（岩土工程专业论文）冻融作用对aughtset固化剂改良土力学特性的影响实验分析.pdf

季 学位论文版权使用授权书 嗽y 帆1 吣7 呲8 帆帆1 m 1 呲3 1 1 7 帆 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：黼 签字同期：吲汐年月j j 日 3 导师签名：秒 签字日期：? l ； 中图分类号：1 1 3 4 4 1 9 3 学校代码：1 0 0 0 4 北京交通大学 硕士学位论文 冻融作用对a u g h t s e t 固化剂改良土 力学特性的影响实验分析 u d c ：6 2 5 密级：公开 e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fi m p r o v e d s o i lb ya u g h t - s e ts o l i d i f i e da g e n tu n d e r f r e e z e t h a w i n gi m p a c t s 作者姓名：张建楠 导师姓名：刘建坤 学位类别：工学 学科专业：岩土工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 学号：0 8 1 2 1 5 2 9 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：路基工程 1 致谢 岁月如梭，转眼间，两年的研究生学习生活即将结束。依依不舍的是那美丽 的校园，和蔼可亲的老师、同学们。在此对美丽的交大和所有老师同学们深深的 祝福! 本文是在导师刘建坤教授的悉心指导下完成的。两年来，刘老师那渊博的专 业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，平易近人的人格魅力都深深的 感染着我。他不仅授我以文，更多的是教我做人，做事。在整个学习和实验阶段， 导师一直在激励我，教诲我，鞭策我，以宽广的胸怀包容着我许多不懂事。在此 谨向导师表达崇高的敬意和衷心的感谢! 还要感谢我的师兄师姐们，田亚护师兄，彭丽云师姐，王天亮师兄，马立峰 师兄。你们给予我很多的帮助和指导，同时也为我树立了很好的榜样，感谢你们。 论文的完成更离不开其他的同学们，饶增同学、陈岩同学、贾伟同学、李斌 同学、尹文平同学、在此我对你们表示诚挚的感谢! 最后，要深深的感谢我的父母和远在大洋彼岸求学的妻子对我生活上无微不 至的关怀，是你们一如既往地支持我、鼓励我，使我j i r 哽n 的完成学业! 中文摘要 中文摘要 我国高速铁路发展迅速，如此辽阔的土地上建设高速铁路难免会受到各种环 境因素的制约。在季节性冻土区铁路的路基承受着冻融循环的影响，要寻找一种 有效的抵抗冻融循环的路基土改良方法。由于列车对路基的循环荷载作用，因此 改良后的路基还要有优良的动力学特性。固化剂改良土是近年来采用的一种新的 土壤改良技术，并且在国内外都有应用。本文以哈大客运专线为工程背景，对 a u g h t - s e t 固化剂改良土进行在冻融循环作用下的静力与动力特性进行实验分析， 主要做了如下几个工作： 首先，对无冻融循环的素土与a u g h t s e t 固化剂改良土进行了无侧限抗压强 度对比实验。再利用室内实验来模拟路基承受冻融循环作用，得到冻融循环负温 和冻融循环次数变化对改良土无侧限抗压强度的影响。模拟真实路基承受的围压 力，对冻融循环下的固化剂改良土进行围压为2 0 k p a 的常规三轴实验，得到冻融 循环作用下改良土的应力应变的变化规律。 其次，对无冻融循环的素土与a u g h t s e t 固化剂改良土进行了动力三轴实验， 了解无冻融循环时固化剂改良与与素土的动力学特性。进行冻融循环下的 a u g h t - s e t 固化剂改良土动力三轴实验，得到a u g h t s e t 固化剂改良土动力学指标 随冻融循环作用的变化规律。包括：临界动应力、动模量、动强度随冻融负温降 低的变化规律和随冻融次数增加的变化规律。 关键词：高速铁路路基固化剂改良土冻融循环作用土的动力学特性 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g l l s p e e dr a i l w a yd e v e l o p sr a p i d l yi nc h i n a h o w e v e r , a sc h i n ah a sav a s t t e r r i t o r ya r e a , t h ec o n s t r u c t i o no ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi s l i m i t e db yav a r i e t yo f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s i nt h es e a s o n a lf r o z e ns o i la r e a , t h er a i l w a ys u b g r a d en e e d st o o v e r c o m et h ef r e e z e t h a w i n gi m p a c t s t h e r e f o r e ，a ni m p r o v e dm e t h o dw h i c hi sa b l et o e f f e c t i v e l yr e s i s tt of r e e z e t h a w i n gc y c l e si sn e e d e d a l s o ，a st h ec y c l i cl o a d i n ge f f e c t s o ft h et r a i nt ot h es u b g r a d e ，t h ei m p r o v e ds u b g r a d en e e d st op o s s e s sq u a l i t yd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i nr e c e n ty e a r s ，t h ei m p r o v e ds o i lb ys o l i d i f i e da g e n ti san e wt e c h n i q u e i ni m p r o v i n gs o i lp r o p e r t i e s ，a n dh a sb e e nb r o a d l yu s e da th o m ea n da b r o a d i nt h i s p a p e r , w em a i n l ya n a l y z et h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p r o v e d s o i lb y a u g h t s e t s o l i d i f i e da g e n t u n d e rt h ei m p a c t so ff r e e z e - t h a w i n gc y c l e sb y e x p e r i m e n t s w et a k et h eh a r b i n - d a l i a nr a i l w a ya st h eo b j e c tb a c k g r o u n d ，a n do u r m a j o rw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t , w ec a r r i e do u tt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t b e t w e e nt h ep l a i ns o i l sw h i c hd o n th a v et h ef r e e z e - t h a w i n gc y c l e sa n dt h ei m p r o v e d s o i l sb ys o l i d i f i e da g e n t s t h e n ，w es i m u l a t e dt h ei m p a c t so f t h ef r e e z e t h a w i n gc y c l e s o nt h er a i l w a ys u b g r a d e ，a n dc o n c l u d e dt h ee f f e c t so ft h en e g a t i v et e m p e r a t u r ea n dt h e f r e q u e n c yo ft h ef r e e z e - t h a w i n gc y c l e st ot h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h e i m p r o v e ds o i l f u r t h e r m o r e ，w em o d e l e d t h es u r r o u n d i n gp r e s s u r eo ft h er e a ls u b g r a d e ， c o n d u c t i n gac o n v e n t i o n a lt r i a x i a le x p e r i m e n tw i t ht h e2 0 k p as u r r o u n d i n gp r e s s u r e t o t h ef r e e z e t h a w i n gc y c l i ci m p r o v e ds o i l ，a n do b t a i n e dt h es t r e s sa n ds t r a i nv a r i a t i o no f t h ei m p r o v e ds o i lu n d e rt h ef r e e z e - t h a w i n gc y c l i ci m p a c t s s e c o n d , i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ek i n e t i ce f f e c t so ft h e s o l i d i f i e da g e n tt ot h e p l a i n s o i l sw i t h o u tf r e e z e t h a w i n g c y c l e s ，w e c o n d u c t e dt h ed y n a m i ct r i a x i a l e x p e r i m e n tt ob o t ht h ep l a i ns o i l sa n dt h ei m p r o v e ds o i l s t h e n ，t h ed y n a m i c t r i a x i a l e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do nt h ei m p r o v e ds o i lb ya u g h t - s e ts o l i d i f i e da g e n tt og e tt l l e v a r i a t i o no fd y n a m i ci n d e x e s ，w h i c hw e r ea f f e c t e db yf r e e z e - t h a w i n gc y c l e s t h ei n d e x v a r i a t i o n si n c l u d et h ev a r i a t i o no ft h ec r i t i c a ld y n a m i cs t r e s s ，t h ed y n a m i cm o d u l u s ， a n dt h ed y n a m i cs t r e n g t h ，w i t ht h ed e c r e a s eo ft h en e g a t i v et e m p e r a t u r eo ft h e f r e e z e - t h a w i n g ，a n dt h ei n c r e a s eo ft h ef r e e z e - t h a w i n gt i m e s v 北京交通大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a ys u b g r a d e ，i m p r o v e ds o i lb y s o l i d i f i e d a g e n t , f r e e z e t h a w i n gc y c l e ，s o i ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c _ l 目录 目录 j l 定谢i i 中文摘要i i i a b s t r a c t v 目j i 乏v i i 1 绪论l 1 1j ； i 言1 1 2 研究现状2 1 2 1 改良土的分类与研究现状2 1 2 2 冻融循环的研究现状7 1 3 主要研究内容8 2 材料及土壤固化剂的基本性质1 l 2 1 素土的基本性质实验研究1 1 2 1 1 素土的颗粒成分1 1 2 1 2 素土的比重1 3 2 1 3 素土的界限含水率1 3 2 1 4 素土的击实特性1 4 2 1 5 土性定义15 2 2 土壤固化剂的特点及选取。1 5 2 2 1 土壤固化剂的种类与特点1 5 2 2 2 土壤固化剂的选取1 6 2 3 基本实验方法及改良土特性实验分析l8 2 3 1a u g h t - s e t 固化剂改良土实验室配置方法1 8 2 3 2 试验土样的制备及养护方法1 9 2 4 固化剂改良土无侧限抗压强度与龄期的关系2 l 2 5 本章小结2 3 3 冻融循环对改良土静力性质的影响2 5 3 1 概j 苤2 5 3 2 实验仪器及原理2 5 3 2 1 实验仪器介绍2 5 3 2 2 实验方案2 6 3 3 实验结果分析2 7 3 3 1 无侧限抗压强度实验结果2 7 3 3 2 常规三轴实验结果3 2 3 4 本章小结3 9 4 冻融循环对固化剂改良土动力特性影响4 1 4 1 概j 丕4 1 4 2 实验仪器介绍4 1 4 3 土的动本构关系4 2 4 4 实验方案4 5 4 4 1 实验条件4 5 北京交通大学硕士学位论文 4 4 2 数据整理方法4 7 4 5 实验结果与分析4 8 4 5 1 无循环素土与改良土无冻融循环时动力特性4 8 4 5 2 振次与累计塑性应变的关系4 9 4 5 3 冻融负温变化对临界动应力的影响5 l 4 5 4 冻融次数的对动模量的影响5 2 4 5 5 冻融负温的变化对动模量的影响。5 4 4 5 6 冻融负温和循环次数对初始动模量的影响5 6 4 5 7 循环次数对动强度的影响5 7 4 5 8 冻融负温变化对动强度的影响5 9 4 6 本章小结6 1 5 结论与建议6 3 5 1 结论6 3 5 1 1 静力特性研究结论6 3 5 1 2 动力特性研究结论。“ 5 2 继续研究建议6 4 参考文献6 7 作者简历6 9 独创性声明7 l 学位论文数据集7 3 o 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 近年来，随着我国经济的飞速发展，基础设施建设成为决定发展首要问题。 随着能源、环境等问题的日益突出，面对许多问题的压力，就要寻求一种高效、 节能、环保的运输方式，高速铁路因此而备受青睐。我国从引进时速2 0 0 公里高 速列车技术，到自主开发时速3 5 0 公里、3 8 0 公里“和谐号 动车组；从京津城 际铁路、武广高铁运营，到京沪高铁即将开通，中国迅速跨入引领世界的“高铁 时代 。 环境制约着高速铁路的建设。在高纬度或者低纬度高海拔地区，岩石圈的表 层长期处于负温度状态，土壤空隙中的液态水被冻结，转变为固态的冰，并且胶 结松散的土颗粒，因此，处于o 度或者0 c 以下，并为冰所胶结的土壤，称为冻 土。而冻结状态时间可保持数月，起始为冬初，融化为春季或者夏季，在南北高 纬度地区普遍存在。这样的冻土形式称为季节冻土【1 】。而在季节性冻土地区，冻 害又成为了对铁路的损害是特别常见的一种病害，严重影响着行车的安全。在我 国的东北地区铁路路基由季节性冻土带来的危害每年都在发生。由于土壤性质不 同而引起的不均匀，在线路上形成高低不平的各种类型冻包，单股侧向冻起，双 股异向冻起等冻害现象，最后由于土壤融冻回落，土壤中水分重新分配，造成路 基翻浆冒泥、道碴陷槽、边坡坍塌和路基下沉等路基病害。我国幅员辽阔，季节 性冻土区占国土总面积的一半以上，建设高速铁路就难免要遇到季节性冻土的破 坏。那么在季节性冻土区建设铁路要使列车高速、安全、平稳运行，轨面应具有 较高的平顺性，对于支撑轨道基础的路基就提出了更高的要求。 铁路路基设计规范( t b1 0 0 0 1 0 5 ) 中，根据铁路路基填料的物理力学性质 和适用性，将路基填料分为a 、b 、c 、d 、e 五个组。 a 组优质填料，包括硬块石，级配良好的漂石土、卵石土、砾石土、砂石、 砾砂、粗砂级中砂。 b 组一良好填料，包括不易分化的软块石( 胶结物为硅质或钙质) ，级配不良 的漂石土、卵石土、碎石土、砾石土、砂砾、粗砂、中砂，细粒土含量在1 5 3 0 范围的漂石土、卵石土、碎石土、砾石土、及细砂、粘砂、砂粘土。 c 组一可使用的填料，包括软块石( 胶结物为泥质，易风化的) ，细粒土含量 还拥有很强的水稳性，抗冻性也不错。由于石灰改良土的强度龄期比较长一般可 以达到8 年到1 0 年，2 8 天强度只能达到3 0 左右，所以延迟时间比较长一般可 以达到2 到4 天，这样对施工的工期就受到了限制。那么在对路基的强度，稳定 性，平顺性的要求更高的高速铁路，尤其是环境影响剧烈，水泥改良土和石灰改 良土效果都不佳时就要选择更优异的改良方法一固化剂改良。现在国内采用的固 2 绪论 化剂一般都是一种新型的土壤改性加固材料，以高钙灰和脱硫石膏两种工业废料 为主要原料，辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等次要成分，采用生 石灰消解法除去脱硫石膏中的自由水，按全粉料配料的方法研制而成。 当今世界经济高速发展的同时，对交通工具的要求越来越高，很多国家都在 开展对高速列车的研究。而列车的高速，安全，平稳的运行，就要要求其轨面要 具有较高的平顺性。那么，高速铁路对支撑轨道基础的路基提出了很高的要求， 不但要有足够的强度和刚度，并且纵向变化均匀，稳定性要更好。从而路基的变 形成为了重要的控制指标。这样路基基床便成为高速铁路设计中的一个重要的部 分。 对于改良土在路基工程上的应用已经有上百年的历史。在二战期间，由于对 修建机场跑道的需要，改良土在路基上的应用得到了发展。在上个世纪五，六十 年代改良土逐渐成熟，并广泛的应用与公路，铁路与机场跑道的建设中。从世界 上第一条高速铁路一日本东海道新干线从1 9 6 4 年投入运营以来，许多国家都建立 了各自的该素铁路体系。由于高速铁路的高效性，安全性，舒适性，节能性，高 利润，的优点，发展高速铁路已经成为世界各国铁路发展的共同趋势。 浙赣线【3 1 ( 原广铁管段) 2 0 0 k m h 区段位于湖南株洲、醴陵市一带。该地区路 基填筑过程中可直接应用的a 、b 类良好填料很少。大量的路基填料属d 、c 类 填料。那就需要对土质进行化学或物理改良，才能满足高速铁路路基技术标准。 再如，京沪高速铁路和秦沈客运专线沿线有较长路段优质填料缺乏【4 】，国外高速 铁路在路基施工中都曾遇到过缺乏优质填料的情况，各国都采取了相应的土质改 良方法。日本采用加入水泥或石灰改良剂改良遍布于全国的火山灰质黏土；德国 则在高速铁路路基填料中使用了水泥或石灰粉、石灰浆等改良剂【5 1 。因此填料的 改良问题成为高速铁路路基的重要内容。为了确保改良土的施工质量满足设计要 求必须进行改良土的物理力学特性试验研究。 1 、一般改良土研究现状： 改良土一般有水泥改良土和石灰改良土，还有固化剂改良土。由于改良的机 理不同，改良效果也不同。现如今不论是国内还是国外对水泥改良土和石灰改良 土的研究甚多，已经比较成熟。水泥改良土和石灰改良土已经用在不同的领域， 除路基外还有对建筑地基的加固，边坡稳定等等。而固化剂改良土目前还是个新 型的改良方法，国内外对其研究的还是比较少。下面介绍了这几种改良土的国内 外研究现状。 杨广庆【6 】。结合秦沈快速铁路工程实际，进行了石灰粉煤灰改良土的物理力 学特性试验。证明了二灰改良土用作高速铁路路基基床底层材料的可行性。 魏海斌【_ 7 】：为研究粉煤灰土作为路基填料的可行性，把易液化的粉煤灰和易 3 o l e 粉煤灰 ，以及 3 次冻 为季冻 煤灰土 、石灰 了土工 ，经改 ，将会 强度试 路基填 土具有 控制， 对石灰改良土的含水量、含灰率、松铺厚度及碾压遍数等施工工艺参数进行了详 细研究。 谭剑锋【1 2 】结合广梧高速公路路基填料的选择及高含水量土的改良情况，阐述 了路基填料的分类及选择、适宜改良土的类型及其注意事项，总结了改良土施工 技术与控制。 袁香菊【1 3 】介绍了路基改良土的一些改良方法。并在实践应用中做了多方面分 析。证明应用电石灰改良土质既能保证质量又可降低费用 杜栋【1 4 】从铁路第五期提速施工的实际角度出发，详细介绍了石灰改良土从改 良机理、试验、施工到检测的全过程，以解决目前铁路工程建设施工中石灰改良 土的施工控制难点。 钱春阳【1 5 】：对新建高速铁路浙赣线2 0 0 k m h 区段路基改良土进行室内土工 试验和室外原位测试试验研究得到浙赣线广铁管段路基改良土的最佳改良方案 和施工方案。 a r o r a , s u n i l 1 6 】等发现利用火山灰加粉煤灰( f ) 稳定土作为基层具有较高的强 度、抗冻融性和稳定性。 p a t r i c i a m1 1 7 】等利用动三轴试验对饱和沙土的变形特性进行了研究。结果表 4 绪论 明，沙土未用硅酸水泥加固后的试样在循环荷载下应变由小变大，达到液化后应 变迅速变大至破坏，而用硅酸水泥加固后的试样在循环荷载下应变式均匀变化的。 说明沙土未用硅酸水泥加固后在小应力下可以抵抗变形。 y a r b a s i ，n e c r n i 【嵋】等对石灰、粉煤灰和水泥三种改良土进行了冻融循环试验， 通过参数( 抗压强度、加利福尼亚承载比、超声波和共振试验) 对比，表明三种 改良土具有良好的抗冻融耐久性，明显改善了为改良土样的动力性能。 2 、固化剂改良土研究现状 土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物 反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。国外使用固化剂作为路基填料的改良有3 0 年左 右的历史，其中美国、日本、德国、澳大利亚、南非等国都处在研究与应用的前列。 大量资料表明，在全球范围内土壤固化剂的开发，应用正在成为铁路路基建设发 展的新趋势，尤其固化剂的品种不断增多，应用范围也逐渐拓展，应用技术也将 日趋完善。 由于国外在固化剂的应用方面历史悠久，有很多的成功经验和成型产品，通 过各种渠道进入我国的也很多。为了确定名目众多的固化剂使用效果，多年来国 内对固化剂进行研究应用的很多，尤其对液体固化剂。但对这些固化剂的研究莫 大多不系统或存在局限性。有的没有全面系统的室内试验没有的只修了些试验路 段，却没有系统的监测和合理的结论，所以限制了固化剂产品的推广应用。m e d i n a 等针对红土的成分，t o m o h i s a 等提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰 土加固处理那些含水量高和有机质含量高的土壤；z a l i h e 等用粉煤灰和石灰来加 固含有石灰质的膨胀性粘土。m u n j e d 等用一种沉积物燃烧后的物质作为一种土壤 固化剂；r o b e a 研究了一种高浓缩的液体土壤固化剂( c i s ) ；s a b o u n d j i a n 对一种有 机土壤固化翕u ( e m c 2 ) 在路基加固中的应用做了报道； 彭波【19 】据固化剂加固土的试验，研究结果，分析了新型固化剂加固土的强度 形成机理，同时通过试验，研究了新型固化剂加固土的路用性能，并同石灰加固 土进行了对比分析。 戴文剖2 0 】采用美国b a s e - - - s e a l 固化剂( b s 一1 0 0 型) ，对长春地区典型黏性土 进行了固化处理，同时对其加固土的路用性能进行了系统地试验研究。首先，进 行了b a s e s e a l 固化剂加固土的最佳配合比筛选试验，在此基础上进行了最佳配 合比条件下加固土的无侧限抗压强度、间接抗拉强度、室内回弹模量、冻稳定性、 水稳定性和渗透性等路用性能指标方面的试验研究，得出b a s e - - s e a l 固化剂加固 土作为路面基层材料具有早期强度和回弹模量高、抗弯拉性能、冻稳定性能、水 稳定性能和抗渗性能好的结论，适合在长春地区及其气候、土质相似地区的道路 工程中应用。 5 r 北京交通大学硕士论文 周坤【2 l 】通过室内试验对固化剂加固土、石灰固化剂加固土的无侧限抗压强 度、回弹模量、浸水膨胀系数和承载比等物理力学性质进行了分析与评定。 方祥位【捌按一定掺量向土中掺入石灰和g t 型土壤固化剂制成石灰改良土样 和固化剂改良土样并进行养护、浸水，对土样进行击实试验、直剪试验、压缩试 验和渗透试验。试验结果表明固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、压缩性、抗 渗透性等工程特性明显优于石灰改良十。分析了g t 型土壤固化剂加固土的机理， 为进一步的研究和工程应用提供参考。 黄志军【2 3 】通过室内试验，系统研究了奇极土壤固化剂在常温和冻融循环条件 下改良土的物理力学性能，以及配比，龄期、冻融循环周期等因素对改良土强度 特性的影响规律，为实际工程应用提供了依据 董邑宁【2 4 】通过不同掺入比和不同龄期时固化土( 新型固化剂) 的无侧限抗压强 度试验结果，分析了掺入比、龄期对固化土强度的影响。试验结果表明，该固化 剂对黏土的加固效果优于水泥，固化土的强度为水泥土的1 5 _ - 2 4 倍；固化剂强 度与龄期、掺入比关系密切，不同掺入比时随龄期的增长固化土强度的变化也有 所不同。 郭柏林【2 5 】结合广东省湛江市徐闻县境内修建的农村公路，利用i s s ( i o n i cs o i l s t a b i l i z e r ) 离子土壤固化剂加固土作为道路基层，开展了i s s 加固含砂高液限粉土 的室内和现场试验研究。离子土壤固化剂加固土的强度和水稳性相比素土有较明 显的提高，收缩性显著降低，土的工程性能得到明显改善。根据室内试验结果， 确定了i s s 加固含砂高液限粉土的配合比，修筑了长度为6 0 0m 的i s s 加固土基 层试验路，提出了i s s 土壤固化剂加固土作为低等级道路基层的施工工艺和技术 要点。对试验路进行了弯沉检测、评价以及跟踪调查，结果表明，离子土壤固化 剂加固土基层使用效果良好。 沈飞【2 6 】概括分析固化剂的固化机理，总结了现阶段土壤固化剂研究和应用领 域中存在的若干问题，以及影响固化剂性能发挥和使用的因素，并对土壤固化剂 的发展提出几点建议。 赵卫全刚对新型土壤固化剂无侧限抗压强度进行试验研究得出结论：( 1 ) 新型 土壤固化剂的加入使固化土的无侧限抗压强度明显提高，在获得相同抗压强度下 可以节约水泥用量，降低工程施工成本：( 2 ) 新型土壤固化剂加固土的无侧限抗压 强度受固化剂掺量、成型压力、水泥掺量和龄期影响较大，可以根据工程需要和 施工工艺调整固化剂配方；( 3 ) 新型土壤固化剂早期强度高，可以加快施工进度； ( 4 ) 需要对新型土壤固化剂的耐久性和渗透性进行研究。土壤固化剂作为一种新材 料需要在工程实践中不断改进和提高 彭波【2 8 】对液体固化剂加固土进行了系统的试验研究，分析了利用双电层理 6 ， 绪论 论加固土的强度形成机理，同时对液体固化剂加固土与石灰加固土的路用性能进 行了对比分析并且证明了液体固化剂加固土具有优于石灰加固土的路用性能。 何东坡【2 明通过试验，对中路1 号土壤固化剂加固土的无侧限抗压强度等方面 的路用性能指标进行研究，并简要介绍了中路1 号土壤固化剂加固土基层的施工 工艺，同时，对其强度形成机理作了初步探讨。 1 2 2 冻融循环的研究现状 马巍【3 0 】根据试验结果，讨论了冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响。试 验发现反复冻结和融化强烈影响着石灰土的强度特性。一次冻融循环后，对未 加石灰的粉土来说。其剪切强度变化不大，但是对石灰粉土来说，其剪切强度明 显低于未冻融的，而且随冻融循环次数的增加，石灰粉土的剪切强度逐渐衰减， 经历1 0 次冻融循环的饱水石灰粉土强度最低0 刘建坤，王天亮【3 l 】通过对不同配合比下水泥改良土和石灰改良土冻融循环后 进行了动力三轴实验，得到冻融循环后，临界动应力和动模量衰减门槛与冻融温 度和冻融次数的关系。 冯勇【3 2 】通过室内均匀正交试验设计，对不同含水量、密实度、易溶盐含量和 粘粒含量的细粒土进行冻融循环试验，研究了不同状态下细粒土在冻融循环作用 下抗剪强度的变化规律；运用p p r 对试验结果进行分析，得出试验各因素对细粒 土抗剪强度指标c ，矽值影响变化的重要性排序。 ” 齐吉琳【3 3 1 从试验仪器和研究方法、冻融作用下土的物理性质和力学性质的变 化及其机理等几个方面，对土的工程性质受冻融循环影响而改变的研究现状进行 了总结和分析，列出了典型的研究成果。文献研究表明，土经过冻融后，渗透性 会增大；松散土和密实土的密度具有不同的变化趋势；原状超固结土的结构性受 到破坏，因而三轴试验的应力应变曲线峰值受到削弱，一维压缩试验中表现为前 期固结压力降低；强度的变化则有诸多不同的试验结果。 g h a z a v i ，m ，r o u s t a i e ，m 1 3 4 1 通过对添加了聚丙烯纤维土，进行了冻融循环， 实验结果表明，加入聚丙烯纤维土样冻胀减弱，并且较没加入纤维的土样无侧限 抗压强度有所增加。 马文生【3 5 】通过对刘庄矿井冻融土和原状土的化学成分分析，电镜扫描，并结 合原状土和冻融土的力学性质，得出力学性质与化学成分和微结构之间的关系。 杨平【3 6 1 ：研究了原状土与冻融土的密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙 比、塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数等物理指标，以抗剪强度、无 7 l i - - - - ， 北京交通大学硕士论文 侧限抗压强度、压缩模量等力学指标的差异性，并讨论了这些差异对设计的影响。 根据原状冻土和扰动冻土的强度和蠕变试验结果，全面地讨论了原状、扰动冻粘 土单轴抗压抗拉、抗剪强度及蠕变变形特性的差异性。由试验得出，原状冻粘土 强度及蠕变变形低于扰动冻粘土，而弹性模量高于扰动冻粘土。并说明了两种冻 粘土力学指标出现差异的原因，其结果对冻结工程设计指标确定具有重要参考价 值。 刘建坤【3 7 】等，对浅层土壤进行冻融，通过实验，得到不同融化温度以及不同 冻融负温下土的应力应变变化关系。 f o o s e g a r yj , t h o m s o nj r , r o b e r ta 3 8 】通过膨润土的冻融循环试验分析，认为 膨润土的水力传导系数在若干个冻融循环后会增加，原因是膨润土膨胀后不能填 充孔隙，因此膨润土不能作为抵制冻融破坏的混合料。 c h a m b e r l a i n ，e j , e r i c k s o n , a e 3 9 1 等 对两种粘土层进行了水传导率室内试 验，通过冻融循环前后对比，发现粘土的水传导率明显增加，土样切片发现冰晶 体和冰填充的裂缝。 w a n gd a y a n m aw b i 4 0 , 4 1 1 等对粉质粘土进行了室内冻融循环试验，研究表明， 土体的物理力学性质( 试样高度、含水量、应力应变曲线、弹性模量、强度和黏 聚力) 在冻融循环后发生改变。 1 3 主要研究内容 现如今列车提速已经成为我国基础设施建设中非常重要的一个部分，而在提 速的同时也遇到了许许多多的问题，我国土地辽阔，由于气候和路基填料的不优 良所造成的问题比比皆是。在实践中发现，在季节性冻土区条件下的路基，往往 在经历一个或两个冬天的冻融循环后，强度会低，由于冻结作用而造成路基体积 膨胀。季节性冻土融化时，冰晶和冰膜融化成水，这样土层在重力和荷载作用下 产生下沉，路基软弱，强度急剧降低，在列车荷载作用下路基面长生鼓包，唧泥 现象。因此用于多变环境条件下的高铁路堤改良土必须具备优良的力学特性。现 在研究应用水泥和石灰改良土已经比较成熟。而固化剂改良在国内研究的还并不 多。本文对固化剂改良土进行冻融循环实验，通过对改良后的和未改良的动力特 性实验数据的整理分析，对固化剂改良土的性质进行评价。 本文以哈大客运专线为工程背景，在施工现场取来实验土，选出部分土进行 固化剂改良，分别对素土与改良土进行冻融循环，来模拟东北季节性冻土环境， 进行静三轴与动力三轴试验。 8 绪论 基于以上分析，本文的研究内容主要如下： 1 分别对未经过冻融循环的素土和一定掺入量的固化剂改良土进行无侧限抗 压强度实验，评价固化剂改良土在无冻融循环作用下的改良效果。再对固化剂改 良土进行5 种不同冻融温度的冻融循环，对不同冻融负温下的改良土进行无侧限 抗压强度实验，了解改良土无侧限抗压强度随温度降低和随冻融次数的增加的变 化情况。 2 通过对固化剂改良土和素土冻融循环下的常规三轴试验，研究改良土在冻 融循环作用下的静力学特性，主要包括：改良土在不同冻融负温下，冻融循环次 数的增加应力应变变化规律；以及不同的冻融次数下改良土的应力应变关系随冻 融负温降低的变化规律。 3 通过对固化剂改良土和素土冻融循环下的动力三轴试验，研究在围压一定 的情况下，固化剂改良土的临界动应力、累计塑性应变、动弹模量和动强度随着 冻融负温降低和随冻融次数的增加的变化规律。 9 lil b ，j 扪 - j l 一 | 0 曩 材料及土壤同化剂的基本性质 2 材料及土壤固化剂的基本性质 2 1 素土的基本性质实验研究 土的基本性质的研究是岩土力学性质研究的理论基础。其主要包括土的成因 与组成；土的物理性质；土的工程分类与鉴别。本文研究固化剂改良土的动力特 性，那么首先要对素土的基本性质进行研究。在前往哈大客运专线施工现场进行 调研后，选定试验段和具体试验点，选取哈沈段鞍山某取土场为试验土样。对与 本实验所需要的土的基本性质，进行基本的土性分析试验，试验内容包括土样颗 粒分析试验、颗粒比重试验、液塑限测定试验及击实试验。 2 1 1 素土的颗粒成分 土的颗粒成分分析试验是测定土样中不同大小粒径的颗粒占该土样总质量的 百分比，得到土的颗粒级配。其根据粒径的大小选取试验方法，主要方法筛析法 和密度计法。 l 筛析法颗粒分析试验： 对应于粒径大于o 0 7 5 m m 的粗粒土，一般用筛析法分析土颗粒大小。筛析法 是采用不同孔径的分析筛，由上至下孔径自大到小叠在一起。通过筛析后，得到 不同孔径筛上土质量，进而计算出粒组含量和累积含量。 2 比重计法颗粒分析试验： 对应于粒径小于0 0 7 5 m m 的细粒土，采用比重计法。小球体在水中下沉时满 足：小球体在水中沉降的速度是恒定的；小球体沉降速率与球体直径d 的平 方成正比。比重计法正是利用这一原理来进行颗粒分析的。比重计法通过测定土 粒直沉降速度后求相应的土粒直径。土粒在静水中沉降速度可通过斯托克斯公式 f = 6 万r r v 求得。其中，r 是流体的黏度，r 是小球的半径，v 是小球相对流体的 运动速率。 土粒直径通过下式计算求得： d = ( 2 1 ) 式中：h _ 一水的动力粘滞系数( k p a s 1 0 _ 6 ) ；g 。7 t 时水的比重；g 旷土 l l 北京交通大学硕士论文 颗粒比重；p w r _ 4 时纯水的密度( c i i l ) ；瞄一时间内的土粒沉降距离( c m ) ； 卜沉降时间( s ) ；旷重力加速度( c i i l s2 ) 。 比重计在悬液中之沉浮决定于悬液的密度变化。悬液密度较大时，比重计在 悬液中悬浮位置较高，密度计上读数较大；反之，读数较小。将悬液静置一定时 间t 后，将密度计放入盛有悬液的量筒中，测得某深度h t ( 称有效深度) 处的密度， 并按上述公式求出下沉至h t 处的最大粒径d ；通过计算即可求出h t 处单位体积 悬液中直径小于d 的土粒含量，以及这种土粒在全部土样中所占的百分含量。 3 试验结果 全部土粒颗粒粒径小于0 2 5 r a m 。具体土壤颗粒数值分布及分布曲线分别如 下： 表2 1土壤颗粒分布表 土粒粒径( m m )百分比 o 2 5 旬0 7 51 7 5 0 0 7 5 - - 4 ) 0 0 54 1 5 0 0 0 54 0 l o o o o 1 飞- 8 0 0 0 乎荤 1 k 、 7 0 0 0 向 6 0 0 0 璎 5 0 o o 喾 。 4 0 0 0 辫 、 3 0 0 0 扣i 一 2 0 0 0 守 - r o 1 0 o o 0 0 0 | | 。1 1 j 、 材料及+ 壤同化剂的基本性质 2 1 2 素土的比重 土粒比重指土颗粒在温度1 0 5 li o 。c 下烘至恒重时的质量与同体积4 时纯 水质量之比值，是一个无量纲量。测定土的比重试验方法有比重瓶法，浮称法， 虹吸筒法，本次试验采用比重瓶法。 试验过程及试验数据整理 本次试验严格遵循土工试验规范中的相关规定，进行比重瓶标定，如表2 2 。 表2 2 试验用比重瓶标定表 2 号比重瓶4 号比重瓶 5 号比重瓶 温度 瓶、水总质量( g ) 瓶、水总质量( g )瓶、水总质量( g ) 1 7 2 0 1 3 6 0 81 3 4 9 71 3 8 4 4 1 9 8 51 3 6 0 31 3 4 9 5 1 3 8 4 4 2 4 7 21 3 5 8 61 3 4 8 01 3 8 3 3 2 9 8 l 1 3 5 6 81 3 4 6 71 3 8 1 1 3 4 8 51 3 5 4