不同盐溶液条件下陕南膨胀土膨胀特性及力学特性试验研究

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膨胀土在世界各地分布较为广泛,陕南地区也有涉及,因其吸水膨胀失水收缩等不良特性,致使陕南地区工程建设、灾后维修等经常遇见工程性难题,陕南地区边坡坍塌也常有发生,造成人员伤亡,经济也遭受巨大损失,对于此类问题的研究刻不容缓。但对于陕南地区盐溶液改良膨胀土的研究甚少,因此针对不同盐溶液(NaCl溶液、CaCl2溶液、Na2SiO3溶液)改性陕南膨胀土的膨胀特性及力学特性的研究十分重要且具有价值的实际意义。给以后陕南地区膨胀土的不良特性治理问题以及处理工程难题上提供了可以参考的理论依据和改良溶液选择。本文在陕南地区汉中市勉县地区对膨胀土进行取样为本文的试验对象,对其盐溶液改良前后的试样的基本物理性质进行对比分析,得出三种盐溶液对陕南膨胀土的基物性改良效果。通过一系列膨胀性试验得三种盐溶液对土体膨胀性的抑制效果,再进行常规三轴压缩剪切试验,对改性膨胀土的应力—应变关系曲线、抗剪强度指标系数进行分析,进一步分析改性膨胀土的力学特性及改性溶液对其土体的改性机理。主要研究结论如下:(1)本文通过试验得到陕南勉县地区所取试样的天然含水率、天然密度、重度、界限含水率,通过XRD试验得到土体矿物成分占比,综合判断本次试验所用膨胀土等级为中膨胀土;使用三种盐溶液(NaCl、CaCl2、Na2SiO3)对土体进行改性,对改性前后土体进行自由膨胀率和无荷膨胀率试验,得到Na2SiO3溶液对陕南重塑土的膨胀性抑制效果最好,其次是CaCl2和NaCl溶液;且三种盐溶液改性过程中在溶液浓度偏大的时候下降甚微。(2)对盐溶液改良前后的重塑陕南膨胀土试样进行三轴压缩剪切试验,研究固结围压和溶液浓度对陕南重塑膨胀土应力—应变关系曲线的影响。得到当固结围压较小时,应力—应变关系曲线多出现理想弹塑型和应变软化型,高围压情况下则基本为应变硬化型。Na2SiO3溶液改性土在围压50kPa时应力应变曲线都呈现应变软化。三种盐溶液改性土随着固结围压的增大Na2SiO3溶液改性土的峰值应力增长最快,同围压下随着溶液浓度增长,NaCl溶液和CaCl2溶液改性土的主应力差随之减小呈负相关,Na2SiO3溶液改性土的主应力差随之增大呈正相关。(3)根据三轴试验数据进行分析计算得到抗剪强度系数,研究不同盐溶液浓度和固结围压对抗剪强度系数及抗剪强度的影响规律。得到随着溶液浓度增大,Na2SiO3溶液改性土的粘聚力c和内摩擦角φ随之增大,CaCl2溶液改性土的粘聚力c下降,内摩擦角φ上升,NaCl溶液改性土的粘聚力c和内摩擦角φ都随之下降。随着围压增大,三种盐溶液改性土的抗剪强度都随之上升,Na2SiO3溶液改性土上升幅度最大。(4)分析三种盐溶液改性土的强度和变形变化规律,深度探究改性机理,得到:Na2SiO3溶液在土颗粒中产生凝胶作用生成硅酸凝胶,网补自由的土颗粒,使其粘聚力和内摩擦角都随之升大;NaCl溶液改性膨胀土时,随着NaCl溶液浓度的增高而降低,高浓度的阳离子溶液中和土颗粒所带负电荷,压缩扩散双电层厚度,使土颗粒排列结构从集聚结构转为凝聚结构,粘聚力c和内摩擦角φ都随之下降;在CaCl2溶液改性膨胀土时,随着CaCl2溶液浓度的增加,高价钙离子中和负电荷的作用更强,使粘聚力下降幅度比NaCl溶液更大,但在土颗粒之间Ca2+发生结晶作用,充斥在土颗粒的孔隙中,使内摩擦角逐渐升高。(5)综合本文膨胀性试验及力学特性试验,在今后陕南勉县地区膨胀土工程治理及化学改良方面,在土体径向压力较大情况下可使用Na2SiO3溶液进行化学改良,对抑制膨胀性,提高土体强度有明显表现,在径向压力较小的时候,可使用CaCl2溶液进行土体的改良。
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