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路基填料无机化学改性微细结构研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土壤固化剂研究现状

1.2.2 岩土体微细结构研究现状

1.2.3 离散元颗粒流模拟研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文技术路线

第二章 试验方法及试验内容

2.1 土样的工程地质性质

2.1.1 苏北地区区域粉土地质成因

2.1.2 试验土样的基本性质

2.1.3 试验土样的矿物组成

2.2 试验内容

2.2.1 试样制备与养护

2.2.2 加州承载比试验

2.2.3 固结不排水试验

2.2.4 X射线衍射试验

2.2.5 CT扫描试验

2.3 本章小结

第三章 改性土宏观力学试验研究

3.1 加州承载比试验

3.1.1 试验结果

3.1.2 试验结果分析

3.2 固结不排水试验

3.2.1 应力应变曲线分析

3.2.2 抗剪强度指标分析

3.3 本章小结

第四章 改性土微细结构研究

4.1 X射线衍射分析研究

4.1.1 XRD试验结果

4.1.2 无机化学改性机理

4.2 CT扫描试验研究

4.2.1 Matlab图像处理介绍

4.2.2 CT图像获取

4.2.3 CT图像增强

4.2.4 CT图像分割

4.2.5 图像细观参数统计

4.2.6 图像细观参数与CBR值关系

4.3 本章小结

第五章 改性土颗粒流数值模拟研究

5.1 颗粒流数值模拟基本理论

5.1.1 颗粒流程序介绍

5.1.2 颗粒流程序基本物理模型

5.1.3 颗粒流接触模型

5.2 改性土样双轴试验模拟

5.2.1 双轴试验数值模拟建模流程

5.2.2 结合CT图像生成颗粒模型

5.2.3 伺服控制与加载系统

5.2.4 细观参数的选择

5.2.5 颗粒细观参数与图像参数的关系

5.3 改性土样加州承载比模拟

5.3.1 颗粒模型的生成

5.3.2 伺服机制与加载系统

5.3.3 承载比试验模拟结果

5.3.4 承载比模拟细观机制

5.4 颗粒细观参数对于模型CBR值的影响

5.4.1 摩擦系数

5.4.2 黏结强度

5.4.3 接触刚度

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

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摘要

我国的高速公路里程数世界第一,在高速公路的建设中,路基的设计直接控制着高速公路的质量。高速公路建设需要大量的路基填料,对于其性能指标国家规范中有着明确的要求。随着科学技术的发展和环保意识的提高,利用土壤固化剂处理路基填料得到了越来越广泛的应用。
  本文以江苏省临海高等级公路的粉土作为研究对象,依托国家自然基金“基于计算材料学原理的路堤填料无机固化剂设计理论研究”,选取NaOH、Na2SiO3、Ca(OH)2作为无机改性剂,对改性后的土体分别进行宏观力学性质和微细结构研究,主要研究内容与结论如下:
  (1)宏观力学性质
  以NaOH、Na2SiO3、Ca(OH)2作为无机改性剂,分别设置四组对照试验进行对比研究。在标准养护条件,分别对改性土体进行加州承载比与固结不排水试验。通过对比研究,发现无机改性荆可以有效提高路基填料的路用性能和抗剪强度指标,说明所用无机改性剂可有效地改善所研究的土体强度。
  (2)微细结构研究
  对四组土样分别进行X射线衍射分析和CT扫描试验研究其微细结构。通过XRD图谱分析,得出素土中主要成分为石英、高岭石、钾长石、斜长石、方解石和云母,而固化剂主要与其中的高岭石、钾长石、斜长石和云母反应,生成少量方解石和CSH。通过CT扫描试验获得土体内部图像,对图像进行图像增强与图像分割,处理后对图像的平均灰度值、孔隙几何特征和分形维数进行统计,其值与改性土样微细结构变化相对应。三者与土样的宏观力学性质有一定联系,其中平均灰度值与土样CBR值有着明显的线性关系。
  (3)颗粒流数值模拟
  根据离散元数值模拟原理,按照各土样级配,结合土样CT图像生成颗粒模型。对土样进行双轴试验模拟,以室内固结不排水试验为参照对象,标定颗粒细观参数。将双轴试验模拟结果与试验结果作对比,发现数值模拟结果与室内试验结果较为接近。CT图像的灰度值与模型的颗粒接触刚度有着明显的线性对应关系,说明CT图像细观参数对于颗粒流细观参数标定有一定的参考作用。利用相同的颗粒模型和细观参数,设置对应的伺服机制和加载系统,建立CBR试验颗粒模型。模拟后的贯入曲线与室内试验结果有着很好的对应,计算得到CBR值与室内试验结果接近,说明通过数值模拟得到土样CBR值是可行的。在此基础上,分析了加载后模型的细观力学机制,并研究了摩擦系数、黏结强度和接触刚度与模型CBR值的关系。

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