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原文传递季冻区玄武岩纤维水泥粉砂土力学性能及损伤特征研究

论文题名：	季冻区玄武岩纤维水泥粉砂土力学性能及损伤特征研究
关键词：	路基填土;玄武岩纤维水泥粉砂土;力学性能;损伤特征;季节性冻土区
摘要：	季节性冻土区在中国广泛分布，约占国土面积的二分之一以上，季冻区路基不可避免地要经历冻融循环作用，因冻融循环作用造成的道路病害，既会严重影响道路使用寿命、增加后期维修和养护费用，又极大威胁着驾驶者的行车安全。季冻区道路病害成因的本质是路基土在长期服役状态且受外部环境影响下力学性能的衰减，对路基土进行有效改良从而获得性能稳定优良的路基填土是预防路基病害的主要措施，对季冻区道路工程建设、路基工程病害防治等意义重大。　　玄武岩纤维是一种具有抗拉强度高、化学稳定性好、耐高温、耐酸碱腐蚀等优良特性的新型高性能无机绿色环保型材料。吉林省玄武岩纤维制造业的发展如火如荼，对玄武岩纤维的推广和应用既有利于我省的经济发展，又能获得一种环境友好型路基填料。粉砂土作为吉林省西北地区普遍存在的路基填料，强度低、抗冻融稳定性差，采用水泥对其进行改良应用最为广泛，但水泥改良粉砂土的抗拉抗折强度低，在冻融循环作用下极易产生路基变形、路面车辙等道路病害。鉴于季冻区的特殊环境，本文采用玄武岩纤维对路基用水泥粉砂土进行改良，通过室内试验、声发射试验和扫描电镜试验，对比分析了粉砂土、纤维土、水泥土和纤维水泥土的冻融损伤特性及强度衰减规律，揭示了纤维的增韧机理。开展主要工作内容如下：　　（1）基于无侧限抗压强度试验（UCS）、劈裂抗拉强度试验（STS）研究了纤维掺量、纤维长度和养护时间对纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的影响，确定了纤维水泥土的最优配合比为纤维掺量0.2%，纤维长度12mm，养护时间14d。研究表明，随着纤维长度的增加，纤维水泥土的无侧限抗压强度减小、劈裂抗拉强度增大；随着养护时间的增加，无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均增大。无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度之间存在良好的线性相关关系。基于试验数据建立的纤维土和纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的预测模型，为路基填土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的估计提供了量化依据。　　（2）基于最优配合比，采用无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、不固结不排水三轴试验（UU）和加州承载比（California bearing ratio，CBR）试验，系统地研究了改良土的路用性能及力学性能冻融损伤特性。结果表明，纤维水泥土的CBR值最大，膨胀量最小。改良土在压实度100%时的承载比大于压实度96%时的承载比，吸水率和膨胀量的变化规律与之相反。与单掺纤维或单掺水泥改良相比，冻融循环作用下纤维水泥土的力学性能增幅最大。基于Logistic模型对纤维水泥土损伤过程的研究结果表明，粘聚力的冻融损伤程度最大，静弹性模量的冻融损伤速度最快。　　（3）借助声发射（Acoustic Emission，AE）技术研究了不同因素对单轴压缩作用下纤维水泥土累积振铃计数和累积能量、能量、振幅和RA、AF值的影响，阐明了纤维的增韧机理。以声发射特征参数为依据对土体的损伤阶段进行了划分。结果表明：纤维的掺入能有效降低微裂缝的扩展速率，有助于缓解水泥土的脆性破坏，增强水泥土的延展性。随着纤维掺量和纤维长度的增加，改良土的损伤形成时间延后，临界破坏荷载增大且在最优配合比时最大；随着养护时间的增加，AE能量信号、幅度信号强度减弱。冻融循环作用使得纤维水泥土内部提前出现损伤，随着冻融循环次数的增加，AE能量信号、临界破坏点的AE幅值强度增大，可以将6次冻融循环后临界破坏点的幅值67dB作为损伤预警值。　　（4）采用分级加载动三轴试验研究了围压和冻融循环作用对改良土动应力―应变关系曲线、动弹性模量和累积塑性变形的影响。改良土的动应力―应变曲线均符合Hardin―Drnevich双曲线模型，以最大动弹性模量和最终动应力幅值作为模型参数，验证了Hardin―Drnevich双曲线模型对改良土动应力―应变曲线的适用性。基于非线性最小二乘法提出了不同因素作用下改良土的归一化最大动弹性模量、最终动应力幅值和累积塑性变形的预测模型，为改良土的动力反应分析提供了量化依据。　　（5）采用扫描电镜（SEM）获取了冻融循环作用下改良土的微观图像，用MATLAB对图像进行降噪、二值化及形态学处理，用Image-Pro Plus（IPP）软件进行颗粒和孔隙特征参数提取，并对其进行定量分析，同时定性分析了微观图像，明确了纤维和水泥的作用机制。随后，采用灰色关联理论分析了微观特征参数对宏观力学性能的影响程度并揭示了宏观力学性能冻融损失的微观作用机理。
作者：	孙爽
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘寒冰
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022