程中土體試樣溫度不是穩(wěn)定不變的而是隨著時(shí)間的變化而變化，通過測量土體試樣內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化的過程以及其他一些參數(shù)，從而計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)的方法[76]。本試驗(yàn)采用的是瞬態(tài)平面熱源法，使用的儀器是 DRE-2C 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，它是基于TPS 瞬態(tài)平面熱源技術(shù)，用 Hot Disk 作為探頭的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。試驗(yàn)過程中 Hot Disk 探頭作為熱源，同時(shí)它又是溫度傳感器，所以可通過測試溫度與探頭的相應(yīng)時(shí)間來計(jì)算測試試樣的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。該方法具有測試速度快、方式簡單、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。具體試驗(yàn)過程如圖 2-9 所示。試驗(yàn)具體步驟如下：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2821427