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原文传递冻融循环作用下SAP改良粉土路基水分迁移特性及强度演变规律研究

论文题名：	冻融循环作用下SAP改良粉土路基水分迁移特性及强度演变规律研究
关键词：	粉土路基;水分迁移;冻融循环;改良土;数值模拟;破坏强度;弹性模量
摘要：	黄泛区粉土是黄河流域特有的一种土体，其土颗粒磨圆度高，颗粒之间有较多的孔隙，缺乏粘细颗粒填充，土体不易被压实，尤其在毛细作用下，土体的水稳定性极差。利用这种粉土建造的路基在季冻环境下极容易因水分迁移发生冻胀融沉现象，对道路的安全造成严重破坏，如何控制土体内部含水量的变化是一件亟待解决的难题。本文用高吸水树脂(SAP)作为改良材料，将其掺入土体中，对改良后的土体进行了相关性质的研究，并利用室内冻融循环试验装置模拟了自然环境下的季节变化，对水分和温度的变化规律进行了研究，同时利用有限元软件进行了模拟，最后对于不同冻融条件下的试样的静力学特性的衰变规律进行了研究，以对工程应用提供相关参考。　　本文以国家自然科学基金面上项目(52178429)和山东省自然科学基金面上项目(ZR201911100218)为依托，主要研究内容和成果如下: 　　(1)在黄泛区粉土中掺入不同含量的SAP对其改良，通过进行不同掺量下的渗透特性、膨胀特性、收缩特性试验得出要想维持土体的稳定性能，SAP的掺入量要维持在0.5％以下，随后通过击实试验、无侧限抗压强度以及直剪试验，得出不同掺量的改良土体的最佳含水率和最大干密度，为之后的室内模型试验提供基本数据，直剪试验得出了SAP掺入后对土体抗剪强度的影响。最后对SAP改良土进行了土水特征曲线的变化研究，确定SAP对土体内水分的控制作用。　　(2)研发了室内冻融循环试验装置，模拟自然条件下的环境因素，对补水条件下的土柱模型进行了冻融循环试验。通过传感器和云管理平台实时监测土柱内水分和温度场的变化现状，在该试验设置中，考虑了上覆荷载、补水条件的因素，试验结束后，对温度和水分的数据进行整理，分析了试样内温度变化规律和水分迁移特性。结果表明，SAP改良土内温度的变化与素土相比存在一定程度的滞后性，水分场的变化规律尤其明显，在冻结稳定后，SAP改良土试样内含水量的值小于素土试样，融化后试样内的水分分布更均匀，含水量的增加值也较小。多次冻融后发现，试样在前三次冻融时含水量的变化最明显，之后随冻融次数的增多变化逐渐减小，在此过程中，SAP能够持续发挥作用，证明SAP具有良好的长期服役性能。　　(3)用COMSOLMultiphysics数值模拟软件进行计算。建立适合水热力变化的方程，并对方程进行耦合，将其改写成偏微分方程形式后代入模拟软件作为计算核心。将试验得出的基本参数写入方程中，随后对模型边界条件进行设置，对模型进行适合的网格划分并设置时间步，开始计算。计算完成后将计算结果与试验结果对比分析，研究冻融作用下SAP改良土水分场和温度场的变化规律，结果证明COMSOLMultiphysics数值模拟与真实试验结果具有较好的相似性。　　(4)通过变量控制对不同冻融循环次数、压实度和SAP含量的试样进行试验，分析破坏强度和弹性模量受上述因素影响的衰变规律，发现掺加SAP能够提高土体的相关性能，提出拟合公式，对破坏强度和弹性模量随上述因素的变化规律进行拟合，拟合结果符合相关要求，最终给出了拟合完成后的方程。
作者：	孙玉杰
专业：	建筑与土木工程
导师：	崔新壮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022