自然科学学术论文

i “挑战杯挑战杯”湖南湖南省直大学生创新创业创效大赛省直大学生创新创业创效大赛 学术论文学术论文 作品名称：作品名称：花岗岩残积土静力特性及耐崩解性的改良研究花岗岩残积土静力特性及耐崩解性的改良研究 学校全称：学校全称：湖南工程职业技术学院湖南工程职业技术学院 申报者姓名申报者姓名 （集体名称）：（集体名称）：付环宇、蒲艳宾、刘凡、向杰付环宇、蒲艳宾、刘凡、向杰 类别：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 ii 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 iii ABSTRACT Nanyue district granite are widely distributed in China, is located in the s ubtropical, rainwater enough, dry wet alternation, the granite residual soil layer thicker, and the content of the cohesive soil in soil is less, poor coh esiveness, and contains a great deal of hydrophilic mineral kaolinite class, easily happened under the influence of water collapse and used in road e ngineering is easy to cause the soil landslide, landslides and other geologi cal disasters. So in this paper, the granite residual soil is put forward three kinds of improved solution: fiber, cement, lime, and using the basic phys ics experiment indoor, consolidated drained triaxial shear test, dry-wet cir culation disintegration test experiment, studies the mechanical properties and disintegration. For mechanical properties improvement effect, throug h the change of cohesive force graph compares found that the addition of lime is better than fiber and cement greatly enhanced soil cohesive force, cohesive force of up to 200.67 kPa; For collapse resistance improvement effect, after lime improved sample, the collapse resistance increased signi ficantly, using the three times of the dry-wet cycle test found the disintegr ation rate is only 2.12%. Integrated three solution is found that the best i mprovement scheme of the granite residual soil was lime improved, when mixed with lime content is 6% peak maximum shear strength properties, resistance to collapse the best, this conclusion is of great significance for practical engineering of similar soil. 目录 摘 要.i 关键词.ii ABSTRACT.iii 第一章 绪论. 2 1.前言.2 第二章 实验方法.2 第三章 实验结果与分析.3 3.1 纤维改良花岗岩残积土试验方案.3 3.1.1 纤维改良土力学参数分析.3 3.1.2 纤维改良土崩解特性分析.6 3.1.3 小结.7 3.2 水泥改良花岗岩残积土试验方案.7 3.2.1 水泥改良土力学参数分析.7 3.2.2 水泥改良土崩解特性分析.9 3.2.3 小结.10 3.3 石灰改良花岗岩残积土试验方案.10 3.3.1 石灰改良土力学参数分析.10 3.3.2 石灰改良土崩解特性分析.13 3.3.3 小结.14 3.4 综合分析.14 3.4.1 强度特性对比研究.14 3.4.2 崩解特性对比研究.15 3.4.3 应用模拟分析比较.15 第四章 结论. 16 参考文献. 18 2 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 3 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 4 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： 表表 1.1 不同纤维掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值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/kPa 19083.91 50211.4 100304.5 150409.8 29083.91 50211.6 100350.7 150431.1 390 83.91 50216.6 100368.5 150435.9 49083.91 50251.2 100373 150475 59083.91 50252 100431 150501 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 5 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。 表表 1.2 纤维土强度参数纤维土强度参数 Table 1.2The strength parameters of fiber soil 纤维掺入量 c kPa 132.0129.85 229.8332.17 332.0331.96 438.731.88 536.2634.28 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 图图 1.3 纤维土强度参数曲线图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 6 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 图图 1.4 纤维土崩解现象纤维土崩解现象 Fig.1.4The 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 7 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： 表表 2.1 不同水泥掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值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/kPa 29083.91 50168.7 100284.8 150441.4 8 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： 表表 2.2 水泥土强度参数水泥土强度参数 Table 2.2The strength parameters of cement-soil 39083.91 50169.1 100328.5 150463.7 49083.91 50354.6 100498.1 150587.7 59083.91 50401 100501.3 150611.2 69083.91 50481.5 100554.6 150678.3 水泥掺入量 % c kPa 26.2235.31 314.1933.86 466.8432.72 580.7530.99 9 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）粘聚力变化曲线图（b）内摩擦角变化曲线图）内摩擦角变化曲线图 图图 2.3 掺入水泥花岗岩残积土强度参数曲线图掺入水泥花岗岩残积土强度参数曲线图 Fig.2.3The 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： %100 m mm n 0 n0 （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： 表表 2.4 不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解剩余量不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解剩余量 Table 2.4 Circulating disintegrating residual 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% 2100100100 3100100100 475.4579.8283.53 545.5857.4872.53 66.618.799.64 6107.7229.91 10 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。 11 表表 3.1 不同石灰掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值不同石灰掺入量下花岗岩残积土的剪切峰值 Table 3.1The 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 /kPa 49083.91 50 602.1 100 760.1 150 834.6 69083.91 50 911.5 100 983.9 150 1162.1 89083.91 50 793.4 100 878.6 150 1043.9 109083.91 50 760.1 100 804.6 150 981.2 129083.91 50 732 100 749.2 150 946.6 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。 12 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： 表表 3.2 石灰土的强度参数石灰土的强度参数 Table3.2The strength parameters of lime-soil 石灰掺入量 % c kPa 4134.4832.9 6200.6734.34 8173.5133.99 10167.6832.67 12168.2831.67 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。 图图 3.3 掺入石灰花岗岩残积土强度参数曲线图掺入石灰花岗岩残积土强度参数曲线图 Fig.3.3The 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 13 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： 表表 3.4 不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解率不同水泥含量花岗岩残积土循环崩解率 Table 3.4Circulating disintegrating rate 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% 41.411.641.88 61.381.942.12 80.290.90.9 1033.33.8 121.92.342.61 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 14 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）粘聚力变化曲线（b）内摩擦角变化曲线）内摩擦角变化曲线 图图 4.1 强度参数曲线图强度参数曲线图 Fig.4.1The 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 15 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。 图图 4.2 崩解率曲线图崩解率曲线图 Fig.4.2The 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。 16 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