动力荷载作用下河道淤泥气泡混合土力学性质试验研究

摘要

河道淤泥气泡混合轻质土(Foamed mixture lightweight soil using river sludge，简称FMLSS)是由淤泥、水泥、气泡和水按照一定比例混合搅拌而成，是一种新型的混合土工材料，具有自重轻、强度高、施工工期短、废物再生利用、低成本和绿色环保等优势，具有巨大的工程应用前景和社会效益。本文以河道淤泥为原料土，水泥为固化材料，气泡为轻质材料制备河道淤泥气泡混合轻质土试样，使用室内气动式动三轴仪研究了动力荷载作用下河道淤泥气泡混合轻质土的力学性质，着重分析了其变形特性，主要包括以下内容：
　　(1)测定河道淤泥的基本物理力学指标，为试验方案的制定提供依据。根据天然河道淤泥、水泥和气泡的性质，先进行混合土的配合比设计，确定各组成材料的取值范围及在混合土中所占比例，再结合动力特性试验的影响因素制定试验方案，明确荷载施加方法和试验所要研究的动力特征参数，制备足够试样。在动力试验之前进行试样密度统计分析，发现气泡含量是决定FMLSS密度的关键因素，含水率的影响较小，水泥掺入量的增加会使FMLSS的密度增大，养护龄期的增长不改变FMLSS的密度。
　　(2)在实际工程应用中，FMLSS作为填土材料会受到多种荷载形式的作用，不同的荷载形式表现出不同的动力特性，因此研究其动力特性十分必要。试验结果表明，FMLSS动应力随着动应变的增大而增大，动应力应变骨干曲线符合双曲线模型，重点分析了围压、含水率、水泥掺入量、气泡含量、振动频率和养护龄期对骨干曲线的影响，在相同动应力作用下，FMLSS的动应变随着围压和水泥掺入量的增大而减小，随着含水率和气泡含量的增大而增大。FMLSS的割线动弹性模量随动应变的增大而减小，阻尼比随动应变的增大而增大。当动应变相同时，动弹性模量和阻尼比都随着围压的增大而增大;随着水泥掺入量增大，动弹性模量增大而阻尼比减小;动弹性模量随着气泡含量和含水率的增大而减小;阻尼比随着含水率的增加先减小后增大，受气泡含量的影响不显著。FMLSS的Ed～εd关系曲线呈平缓衰减型，阻尼比在0.01～0.03之间。
　　(3)本文动三轴试验直接得到的结果是动应力与动应变的关系，需通过泊松比换算才能得到动剪应力和动剪应变。由试验确定FMLSS的泊松比为0.46，根据动应力应变骨干曲线由泊松比间接求出各配比FMLSS的最大动剪切模量，并分析围压、含水率、水泥掺入量、气泡含量、振动频率和养护龄期对最大动剪切模量和动剪切模量比的影响。
　　(4)以两种典型配比为例，分析了振动频率与养护龄期的影响机理。振动频率影响的实质是速率效应的影响，加载速率可以影响土体变形的发展速度和程度。养护龄期对FMLSS力学性能的影响，是对微观结构的影响在宏观上的体现，随着龄期的增长，固体颗粒表面生成的水化物增多并起到填充微孔和细化孔径的作用，使其微观结构更加致密。
　　(5)根据常用本构模型特点与FMLSS自身特性，对常规Hardin-Dmevich模型进行修正，引入修正系数k并给出数学计算方法，建立能够反映FMLSS动力变形特性的修正Hardin-Dmevich本构模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 混合轻质土材料简介

1．3 气泡混合轻质土的制备方法

1．4 气泡混合轻质土的工程特性

1．5 气泡混合轻质土的应用概况

1．6 气泡混合轻质土的研究现状

1．7 存在问题与研究意义

1．8 本文主要研究内容

第二章 试验方案与试样制备

2．1 概述

2．2 试验方案介绍

2．2．1 名词定义

2．2．2 试验方案

2．3 试验仪器介绍

2．4 试样制备

2．4．1 试验原材料特性

2．4．2 试样制备过程

2．5 试样密度统计

2．6 本章小结

第三章 动力荷载作用下FMLSS力学性质

3．1 概述

3．2 动应力应变骨干曲线特性分析

3．2．1 动应力应变关系曲线模型

3．2．2 动应力应变关系影响因素分析

3．3 割线动弹性模量与阻尼比特性分析

3．3．1 割线动弹性模量与阻尼比计算

3．3．2 动弹性模量与阻尼比影响因素分析

3．4 最大动剪切模量

3．4．1 最大动剪切模量计算方法

3．4．2 最大动剪切模量计算值

3．4．3 最大动剪切模量的影响因素分析

3．5 动剪切模量比与动剪应变关系

3．6 振动频率与龄期的影响机理

3．6．1 振动频率的影响机理

3．6．2 龄期的影响机理

3．7 本章小结

第四章 FMLSS的动力本构模型

4．1 概述

4．2 Hardin-Dmevich模型介绍

4．3 修正Hardin-Drnevich模型

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 结论

5．2 创新

5．3 展望

参考文献

图表目录

致谢

作者简历

攻读硕士学位期间论文发表情况