论文部分内容阅读
粉质黏土毛细管作用显著，渗水能力强，以其作为填料构筑的路基，在冻融循环作用下，容易产生大量自由水迁移和积聚，从而导致路基冻害。目前常见的季冻区水泥改良路基土，可提升土体强度和抗冻性能，但会使土体易出现脆性破坏和干缩；纤维改良能够使土体获得更好的塑性变形能力，但对土体强度改善效果不明显。因此，综合考虑水泥和纤维的改良特性，深入研究复合改良粉质黏土的抗冻性能，以期增强季冻区路基结构的稳定性和耐久性。
本文选择动态回弹模量和无侧限抗压强度为主的力学指标和冻胀率为主的物理指标进行改良土抗冻性能评价，首先分别选择水泥、玄武岩纤维、聚丙烯纤维三种材料，开展粉质黏土单一改良室内试验研究，分析了不同掺量下单一改良土的力学指标和冻胀变形特性的变化规律；在此基础上，选择6%水泥掺量，分别外掺0.5%、1.0%和1.5%的玄武岩纤维和0.15%、0.25%和0.35%的聚丙烯纤维形成复合改良粉质黏土，通过室内试验研究了不同初始含水率、冻融次数、纤维掺量下两种复合改良土的力学指标变化规律，对比分析了两种复合改良土的力学性能、冻胀变形特性以及抗压破坏变形，并建立了考虑初始含水率、冻融次数、纤维掺量的复合改良土无侧限抗压强度预估模型和冻融回弹模量衰减模型；随后，基于ABAQUS软件，利用数值分析方法，构建了典型的复合改良土路基沥青路面结构有限元分析模型，考虑了冻融次数、初始含水率以及复合改良土层厚度等因素，分析了不同荷载状况下路面结构的力学响应。主要结论如下：
(1)复合改良土力学指标随初始含水率和冻融次数的增加而降低，与粉质黏土、单一改良土的变化规律大致相同；随纤维掺量的增加其力学指标先增加再减小，并呈现良好的线性相关性；粉质黏土和水泥改良土的破坏呈现应变软化脆性破坏，两种复合改良土的破坏都呈现塑性破坏，并且聚丙烯纤维+水泥的塑性变形能力更明显。
(2)粉质黏土、单一改良粉质黏土以及复合改良土力学指标均在第1次冻融作用下损失幅度最大，在6次冻融循环后逐渐趋于稳定。
(3)相同含水率、压实度和冻融次数下，0.15%掺量的聚丙烯纤维复合改良土的力学指标都高于1.0%掺量的玄武岩纤维复合改良土；9次冻融循环后，不同初始含水率下，0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土无侧限抗压强度变化范围是0.73~2.09MPa，其值是6%水泥土的1.1~1.7倍，是未改良土的2.9~3.3倍；0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土回弹模量的变化范围是62.81~212.25MPa，其值是6%水泥土的1.1~1.5倍，是未改良土的2.0~2.7倍。
(4)9次冻融循环后，在95%压实度、最佳含水率(optimum moisture content， OMC)下和OMC+6%下，0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土冻胀率为未改良粉质黏土的0.5左右，为6%水泥改良土的0.8左右，为纤维改良土的0.7左右，1.0%玄武岩纤维+6%水泥复合改良土相比于6%水泥改良土抗冻胀提升效果不明显。
(5)相同路面结构、初始含水率以及荷载条件下，半刚性基层和底基层的层底拉应力随着复合改良土层冻融次数的增加而显著增加，9次冻融循环后的增加幅度分别在22.18%~105.78%和24.67%~126.67%之间；层底拉应力随着复合改良土路基深度的增加减小，其中复合改良土路基深度从0.8m增加至1.5m时，层底拉应力降低幅度在5~20%之间。
本文选择动态回弹模量和无侧限抗压强度为主的力学指标和冻胀率为主的物理指标进行改良土抗冻性能评价，首先分别选择水泥、玄武岩纤维、聚丙烯纤维三种材料，开展粉质黏土单一改良室内试验研究，分析了不同掺量下单一改良土的力学指标和冻胀变形特性的变化规律；在此基础上，选择6%水泥掺量，分别外掺0.5%、1.0%和1.5%的玄武岩纤维和0.15%、0.25%和0.35%的聚丙烯纤维形成复合改良粉质黏土，通过室内试验研究了不同初始含水率、冻融次数、纤维掺量下两种复合改良土的力学指标变化规律，对比分析了两种复合改良土的力学性能、冻胀变形特性以及抗压破坏变形，并建立了考虑初始含水率、冻融次数、纤维掺量的复合改良土无侧限抗压强度预估模型和冻融回弹模量衰减模型；随后，基于ABAQUS软件，利用数值分析方法，构建了典型的复合改良土路基沥青路面结构有限元分析模型，考虑了冻融次数、初始含水率以及复合改良土层厚度等因素，分析了不同荷载状况下路面结构的力学响应。主要结论如下：
(1)复合改良土力学指标随初始含水率和冻融次数的增加而降低，与粉质黏土、单一改良土的变化规律大致相同；随纤维掺量的增加其力学指标先增加再减小，并呈现良好的线性相关性；粉质黏土和水泥改良土的破坏呈现应变软化脆性破坏，两种复合改良土的破坏都呈现塑性破坏，并且聚丙烯纤维+水泥的塑性变形能力更明显。
(2)粉质黏土、单一改良粉质黏土以及复合改良土力学指标均在第1次冻融作用下损失幅度最大，在6次冻融循环后逐渐趋于稳定。
(3)相同含水率、压实度和冻融次数下，0.15%掺量的聚丙烯纤维复合改良土的力学指标都高于1.0%掺量的玄武岩纤维复合改良土；9次冻融循环后，不同初始含水率下，0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土无侧限抗压强度变化范围是0.73~2.09MPa，其值是6%水泥土的1.1~1.7倍，是未改良土的2.9~3.3倍；0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土回弹模量的变化范围是62.81~212.25MPa，其值是6%水泥土的1.1~1.5倍，是未改良土的2.0~2.7倍。
(4)9次冻融循环后，在95%压实度、最佳含水率(optimum moisture content， OMC)下和OMC+6%下，0.15%聚丙烯纤维+6%水泥复合改良土冻胀率为未改良粉质黏土的0.5左右，为6%水泥改良土的0.8左右，为纤维改良土的0.7左右，1.0%玄武岩纤维+6%水泥复合改良土相比于6%水泥改良土抗冻胀提升效果不明显。
(5)相同路面结构、初始含水率以及荷载条件下，半刚性基层和底基层的层底拉应力随着复合改良土层冻融次数的增加而显著增加，9次冻融循环后的增加幅度分别在22.18%~105.78%和24.67%~126.67%之间；层底拉应力随着复合改良土路基深度的增加减小，其中复合改良土路基深度从0.8m增加至1.5m时，层底拉应力降低幅度在5~20%之间。