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原文传递基于纳米二氧化硅改良的冻（融）土力学特性的试验研究

论文题名：	基于纳米二氧化硅改良的冻（融）土力学特性的试验研究
关键词：	公路冻土路基;加固工艺;纳米二氧化硅;力学性能
摘要：	土木工程中经常会遇到各种软弱地基，此类地基满足不了构筑物对地基强度、稳定性等方面的要求，需要进行人工加固。在公路道路的施工过程中，更是需要根据设计要求及技术规范要求的强度对土的特性进行改良，日常施工中常使用石灰、水泥、煤灰等改良土体特性，使其满足路基填筑的设计要求。而在冻土区域的道路施工中，路基加固较融土区域对改良材料要求更高，同时也需要更为准确的评估手段减少路基的缺陷。本文从材料和路基填筑评估方法两个方面开展研究，对冻土区路基加固施工进行探索。　　本文以一种典型的冻胀敏感类型土-青藏粉质粘土验证检验纳米二氧化硅对土体性质的影响。实验证明，随着纳米二氧化硅添加量的增加，土体的液塑限显著增加，在纳米二氧化硅添加量为5％时土体的液塑限增加约60%；在纳米二氧化硅添加量超过阈值约0.75%之后，土体强度随添加量增加而增加，在添加量为5%时，土体的无侧限抗压强度提高约9倍；添加量为2%时青藏粉质砂土冻胀量减少约26%，而补水量增加53%。借助于压汞试验及SEM实验结果分析发现，粉质粘土孔隙变得均匀，孔隙结构的改变使得强度增加冻胀量减小。　　实际应用中，土工材料特性与试验测试和评估方法是分不开的。本文注意到虽然规范中对最大干密度的确定有明确的要求，但实际操作中需要根据不同的材料，击实次数（击实功）需要进行调整，试验结果较多受到人的干扰。本文也在实验中发现常规击实实验不能准确的确定纳米二氧化硅改良土的密实特性。因此本文提出一种不依赖于击实功的最大干密度确定方法，基于土的完全侧限压缩模量这一物性参数，并且使用少量土样（100g）就可准确确定最优含水量及对应最大干密度。本文用力-完全侧限压实模量曲线中的峰值来指示最优含水率并确定最大干密度，并使用青藏粉质粘土、SiO2粘土、兰州黄土、青藏砂土四种土对本方法进行了验证，结果显示相对传统击实方法而言新方法可以更准确的确定土样真实最优含水率及真实最大干密度，该方法同时还可以适用于沙土、改良土，在易用性、准确性和适用性上均优于传统击实方法。　　基于上述两部分工作的方法和结论，本文确定了冻结青藏粉质砂土试验中纳米二氧化硅的添加量及试样的最大干密度；并进一步进行了含水率13%的冻结青藏粉质沙土和添加1%纳米二氧化硅的冻结青藏粉质沙土在多个围压下的常规三轴试验。试验结果证明纳米二氧化硅也可以增强冻结状态下青藏粉质沙土的强度；在-2摄氏度下添加1%的纳米二氧化硅后，青藏粉质沙土的强度在所有试验围压下都增加了一倍以上，一定程度上可以补偿环境温度升高后冻土强度降低的影响。本工作还进一步发展一种新的强度准则，不仅可以描述普通冻结沙土的强度特性，同时可以描述冻结纳米二氧化硅粉质沙土以及冻结兰州黄土的强度特性。通过分析冻结沙土的体积弹性模量和剪切弹性模量性质的变化也从侧面说明了纳米二氧化硅对沙土孔隙结构的改善和对冻结后沙土弹性模量的改善。
作者：	任晓川
专业：	力学·工程力学
导师：	赖远明
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文