水泥加固红土的力学特性及神经网络模型研究

论文摘要

本文在综合分析国内外关于土体加固及加固机理、微结构、神经网络模型应用等研究现状的基础上,针对存在的问题并结合云南广泛应用红土的力学特性不能完全满足工程要求的情况,提出了“水泥加固红土的力学特性及神经网络模型研究”的问题。针对云南典型红土,选用水泥作为强固剂,通过对水泥加固红土宏微观试验的对比研究,明确了水泥加固红土的力学特性及微结构特征；运用图像处理技术,提取分析了水泥加固红土的微结构特征参数；结合水泥加固红土的力学特性、微结构特征及特征参数,从微结构的角度阐明了水泥加固红土的加固机理；最后运用神经网络理论,建立起水泥加固红土抗剪强度的神经网络模型。水泥加固红土的击实、抗剪强度、压缩、渗透等各个力学特性是在考虑水泥加入比例和试样养护时间的基础上,通过击实、直剪、压缩、渗透等宏观试验进行对比分析来确定。宏观试验结果表明：水泥加固红土的最大干密度增大、最优含水率减小,抗剪强度及抗剪强度指标增大,压缩系数和渗透系数减小。随水泥加入比例的增大和试样养护时间的延长,抗剪强度及抗剪强度指标逐渐增大,压缩系数和渗透系数逐渐减小,但抗剪强度、抗剪强度指标增大的程度和压缩系数、渗透系数减小的程度都逐渐变缓,粘聚力增大的程度大于内摩擦角增大的程度。水泥加入比例对红土各个力学特性的影响程度大于试样养护时间对红土各个力学特性的影响程度。水泥加固红土的微结构特征可以通过扫描电镜观察对土样击实前后、加固前后、养护前后、剪切前后及压缩前后等不同情况下获得的不同放大倍数下的微结构图像进行对比分析提炼。扫描电镜试验表明：水泥加固红土具有密实性、胶结性、填充性、包裹性、孔隙性等微结构特征；对水泥加固红土的微结构图像进行数字化处理,提取了水泥加固红土的孔隙率和颗粒率等微结构特征参数。提取结果表明,经过击实、加固、养护及压缩后,水泥加固红土的孔隙率减小、颗粒率增大；随水泥加入比例的增大和试样养护时间的延长,水泥加固红土孔隙率逐渐减小、颗粒率逐渐增大；剪切后,孔隙率增大、颗粒率减小。水泥加固红土力学特性的变化实质上在于其微结构的变化,而红土微结构的变化又取决于水泥与红土颗粒之间的相互作用。将水泥加固红土的力学特性、微结构特征及特征参数结合起来,通过水泥加固红土所体现出来的胶结作用、包裹作用和填充作用,从微结构的角度来解释水泥加固红土的机理。水泥加固红土力学特性的变化正是以上三种作用综合影响的结果。水泥加固红土最大干密度的增大和最优含水率的减小主要取决于包裹作用和填充作用；水泥加固红土抗剪强度和抗剪强度指标的增大及压缩性的减小主要取决于胶结作用；而水泥加固红土渗透性的减弱主要是由包裹作用和填充作用引起。根据水泥不同加入比例、试样不同养护时间所获得的直剪试验数据,运用神经网络理论建立了神经网络模型。模型的输入层向量确定为水泥加入比例和试样养护时间两个影响因素,模型的输出层向量确定为粘聚力和内摩擦角两个抗剪强度指标,并对选定的样本数据进行归一化处理；通过试算,模型的隐层传递函数确定为正切函数tansig,模型的输出层传递函数确定为对数函数logsig,模型的隐层神经元数确定为5。根据模型构建层次,建立起水泥加固红土抗剪强度的神经网络模型,模型预测结果总体上令人满意。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 土体加固研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 土体微结构研究现状
• 1.3.1 土体微结构的概念
• 1.3.2 土体微结构的发展状况
• 1.3.3 红土微结构的发展状况
• 1.4 土体加固机理研究现状
• 1.5 神经网络模型研究现状
• 1.6 存在的问题
• 1.7 研究问题的提出
• 1.8 本文研究的主要内容及目的意义
• 1.9 研究预期成果
• 1.10 本文的组织安排
• 1.11 本章小结
• 第二章 水泥加固红土宏观力学特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 水泥加固红土的试验方案
• 2.2.1 试验的目的和意义
• 2.2.2 试验方案
• 2.2.2.1 土样的选取及其基本特性
• 2.2.2.2 强固剂的选取
• 2.2.2.3 试验方案的拟定
• 2.3 水泥加固红土的击实特性
• 2.3.1 水泥加固红土最佳击实制样时间的确定
• 2.3.2 水泥加固红土的击实特性
• 2.4 水泥加固红土的抗剪强度特性
• 2.4.1 直剪试验
• 2.4.2 水泥加固红土的剪应力-剪位移关系
• 2.4.3 水泥加固红土的抗剪强度
• 2.4.3.1 抗剪强度的确定
• 2.4.3.2 水泥加入比例对红土抗剪强度的影响
• 2.4.3.3 试样养护时间对红土抗剪强度的影响
• 2.4.4 水泥加固红土的抗剪强度指标
• 2.4.4.1 抗剪强度指标的确定
• 2.4.4.2 水泥加入比例对红土抗剪强度指标的影响
• 2.4.4.3 试样养护时间对红土抗剪强度指标的影响
• 2.5 水泥加固红土的压缩特性
• 2.6 水泥加固红土的渗透特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 水泥加固红土的微结构特征及特征参数研究
• 3.1 引言
• 3.2 水泥加固红土的微结构试验
• 3.2.1 扫描电镜试样的制备
• 3.2.2 扫描电镜工作原理
• 3.2.3 微结构图像的获取
• 3.3 水泥加固红土微结构图像的对比分析
• 3.3.1 击实前后红土的微结构特征
• 3.3.2 水泥加入前后红土的微结构特征
• 3.3.3 试样养护前后红土的微结构特征
• 3.3.4 剪切前后红土的微结构特征
• 3.3.5 压缩前后红土的微结构特征
• 3.4 水泥加固红土微结构图像的数字化处理
• 3.4.1 微结构图像处理简介
• 3.4.2 微结构图像处理步骤
• 3.4.2.1 微结构图像的选取和裁剪
• 3.4.2.2 微结构图像的二值化处理
• 3.4.3 水泥加固红土微结构特征参数的提取
• 3.5 水泥加固红土微结构特征参数的对比分析
• 3.5.1 击实前后红土微结构特征参数的变化
• 3.5.2 水泥加入前后红土微结构特征参数的变化
• 3.5.3 试样养护前后红土微结构特征参数的变化
• 3.5.4 剪切前后红土微结构特征参数的变化
• 3.5.5 压缩前后红土微结构特征参数的变化
• 3.6 本章小结
• 第四章 水泥加固红土的机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 水泥加固红土的特征
• 4.3 水泥加固红土的作用
• 4.4 水泥加固红土的机理
• 4.4.1 水泥对红土击实特性的影响
• 4.4.1.1 水泥加入前后对红土击实特性的影晌
• 4.4.1.2 水泥加入比例对红土击实特性的影响
• 4.4.2 水泥对红土抗剪强度特性的影响
• 4.4.2.1 水泥加入前后对红土抗剪强度特性的影响
• 4.4.2.2 水泥加入比例对红土抗剪强度特性的影响
• 4.4.2.3 试样养护前后对水泥加固红土抗剪强度特性的影响
• 4.4.2.4 试样养护时间对水泥加固红土强度特性的影响
• 4.4.3 水泥对红土压缩特性的影响
• 4.4.3.1 水泥加入前后对红土压缩特性的影响
• 4.4.3.2 水泥加入比例对红土压缩特性的影响
• 4.4.3.3 试样养护前后对加固红土压缩特性的影响
• 4.4.3.4 试样养护时间对水泥加固红土压缩特性的影响
• 4.4.4 水泥对红土渗透特性的影响
• 4.4.4.1 水泥加入前后对红土渗透特性的影响
• 4.4.4.2 水泥加入比例对红土渗透特性的影响
• 4.4.4.3 试样养护前后对水泥加固红土渗透特性的影响
• 4.4.4.4 试样养护时间对加固红土渗透特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 水泥加固红土抗剪强度的神经网络模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 神经网络简介
• 5.3 水泥加固红土抗剪强度的神经网络模型
• 5.3.1 影响水泥加固红土抗剪强度的因素
• 5.3.1.1 含水率的影响
• 5.3.1.2 干密度的影响
• 5.3.1.3 水泥加入比例的影响
• 5.3.1.4 试样养护时间的影响
• 5.3.2 水泥加固红土抗剪强度神经网络模型的建立
• 5.3.2.1 输入输出层神经元数目的确定
• 5.3.2.2 样本数据的归一化处理
• 5.3.2.3 模型传递函数的确定
• 5.3.2.4 隐层神经元数目的确定
• 5.3.2.5 神经网络模型的建立
• 5.3.3 水泥加固红土抗剪强度神经网络模型的训练
• 5.3.4 水泥加固红土抗剪强度神经网络模型的预测和评价
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 主要工作
• 6.2 主要结论
• 6.3 存在的问题
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢