考虑冻融效应的木质素纤维黄土路基工程性能研究

作     者：高中南 

作者单位：中国地震局兰州地震研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：王谦

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：冻融效应 木质素纤维改良黄土 静力特性 累积残余应变 抗冻融性能 加固机理 

摘      要：气候变化引起的冻融循环作用会改变土体强度和结构。在季节性冻土区内使用改良处理后的黄土作为路基材料必须考虑冻融效应的影响。随着全球环境问题日益严峻,探索寻找适宜的新型环保改良材料已经成为土体性能改良研究的热点之一。本研究以使用木质素纤维提高黄土工程性能和抗冻融性能,降低季节性冻土区内黄土路基由于冻融循环作用产的结构弱化和强度损伤为目的。主要基于冻融循环试验、无侧限抗压强度试验、三轴剪切试验、动态累积变形试验和扫描电镜试验,对冻融循环条件下的木质素纤维黄土的静力强度、动态变形和细观结构特征进行了研究。并采用宏微观土力学相结合的研究方法,分析了冻融循环作用对木质素纤维改良黄土路基材料静力特性和长期累积变形特性的影响,探讨了木质素纤维提高黄土路基抗冻融性能的加固机理,并给出了适宜的黄土路基抗冻融改良方法。论文所取得主要创新性研究成果包括:(1)不同围压条件下,木质素纤维黄土的应力应变关系均表现出应变软化特性。木质素纤维掺量小于1%时,改良黄土的抗压强度、抗剪强度、粘聚力和内摩擦角的增大速度最快。木质素纤维黄土在经过15次冻融循环后开始整体进入稳定阶段。冻融效应减小了1%木质素纤维黄土的抗压强度、变形模量、粘聚力和弹性模量,增大了1%木质素纤维黄土的抗剪强度、内摩擦角和变形模量。(2)随着振次的增加,木质素纤维黄土的累积残余应变和累积最大应变均不断增大,并在4000次振动后基本保持稳定。冻融循环后,1%木质素纤维黄土和素土相比,累积残余应变无明显变化。冻融循环过程中,1%木质素纤维黄土的累积残余应变和累积最大应变的增大幅度均为最小。改良黄土的累积残余应变和累积最大应变与变形模量之间线性负相关,累积残余应变增大率和抗压强度损失率之间线性正相关。(3)木质素纤维掺量的增加使得改良黄土的表观孔隙率减小、小微孔隙面积占比例增大、平均孔隙面积减小。冻融循环稳定后,木质素纤维黄土的表观孔隙率增大、平均孔隙面积增大;0%和1%木质素纤维黄土中小微孔隙的占比增大,其余纤维掺量的则出现减小。(4)木质素纤维对黄土孔隙的填充作用以及木质素纤维与黄土颗粒之间的紧密结合形成的桥接作用是木质素纤维增强黄土强度的主因。冻融循环作用对1%木质素纤维黄土中的部分黄土颗粒和孔隙的影响被木质素纤维所承担,是木质素纤维可以抑制冻融效应对黄土整体结构破坏的原因。(5)冻融效应对1%木质素纤维黄土静力强度、动态变形和细观结构的影响均为最小,1%木质素纤维黄土的抗冻融性能最强,建议在季节性冻土区以1%木质素纤维作为黄土路基的改良配比。