自然科学学术论文

“挑战杯”湖南省直大学生创新创业创效大赛学术论文作品名称： 花岗岩残积土静力特性及耐崩解性的改良研究 学校全称： 湖南工程职业技术学院 申报者姓名（集体名称）： 付环宇、蒲艳宾、刘凡、向杰 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类 科技发明制作B类竞赛组委会制2017年3月摘 要我国南岳地区花岗岩分布广泛，地处亚热带，雨水充足，干湿交替明显，花岗岩残积土覆盖层较厚，且土体中粘性土含量较少，粘结性极差，并含有大量高岭石类的亲水性矿物，遇水极易发生崩解，用于道路工程中容易造成土体发生滑坡、塌方等地质灾害。因此本文对花岗岩残积土提出了三种改良方案：纤维、水泥、石灰改良，并运用室内基本物理实验、固结排水三轴剪切试验、干湿循环崩解试验等实验，研究其力学特性及崩解性。对于力学特性改良效果，通过粘聚力变化曲线图对比发现石灰的加入比纤维和水泥更大幅度的增强了土体的粘聚力，粘聚力高达200.67kPa；对于耐崩解性改良效果，经过石灰改良后的试样，耐崩解性明显提高，运用三次干湿循环试验发现崩解率仅为2.12%。综合三种方案比较发现花岗岩残积土的最佳改良方案为石灰改良，当石灰掺入含量为6%时强度特性剪切峰值达到最大，耐崩解性达到最佳，这一结论对类似土体的实际工程具有重要意义。关键词花岗岩残积土、崩解特性、强度特性、固结排水三轴剪切试验、干湿循环崩解试验ABSTRACTNanyuedistrictgranitearewidelydistributedinChina,islocatedinthesubtropical,rainwaterenough,drywetalternation,thegraniteresidualsoillayerthicker,andthecontentofthecohesivesoilinsoilisless,poorcohesiveness,andcontainsagreatdealofhydrophilicmineralkaoliniteclass,easilyhappenedundertheinfluenceofwatercollapseandusedinroadengineeringiseasytocausethesoillandslide,landslidesandothergeologicaldisasters.Sointhispaper,thegraniteresidualsoilisputforwardthreekindsofimprovedsolution:fiber,cement,lime,andusingthebasicphysicsexperimentindoor,consolidateddrainedtriaxialsheartest,dry-wetcirculationdisintegrationtestexperiment,studiesthemechanicalpropertiesanddisintegration.Formechanicalpropertiesimprovementeffect,throughthechangeofcohesiveforcegraphcomparesfoundthattheadditionoflimeisbetterthanfiberandcementgreatlyenhancedsoilcohesiveforce,cohesiveforceofupto200.67kPa;Forcollapseresistanceimprovementeffect,afterlimeimprovedsample,thecollapseresistanceincreasedsignificantly,usingthethreetimesofthedry-wetcycletestfoundthedisintegrationrateisonly2.12%.Integratedthreesolutionisfoundthatthebestimprovementschemeofthegraniteresidualsoilwaslimeimproved,whenmixedwithlimecontentis6%peakmaximumshearstrengthproperties,resistancetocollapsethebest,thisconclusionisofgreatsignificanceforpracticalengineeringofsimilarsoil.iii目录摘 要i关键词iABSTRACTii第一章 绪论11.前言1第二章 实验方法1第三章 实验结果与分析23.1纤维改良花岗岩残积土试验方案23.1.1纤维改良土力学参数分析23.1.2纤维改良土崩解特性分析53.1.3小结63.2水泥改良花岗岩残积土试验方案63.2.1水泥改良土力学参数分析63.2.2水泥改良土崩解特性分析83.2.3小结93.3石灰改良花岗岩残积土试验方案93.3.1石灰改良土力学参数分析93.3.2石灰改良土崩解特性分析123.3.3小结133.4综合分析133.4.1强度特性对比研究133.4.2崩解特性对比研究143.4.3应用模拟分析比较14第四章 结论15参考文献17第一章 绪论1.前言我国南岳地区花岗岩残积土资源丰富，由于其地属亚热带，常年雨水充足，干湿交替明显，导致花岗岩残积土覆盖层较厚，土体中粘性土含量较少，粘结性极差，遇水极易发生崩解。随着我国经济的发展，南岳地区铁路、公路等基础设施大力兴建,如何通过改良方法增强花岗岩残积土的强度特性以及其作为路基填料遇水崩解的问题成为基础设施建设的重要问题。因此本文对南岳地区花岗岩残积土分别进行纤维、水泥和石灰的改良，研究改良后花岗岩残积土的强度特性和耐崩解特性，从改良效果、应用范围、工程造价以及施工难易程度等多方面因素分析比较，进而得到三种改良方案中的最佳改良方案和最优改良材料掺入量，从而为实际工程提供重要施工依据。第二章 实验方法首先将采集的花岗岩残积土风干、碾碎并过筛，分别掺入不同含量的纤维（1、2、3、4和5）、水泥（2%、3%、4%、5%和6%）和石灰（4%、6%、8%、10%和12%），制成压实度为0.9的重塑土试样。分别将已制备好的花岗岩残积土重塑试样通过室内常规基本物理试验、固结排水三轴剪切试验、干湿循环崩解试验等，研究改良后花岗岩残积土的强度特性和崩解特性。强度特性主要通过室内静力三轴试验研究,分别采用50kPa、100kPa和150kPa三种围压,控制剪切速率,研究改良后压实度均为90%的试样应力应变特征,得到其强度参数粘聚力和内摩擦角,进而得到改良后土样的强度特性。对于耐崩解性，本试验采用随机拌合的方式在土体中加入纤维，可使弯曲的纤维与土体中的块体结构、片理结构和土颗粒交织在一起，形成整体性较好的空间骨架体系，加之制样时土体与纤维之间产生咬合摩擦力和空间约束力，使得纤维与土体形成整体受力体系。纤维与土体交织作用产生网状结构，可将一部分分散的土体单元网络起来，进而增强纤维改良土的耐崩解性。考虑到暴晒后突遇暴雨的情况下土体最易发生崩解，因此模拟现场实际情况，采用干湿循环崩解试验研究改良后土样的崩解特性，试验按照50烘干、称重、崩解、风干、再烘干的方式进行循环崩解，观察现象并记录数据，最终得到经过三次干湿循环后的试样的崩解率，研究改良后土样的崩解特性。 试验所用三轴仪 试验所用崩解箱第三章 实验结果与分析 3.1纤维改良花岗岩残积土试验方案 3.1.1纤维改良土力学参数分析本实验通过室内三轴试验，并采用固结排水剪切方式，分别将已制备好的15个（纤维含量分别为1、2、3、4和5的试样各三个）压实度均为90%、高度为8cm、直径为3.91cm的纤维改良花岗岩残积土重塑试样按要求装于SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪中，采用固结排水（CD）剪切模式，分别设定50kPa、100kPa和150kPa三种围压将试样剪切，取轴向变形时所对应的大小主应力差为剪切峰值：表1.1不同纤维掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值Table 1.1The shear peak of granite residual soil for different fiber mortar纤维掺量压实度%试样高度/cm试样直径/cm围压/kPa剪切峰值/kPa19083.9150211.4100304.5150409.829083.9150211.6100350.7150431.139083.9150216.6100368.5150435.949083.9150251.210037315047559083.9150252100431150501 由上表分析可知：当纤维含量相同时，五组土样的剪切峰值均随围压的增大而明显增大；当纤维含量不同而围压相同时，土样的剪切峰值随纤维含量的增多表现出增大的趋势。因此，仅从抗剪强度的角度分析认为当纤维掺入量达到5时，其抗剪强度最大。在压实度为90%和最佳含水量的条件下，不同纤维含量的花岗岩残积土重塑试样的破坏强度参数c、值如表1.1所示。表1.2 纤维土强度参数Table 1.2 The strength parameters of fiber soil纤维掺入量ckPa132.0129.85229.8332.17332.0331.96438.731.88536.2634.28为更加直观的观察对比粘聚力和内摩擦角随纤维掺入量的变化规律，根据表1.2的纤维土破坏强度参数可绘制出不同纤维掺量的纤维改良土的强度参数曲线如图1.3所示。 （a）粘聚力变化曲线图 （b）内摩擦角变化曲线图图1.3纤维土强度参数曲线图Fig.1.3 The intensity parameter graph of fiber soil 根据上图分析可知：1、2、3、4和5的纤维改良土，分别在50kPa、100kPa和150kPa三种不同围压的条件下测得的粘聚力c和内摩擦角随着纤维含量的增加均无明显的变化规律，随机性较大，但可以直观看出的是当纤维含量为4时，粘聚力为38.7kPa，明显高于其余组别；当纤维含量为5时，其内摩擦角为34.28，是五组中的最大值，结合五组试样的抗剪强度分析认为，当纤维含量为5时，其抗剪强度最大。因此，综合比较抗剪强度、粘聚力和内摩擦角等多方面因素认为：纤维含量为5的纤维改良方案的强度特性最佳。 3.1.2纤维改良土崩解特性分析为便于观察记录，特使用自制玻璃崩解箱。为降低偶然事件发生概率，选相同纤维含量的试样各两个置于同一个玻璃崩解箱中的两个不同的悬挂网格中，观察崩解现象，记录崩解时间。 （a）纤维掺入量为1 （ b）纤维掺入量为2 （c）纤维掺入量为3 （d）纤维掺入量为4 （e）纤维掺入量为5图1.4 纤维土崩解现象Fig.1.4 The disintegration phenomenon of fiber soil通过实验观察，土体整个崩解过程发展平稳，无体积相对较大的块状土粒的散落，五组试样之间没有明显的时间区分，所有试样均在第一次干湿循环崩解试验中约58分钟的时间内崩解完毕，纤维掺入量的不同并未对耐崩解性的提高产生明显的改善效果。因此认为纤维改良方案在崩解特性方面对花岗岩残积土没有达到预期效果。 3.1.3小结由上述实验数据可得：在花岗岩残积土中加入玻璃纤维，虽然可以提高其抗剪强度，但在耐崩解性方面未取得理想效果。从强度特性的角度分析认为：当纤维掺入量为5时，其力学性能最佳。从耐崩解性的角度分析认为纤维改良方案不适合花岗岩残积土。由微观结构分析可知：纤维改良的效果不佳主要原因是土体中的胶结物相对较少，且这类胶结矿物具有一定亲水性。因此，应从化学角度入手，提出新的改良方案，使土体产生具有水稳定性的胶结物质，以提高土体的强度和水稳定性。3.2水泥改良花岗岩残积土试验方案 3.2.1水泥改良土力学参数分析根据室内三轴剪切试验，整理数据得到不同水泥掺入量的土样抗剪强度剪切峰值如下：表2.1 不同水泥掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值Table 2.1 The shear peak of granite residual soil under different cement mixing amount 水泥掺入量%压实度%试样高度/cm试样直径/cm围压/kPa剪切峰值/kPa29083.9150168.7100284.8150441.439083.9150169.1100328.5150463.749083.9150354.6100498.1150587.759083.9150401100501.3150611.269083.9150481.5100554.6150678.3由不同水泥掺入量的花岗岩残积土的剪切峰值分析可知：当水泥含量相同时，五组土样的剪切峰值均随围压的增大而明显增大；当水泥含量不同而围压相同时，土样的剪切峰值随水泥含量的增多表现出增大的趋势，特别是水泥含量由3%增大至4%时，抗剪强度的增幅最大。因此，仅从抗剪强度的角度分析认为当水泥掺入量达到4%时，其抗剪强度的改良效果最为理想。在压实度为90%和最佳含水量的条件下，不同水泥含量的花岗岩残积土重塑试样的破坏强度参数粘聚力c和内摩擦角值如表2.2所示：表2.2 水泥土强度参数Table 2.2 The strength parameters of cement-soil水泥掺入量%ckPa26.2235.31314.1933.86466.8432.72580.7530.996107.7229.91由上表的水泥土破坏强度参数可绘制出不同水泥含量的水泥改良土的强度参数曲线图，以便更加直观的观察粘聚力和内摩擦角随水泥掺入量的变化规律，如下图所示：a）粘聚力变化曲线图 （b）内摩擦角变化曲线图图2.3 掺入水泥花岗岩残积土强度参数曲线图Fig.2.3 The strength parameters Graph of cement-soil 3.2.2水泥改良土崩解特性分析在三次干湿循环崩解试验中，严格按照操作步骤烘干、称重、记录数据，最终整理每次崩解试验后土样剩余量，采用以下公式计算崩解率： （1）上式中m0为试样初始质量，m、n为第n次崩解后烘干土的质量。崩解率计算结果如下表2.4所示：表2.4不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解剩余量Table 2.4 Circulatingdisintegratingresidual amount of granite residual soil with different cement admixture水泥含量%第一次循环后崩解率%第二次循环后崩解率%第三次循环后崩解率%21001001003100100100475.4579.8283.53545.5857.4872.5366.618.799.64通过数据分析可得：改良后花岗岩残积土的重塑试样的崩解率会随着循环次数的增加而增大，但增幅随着循环次数的增大而减小，崩解率趋于稳定；2%和3%的水泥掺入量对于花岗岩残积土的耐崩解性无明显提高，且相互之间无明显差别，但是当水泥掺入量大于3%时，耐崩解性得到改善，土样崩解率随着水泥掺入量的增加而减小，特别是当水泥掺入量达到6%时，试样的耐崩解性能明显提高，经过三次干湿循环崩解试验土样的崩解率仅为9.64%，对实际工程具有重要意义。 3.2.3小结实验数据表明采用水泥改良后的花岗岩残积土黏聚力c随着水泥掺入量的增大而增大，内摩擦角随着水泥掺入量的增大而小幅度减小。综合考虑力学性能的各个因素认为：水泥含量为4%时改良效果较为理想，进一步增加水泥含量对力学性能仍有一定程度的提高，但幅度不大，最终会造成材料的浪费。水泥改良后的花岗岩残积土的崩解率会随着水泥掺入量的增加而减小，特别是水泥掺入量为6%时改良效果尤为明显，且三次循环崩解后的崩解率仅为9.64%。因此，从崩解特性的角度分析认为：水泥含量为6%时的耐崩解性最佳，改良效果明显优于其他组别。 3.3石灰改良花岗岩残积土试验方案 3.3.1石灰改良土力学参数分析根据室内三轴剪切试验，整理数据得到不同石灰掺入量的土样抗剪强度剪切峰值如表3.1所示。表3.1 不同石灰掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值Table 3.1 The shear peak of granite residual soil under different lime content石灰掺入量%压实度%试样高度/cm试样直径/cm围压/kPa剪切峰值/kPa49083.9150602.1100760.1150834.669083.9150911.5100983.91501162.189083.9150793.4100878.61501043.9109083.9150760.1100804.6150981.2129083.9150732100749.2150946.6由上表分析可知：1.当围压相同，石灰含量不同时，土样的剪切峰值随石灰含量的增多逐渐增大，但是当石灰含量达到8%时，试样的剪切峰值随石灰含量的增加而逐渐降低。2.当石灰含量相同而围压不同时，试样的剪切峰值随着围压的增大而增大。因此，仅从抗剪强度的角度分析认为当石灰掺入量达到6%时，其抗剪强度最大，相应的改良效果最为理想。在压实度为90%和最佳含水量的条件下，不同石灰含量的花岗岩残积土重塑试验的破坏强度参数粘聚力c和内摩擦角值如表3.2所示：表3.2 石灰土的强度参数Table 3.2 The strength parameters of lime-soil石灰掺入量%ckPa4134.4832.96200.6734.348173.5133.9910167.6832.6712168.2831.67由表3.2石灰土破坏强度参数可绘制出不同石灰掺量的石灰改良土的强度参数曲线图如图3.3所示。图3.3 掺入石灰花岗岩残积土强度参数曲线图Fig.3.3 The intensity parameter curves of granite residual soil mixed with lime 根据上图分析可知：在50kPa、100kPa和150kPa三种不同围压的条件下测得的粘聚力c随石灰含量的增加而明显增大，但是当石灰含量达到8%时粘聚力c、内摩擦角开始降低，随着石灰掺量的进一步增加粘聚力变化范围不大，但内摩擦角持续减小。分析认为当石灰掺入量达到8%时超过了最优值，因而出现过剩的石灰没有完全参与到反应中，在土的空隙中以自由灰的形式存在,这类石灰不仅导致石灰土的强度下降，还对粘聚力和内摩擦角有一定的负面影响。仅从强度参数的角度分析认为6%的石灰掺量最佳。因此，综合抗剪强度、粘聚力和内摩擦角等多方面因素可以得出：石灰掺量为6%的石灰改良方案的力学性能最为理想。 3.3.2石灰改良土崩解特性分析分别对不同石灰掺入量的花岗岩重塑试样进行三次干湿循环崩解试验，严格按照操作步骤烘干、称重、记录数据，整理每次崩解试验后土样剩余量，最终计算三次干湿循环后的石灰土试样的崩解率得如下表格：表3.4 不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解率Table 3.4 Circulatingdisintegratingrate of Granite Residual Soil with different lime admixture石灰含量%第一次循环后崩解率%第二次循环后崩解率%第三次循环后崩解率%41.411.641.8861.381.942.1280.290.90.91033.33.8121.92.342.61由上表分析可得：其最终崩解率均小于4%，可见经过石灰改良的花岗岩残积土的耐崩解性得到很大的提高，胶结性和水稳定性得到很大的改善，因此，仅从耐崩解性的角度分析认为最小石灰掺入量4%时的改良效果最佳。 3.3.3小结实验数据表明采用石灰改良后的花岗岩残积土的强度、黏聚力c和内摩擦角均随着石灰掺入量的增大先增大后减小，当石灰掺入量为6%时三项参数均最大，综合考虑力学性能的各个因素认为：石灰掺量为6%时改良效果较为理想，进一步增加石灰掺量对力学性能有一定的负面影响，因此石灰改良方案中6%为最优值。石灰改良后的花岗岩残积土的耐崩解性得到很大程度的提高，因此，仅从崩解特性的角度分析认为：石灰掺量最小的4%时耐崩解性最佳。综合对比分析。3.4综合分析 3.4.1强度特性对比研究对比三种方案得到各改良方案中最佳改良效果时的粘聚力和内摩擦角的变化曲线图如图4.1所示。（a）粘聚力变化曲线 （b）内摩擦角变化曲线图4.1 强度参数曲线图Fig.4.1 The intensity parameter curves通过上图发现纤维可小幅度增强花岗岩残积土的粘聚力，而水泥和石灰可大幅度的增强土体的粘聚力，特别是石灰的加入，可将花岗岩残积土的粘聚力增至200.67kPa；而纤维和石灰的加入对花岗岩残积土的内摩擦角影响不大，但水泥的掺入降低了土体的内摩擦角，因此，经过综合对比，本文认为石灰改良方案对花岗岩残积土的强度参数提高幅度大，改良效果好。 3.4.2崩解特性对比研究对比不同改良方案的土样崩解率曲线图如图4.2所示。 图4.2 崩解率曲线图Fig.4.2 The disintegration rate curve分析上图发现：纤维的掺入对花岗岩残积土的耐崩解性改良效果不理想，而水泥和石灰的掺入可明显提高花岗岩残积土的耐崩解性，特别是经过石灰改良后的试样，经过三次干湿循环试验，崩解率仅为2.12%，改良效果较为理想。 3.4.3应用模拟分析比较为对比研究改良前后花岗岩残积土在实际工程中的改良效果，本节采用理正软件对改良前后花岗岩残积土边坡进行稳定性分析。分析采简化Bishop法，计算边坡是安全系数，对比发现石灰改良可有效提高花岗岩残积土边坡的稳定性。通过三种方案对比发现，得到各方案的最佳改良材料掺入量，纤维最佳掺入量为5，水泥最佳掺量为6%，石灰最佳掺量为6%。通过研究三种改良方案，分别与未改良的土样比较：石灰改良后的花岗岩残积土提强度和耐崩解性明显增大，改良效果明显优于其他改良方案，且石灰的最优质量分数掺入量为6%。第四章 结论分别将纤维、水泥和石灰改良后的花岗岩残积土与未改良的花岗岩残积土对比发现1.纤维改良后的花岗岩残积土的强度参数较未改良土体增长幅度较小，而水泥和石灰改良后的土体粘聚力明显增大，特别是石灰改良的土体粘聚力高达200.67kPa，三种改良方案对内摩擦角影响不明显。2.纤维改良花岗岩残积土耐崩解性的改良效果不理想，水泥掺量为6%时，土体的耐崩解性改善效果较好，而石灰对土体耐崩解性