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原文传递煤矸石路基填料强度与变形特性研究

论文题名：	煤矸石路基填料强度与变形特性研究
关键词：	煤矸石;大型三轴试验;颗粒破碎;分形维数;本构模型;稳定性
摘要：	我国煤炭资源较为丰富，目前的能源结构是以煤炭为主，呈多样化发展的趋势。煤炭为国民经济发展做出了巨大贡献，但也给社会环境带来了巨大影响。在煤炭开采过程中煤矸石会作为固体废弃物而排放在外，煤矸石大量堆积形成的矸石山会侵占土地，污染水资源，甚至出现自燃，产生滑坡及泥石流等灾害。故提高煤矸石的综合利用，解决煤矸石产生的社会环境问题对维持矿山资源的可持续发展有着重大意义。　　煤矸石在工程运用上可作为一种路基填充材料，在相对密实的情况下，具有较高的结构稳定性、较大的承载力以及良好的透水性等。大量学者结合工程实践对煤矸石做路基填料的可行性进行了分析并通过三轴试验对其动力特性、静力特性等进行了相关研究。但目前关于煤矸石路基填料力学特性已有的三轴试验研究大多为中、小型三轴试验，对于煤矸石的大型三轴试验研究鲜见报道；且煤矸石具有颗粒强度低、易破碎的特点，颗粒破碎会对可压密实程度以及强度造成影响，而关于煤矸石的颗粒破碎特征却鲜有研究。故本文通过不同试验条件下的大型三轴试验及对试验后的试样进行筛分，得到了煤矸石路基填料的强度与变形特性及颗粒破碎特征。主要研究内容和结论如下：　　（1）研究了煤矸石粗粒土的基本物理特性。通过开展电镜扫描（SEM）试验、X衍射试验、含水率试验和击实试验，分析了煤矸石粗粒土的微观结构、矿物成分、含水率及最大干密度。试验结果表明煤矸石外表较为粗糙，颗粒表面及内部微小裂隙数量少，未见明显的大裂纹，呈多孔结构形貌，结构相对密实；其主要矿物成分是石英、方解石、镁方解石、碳硼硅钙镁石、硅酸镁、尖晶橄榄石和氧化铝等；级配曲线面积、不均匀系数Cu、曲率系数Cc均随级配指数A值的增加而减小；最大干密度与级配曲线面积呈二次函数关系，拟合曲线存在明显的极值点且峰值在A值为0.55~0.63时取得。　　（2）研究了煤矸石粗粒土的静力特性。煤矸石路基填料的轴向应变均随着轴向应力的增加而增加，曲线均为上凸型，且无明显的峰值，属于应变硬化型；相同压实度不同级配的试样，当围压不变时随着A值即粗颗粒含量的增加，相同轴向应变下的轴向应力先增后减，体应变随级配指数A值的增加呈先增后减再增的趋势变化；其他条件相同时，相同轴变下的轴向应力随压实度的增加而增加，相同轴变下的体应变随压实度的增大而减小，压实度达93%以后，继续提高压实度对强度增长及体应变的减少作用效果均不明显，煤矸石作为路基填料压实度应满足不小于93%；试验结果表明煤矸石应力-应变曲线可以用邓肯-张双曲线本构模型拟合，并获得了双曲线本构模型的具体参数；粗颗粒含量高于60%时，随粗颗粒含量增多内摩擦角φ值变化不大，试样强度随粗颗粒含量增加呈先增后减趋势变化主要是体现在表观粘聚力的变化。? 　　（3）研究了煤矸石粗粒土的颗粒破碎特性。将分形维数D作为煤矸石颗粒破碎的度量指标，随着粗颗粒含量减小细颗粒含量增多，分形维数D值变大；颗粒破碎程度随着围压、粗粒料含量、压实度的增加而增加；在围压、级配即粗粒料含量、压实度3个因素中，围压和级配是影响颗粒破碎的主要因素，压实度对颗粒破碎的影响较小，不考虑压实度对煤矸石颗粒破碎的影响，假设分形维数是围压和级配的函数，得到了分形维数D与围压σ3/pa和初始级配D0的表达式；颗粒破碎会使得峰值内摩擦角φf减小，降低试样强度，为分析煤矸石颗粒破碎对强度的影响，研究了峰值内摩擦角与颗粒破碎之间的关系，建立了峰值内摩擦角φf和初始分形维数D0和围压的关系式。
作者：	邬俊
专业：	土木工程
导师：	高文华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南科技大学
学位年度：	2021