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石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究

作　者: 贺建清
导　师: 张家生；钟新谷
学　校: 中南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 石灰土循环荷载动力特性电镜扫描动力分析路面变形
分类号: U416.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

受地理条件限制,在软土地区常用石灰来改良软土作路基填料。但石灰改良土在交通荷载作用下的力学特性的研究很不成熟,理论研究远远落后于实际工程应用。因此,研究石灰改良土的动力特性及其在交通荷载作用下的变形性状,具有十分重要的理论意义和实用价值。本文在大量室内试验的基础上,对石灰改良土的力学特性,其中主要是动力特性进行了深入研究:并基于试验成果,利用动力弹塑性有限元分析了交通荷载作用下石灰改良土道路的变形性状,取得了如下主要成果和结论: 1.软土掺入石灰后,塑性指数明显降低,最大干密度随石灰掺入量的增大而减少,最优含水量随石灰掺入量的增大而增加,击实曲线峰值段比掺灰前具有相对较宽的最优含水量区间,在回填施工过程中达到设计压实度要求的含水量容易控制。工程实际中,掺灰比宜控制在5%～8%。 2.采用扫描电镜（SEM）照片及能谱分析（EDS）对石灰改良土的组成和结构进行微观分析,在石灰土中首次发现了连结成空间网状结构的钙矾石结晶体。从微观结构上对石灰改良土的加固机理进一步进行研究,发现改良的作用表现为增加了土体的粘聚力。 3.使用DDS-70型微机控制动三轴仪,对石灰土进行了动强度和动弹模阻尼比试验,确定了石灰土的动强度和动力参数。试验结果进一步验证了力学性质差的填料因石灰的掺入强度有显著提高。发现频率愈高,随着破坏振次的增加,动强度衰减愈快。 4.动应变ε_d是影响土样动模量阻尼比的最主要因素,随着动应变水平的提高,动弹模量E_d成倍减小而阻尼比λ成倍增大。频率f愈高,动弹模量和阻尼比愈大。随着掺灰比的增大,石灰土的动弹模量和阻尼比相应增大。动弹模量随围压σ_3c增减而增减,阻尼比λ随σ_3c的升高而减小。最大动弹模量E_{d max}一与围压σ_3c呈指数递增关系:最大阻尼比λ_max在7%～40%之间,与围压σ_3c呈指数递减关系,并建立了相应的统计公式: λ_max=k_λP_a(σ_3c/P_a)^-nλ 5.将交通荷载简化为半波正弦荷载,基于平面应变假定,利用动力弹塑性有限元定性分析了交通荷载作用下的石灰土道路的变形性状。研究了掺灰比、交通荷载、地基力学性质对道路变形的影响。研究结果表明,用石灰改良软土能有效减小工后沉降。道路和地基的塑性变形在沿深度方向某一范围内衰减很快;在地基表面以下存在—“塑性变形有效影响深度”,该深度可作为交通荷载工后沉

全文目录

第一章绪论  10-29
  1.1 研究目的及意义  10-12
  1.2 软粘土动力特性研究现状  12-15
  1.3 土体动本构模型研究现状  15-20
  1.4 石灰改良土性状研究现状  20-23
  1.5 道路与地基动力相互作用研究现状  23-27
  1.6 本文的主要工作及创新点  27-29
第二章石灰改良土的物理力学特性及加固机理的研究  29-43
  2.1 概述  29-30
  2.2 石灰改良土室内试验  30-33
    2.2.1 试验原料  30
    2.2.2 界限含水量试验  30-31
    2.2.3 击实试验  31-32
    2.2.4 无侧限抗压强度试验  32-33
  2.3 固结不排水三轴试验  33-37
    2.3.1 试样制备、仪器、方法  33-34
    2.3.2 静强度特性  34-37
  2.4 石灰改良土的强度形成机理及微观形貌  37-41
    2.4.1 石灰改良土的强度形成机理  37-38
    2.4.2 石灰改良土的微观形貌  38-40
    2.4.3 石灰改良土加固机理的进一步探讨  40-41
  2.5 本章小结  41-43
第三章循环荷载作用下石灰改良土饱水动强度特性的试验研究  43-66
  3.1 概述  43
  3.2 动三轴试验原理简介  43-44
  3.3 试验方案  44-47
    3.3.1 试验仪器  44-45
    3.3.2 试验参数选择  45-46
    3.3.3 试验内容与试验方法  46-47
  3.4 动强度试验结果分析整理  47-64
    3.4.1 动抗剪强度曲线  47-51
    3.4.2 动摩尔库仑强度指标  51-52
    3.4.3 动强度影响因素分析  52-58
    3.4.4 动应变特性  58-64
  3.5 本章小结  64-66
第四章填料饱水动弹模量及阻尼特性的试验研究  66-99
  4.1 概述  66-67
  4.2 等效线性模型(Hardin-Drnevich模型)  67-72
    4.2.1 土的动应力—应变关系的特点  67-68
    4.2.2 等效弹性模量  68-70
    4.2.3 等效阻尼比  70-72
  4.3 试验内容和试验方法  72-74
    4.3.1 试验内容  72-73
    4.3.2 试验方法  73-74
  4.4 动弹模阻尼试验结果分析整理  74-91
    4.4.1 动弹模量与动应变的关系曲线  74-82
    4.4.2 阻尼比与动应变的关系曲线  82
    4.4.3 模型参数选取  82-88
    4.4.4 最大动弹模量和最大剪切模量与围压关系的回归分析  88-90
    4.4.5 最大阻尼比与围压关系的回归分析  90-91
  4.5 动弹模与动阻尼影响因素分析  91-97
    4.5.1 应变水平  91-92
    4.5.2 固结围压  92
    4.5.3 固结比  92-95
    4.5.4 掺灰比  95-96
    4.5.5 振动频率  96-97
  4.6 本章小结  97-99
第五章交通荷载作用下道路变形性状动力分析模型  99-115
  5.1 概述  99
  5.2 交通荷载特性  99-102
  5.3 路基土的弹塑性模型基本理论  102-108
    5.3.1 破坏准则  102
    5.3.2 屈服准则  102-105
    5.3.3 硬化规律  105
    5.3.4 流动法则  105-106
    5.3.5 弹塑性矩阵  106-108
  5.4 动力弹塑性有限元法  108-114
    5.4.1 动力平衡方程的建立  108-111
    5.4.2 质量矩阵和阻尼矩阵  111-112
    5.4.3 边界条件  112-113
    5.4.4 动力平衡方程的求解  113-114
    5.4.5 收敛问题和时间步长的选取  114
  5.5 本章小结  114-115
第六章交通荷载作用下石灰改良土道路变形性状分析  115-139
  6.1 概述  115-116
  6.2 计算模型的建立与参数的选取  116-118
    6.2.1 模型建立基本假定  116
    6.2.2 模型建立与参数选取  116-118
  6.3 交通荷载作用下的道路变形性状分析  118-137
    6.3.1 填料掺灰比不同时的道路变形性状分析  118-124
    6.3.2 交通荷载大小不同时的道路变形性状分析  124-127
    6.3.3 交通荷载频率不同时的道路变形性状分析  127-129
    6.3.4 交通荷载作用下道路和地基沿深度方向的变形性状分析  129-133
    6.3.5 交通荷载作用下的路面变形性状分析  133-137
  6.4 本章小结  137-139
第七章结论与建议  139-142
  7.1 本文主要研究成果  139-140
  7.2 存在的问题及有待进一步研究的问题  140-142
参考文献  142-155
致谢  155-156
攻读学位期间的主要研究成果  156-157

石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究

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