膨胀土相似模型试验材料的研制与单桩模型浸水试验研究

论文摘要

膨胀土是一种高塑性、裂隙性及超固结性特殊类土,分布广泛。由于膨胀土具有遇水膨胀失水收缩的特性使得膨胀土地基不具稳定性,以致膨胀土地基工程事故频繁发生造成巨大经济损失。影响膨胀土胀缩因素很多,目前膨胀土胀缩机理仍不十分明确。论文通过研制膨胀土相似模型试验材料,模拟膨胀土胀缩性质,并进行单桩模型浸水试验研究,探讨影响膨胀土胀缩性质的主要因素及浸水过程中桩受力变形规律,为工程中如何更好处理膨胀土地基提供良好的思路,也为膨胀土地基桩基础设计提供一定指导。论文基于室内试验,以自由膨胀率、液限、最大干密度等重要可行性指标为判据进行了大量配比试验,研制具有膨胀性质的相似模型试验材料,并进行膨胀土地基桩基础浸水试验。论文根据膨胀土的性质以及材料的选择需要考虑材料来源途径方便、经济便宜以及可操作性,经过分析最终选用砂、膨润土及石膏作为配制材料。通过室内土工试验,对各个试验材料进行合理的配比,配制出具有膨胀土膨胀性质的材料,并对膨胀土相似模型试验材料进行力学性质研究,获得其相关特性。最后进行了膨胀土地基单桩模型浸水试验研究。论文具体的研究思路是以自由膨胀率为切入点,结合液限及最大干密度两项指标确定膨胀土相似材料,通过膨胀土相似材料力学性质验证相似材料合理性。最后采用相似材料模拟膨胀土地基进行单桩模型浸水试验,研究浸水膨胀过程中桩及桩周土受力变形规律。具体来说,论文得出了以下几点主要结论：（1）通过对砂、膨润土及石膏材料的物理力学性质分析,结合膨胀土具有胀缩性、裂隙性及超固结性的性质,选定以砂为主骨料、膨润土为膨胀性材料以及石膏为胶结材料具有可行性。（2）经试验测定砂-膨润土-石膏混合物不同配比下自由膨胀率,得出自由膨胀率与膨润土在混合物的质量百分比成正比关系。（3）本文以中等膨胀性为配制目标,确定了以砂-膨润土-石膏混合物为膨胀土相似材料,并从理论上及试验实测值两方面确定膨胀土砂、膨润土及石膏配比为7：6：1。（4）砂-膨润土-石膏混合物膨胀率与试样初始含水率、初始干密度及轴向压力有密切的关系——单值变量情况下,膨胀率随初始含水量的增大而减小；膨胀率随初始干密度的增大而增大,并成线性关系；膨胀率随轴向压力的增大而减小,并成线性关系。（5）砂-膨润土-石膏混合物膨胀力与试样初始干密度密切相关,膨胀力与初始干密度成线性正比关系。（6）相似材料胀缩特性与膨胀土胀缩特性具有相似性,收缩试验中显示研制的相似材料具有裂隙性,这与膨胀土具有裂隙性相似。（7）模型桩在浸水过程中桩身各测段轴力整体上均随时间的变化而增大。轴力沿着桩身分布均表现为拉应力,呈“波峰”形态。（8）桩周土压力随时间变化逐渐增大,同深度处不同位置土压力增幅不同,不同深度处同一位置土压力增幅也不同；桩底土竖向压力随时间的变化逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的意义及目的
• 1.2 膨胀土相似材料模型试验国内外研究现状
• 1.2.1 相似理论应用于相似模型试验材料研究现状
• 1.2.2 膨胀性材料性能研究现状
• 1.2.3 膨胀土中单桩承载行为研究现状
• 1.3 本文研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 2 膨胀土相似模型试验材料的研制
• 2.1 模型试验中相似理论的应用
• 2.2 膨胀土相似模型材料比选
• 2.2.1 膨胀土的性质
• 2.2.2 膨胀土的判别指标及指标选取
• 2.2.3 膨胀相似模型材料的选取
• 2.3 砂-膨润土-石膏混合物试验配比研究
• 2.3.1 材料
• 2.3.2 砂-膨润土-石膏混合物配制
• 2.4 两种材料的对比分析
• 2.5 本章小结
• 3 砂-膨润土-石膏混合物模型材料的胀缩特性研究
• 3.1 模型试验材料的基本物理性质
• 3.2 模型材料的胀缩变形及其影响因素研究
• 3.2.1 胀缩试验概述
• 3.2.2 膨胀变形与初始含水率的关系
• 3.2.3 膨胀变形与干密度的关系
• 3.2.4 膨胀变形与轴向压力的关系
• 3.2.5 无荷条件下胀缩变形特性
• 3.3 模型材料的膨胀力及其影响因素研究
• 3.3.1 膨胀力测定试验模型
• 3.3.2 膨胀力随时间的变化规律
• 3.3.3 膨胀力与初始干密度的关系
• 3.4 本章小结
• 4 膨胀土地基单桩模型浸水试验研究
• 4.1 模型试验设计
• 4.1.1 模型试验概述
• 4.1.2 试验准备及制作过程
• 4.2 试验装置及仪器
• 4.2.1 模型箱
• 4.2.2 模型桩及桩身应变片
• 4.2.3 土压力盒布置及标定
• 4.2.4 桩顶及桩周表层土体沉降量测
• 4.2.5 数据量测及采集系统
• 4.2.6 试验注意事项
• 4.3 试验数据整理及分析
• 4.3.1 桩土体系的荷载传递机理
• 4.3.2 桩侧摩阻力的理论计算
• 4.3.3 浸水试验研究
• 4.4 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果