海积软土力学特征与固化新技术研究

论文摘要

本文阐述了天津滨海新区海积软土的特点、成因、工程力学性质和微观结构特征,分析了现有软土地基处理方法的适用条件和影响纯水泥固化软土强度的主要因素,提出了使用外掺剂改善水泥固化土物理化学环境并进而提高其强度的新理念,通过大量室内试验,研究出了两种新型固化剂。经实际工程应用,证实上述两种新型固化剂不但固化软土效果好,而且使用方便、经济效益好。同时,还从固化软土的微观结构和物理化学作用出发,探讨了新型固化剂的固化机理。本文主要研究内容与成果如下:1.分析了天津滨海新区海积软土的结构特征。发现区内海积软土均属结构性土,大港区结构性较强,塘沽区结构性较弱,而汉沽区在二者之间。在组构特征上,塘沽区软土属于典型的絮凝状结构,骨架松散,孔隙尺寸较大;汉沽区软土属于团粒-絮凝状结构,片状结构单元体以及粒状颗粒之间排列相对密实,而大港区软土与汉沽区类似,但单元体与颗粒之间排列更为紧密。组构特征的差异是三个区软土力学性质差异的主要原因。2.将多重分形算法引入到海积软土微观结构研究中,发现孔隙多重分形谱特征参数f（α）max可作为土质松散与密实的评价指标。f（α）max值越高,土质越松散。3.提出了一个能有效反映海积软土孔隙破损趋势的评价指标—孔隙结构因子（PSF）,它综合反映了孔隙大小、形态、分布、定向性四方面的因素。孔隙结构因子越大,土体破坏的趋势越大,土的结构强度越低。4.分析了影响天津滨海新区纯水泥固化土强度的主要因素,指出除了常见的因素之外,软土的含水量、有机质含量、PH值影响较大,主要表现在水泥土的强度随软土的含水量和有机质含量的增加和PH值的降低而减弱,故将其称为“水泥土强度弱化因子”,在滨海地区勘察时,要特别注意“水泥土强度弱化因子”的勘察测试,以便采取相应措施。5.发现了水泥土搅拌法存在水泥饱和效应:当龄期相同时,随着掺灰量的增加,水泥固化土抗压强度有较明显的增加,并在某一最佳掺灰量时,水泥固化土强度达到最大,此后无论怎样增加含灰量都不能明显提高桩身强度和单桩极限承载力。水泥饱和现象的存在、发现和界定,可以在保证工程质量的前提下节省大量的资金,其经济意义不言而喻。6.通过多地段、多孔位、多地层和多掺量的水泥土强度实验,提出了水泥土强度增长的各向异性问题。在掺入量和配合比相同的条件下,水泥土强度随龄期增长的规律在垂向上因各层土质不同或各层土的物理力学性质不同而有差异,即每层水泥土的强度增长是不同步的,它存在强度增长的纵向异性,如果地层在水平方向上变化较大,则由于土性在水平方向的较大差异,也可能使强度增长存在横向异性。水泥土强度增长的纵向异性和横向异性总称为强度增长的各向异性。水泥土存在的强度增长的各向异性,揭示了单桩桩身强度的差异性和单桩承载力及复合地基承载力的差异性。7.研究出了新的软土固化剂:水泥+NaOH组合和水泥+Na2CO3组合,并经实验和工程实践证实经济有效,可以推广使用。8.探讨了软土固化剂的固化机理,指出将NaOH和Na2CO3作为外掺剂加入水泥土中,可以使水泥土保持强碱性,使OH-浓度增加,促使生成大量针状棒状或纤维状水化硅酸钙晶体,抑制了能产生膨胀作用的钙矾石的生成,同时有Ca（OH）2晶体析出,它们共同构成土颗粒间和土颗粒表面的充填物和包裹物,使水泥土的孔隙明显减小,土体得到加固,强度得以提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的与意义
• 1.1.1 选题的特殊性
• 1.1.2 选题的普遍性
• 1.1.3 选题的目的与意义
• 1.2 研究的发展与现状
• 1.2.1 土的微观结构研究的发展与现状
• 1.2.2 土壤固化剂研究的发展与现状
• 1.2.3 软土固化剂常用方法-水泥土搅拌法的发展与现状
• 1.3 研究的内容与方法
• 1.3.1 研究的内容
• 1.3.2 研究的方法
• 第二章 天津滨海新区海积软土概述
• 2.1 天津滨海新区地质概况
• 2.1.1 地质构造条件
• 2.1.2 工程地质条件
• 2.1.3 水文地质条件
• 2.2 天津滨海新区海积软土的形成
• 2.2.1 古地理环境
• 2.2.2 沉积物源
• 2.3 天津滨海新区海积软土的特征
• 2.4 本章小结
• 第三章 海积软土的力学性质研究
• 3.1 海积软土的物理性质
• 3.2 海积软土的力学性质
• 3.2.1 海积软土在单向压缩试验中的结构性力学性质
• 3.2.2 海积软土在剪切试验中的结构性力学性质
• 3.2.3 海积软土无侧限抗压试验
• 3.3 海积软土的微观结构分析
• 3.3.1 样品制备
• 3.3.2 研究方法与对象
• 3.3.3 SEM图像的预处理
• 3.3.4 定量化参数的确定
• 3.3.5 原状样的微观结构特征
• 3.3.6 单向压缩试验的微结构特征
• 3.4 海积软土的微观结构与力学性质关系研究
• 3.4.1 孔径分布变化
• 3.4.2 孔隙大小的变化
• 3.4.3 孔隙几何形态的变化
• 3.4.4 孔隙定向排列特征的变化
• 3.4.5 孔隙含量的变化
• 3.4.6 孔隙的分形参数变化
• 3.4.7 孔隙结构因子
• 3.5 本章小结
• 第四章 海积软土的固化方法研究
• 4.1 海积软土固化方法选择
• 4.2 海积软土的水泥土搅拌法固化原理与实践
• 4.2.1 水泥土搅拌法概述
• 4.2.2 水泥加固土原理
• 4.2.3 应用实例与效果
• 4.3 海积软土的水泥土搅拌法固化效果影响因素分析
• 4.3.1 海积软土的水泥土搅拌法固化强度影响因素分析
• 4.3.2 海积软土固化土强度的增长规律及工程意义
• 4.4 本章小结
• 第五章 海积软土固化剂的室内试验研究
• 5.1 海积软土固化剂选择理念
• 5.2 海积软土固化剂室内试验
• 5.2.1 纯水泥土试验方案
• 5.2.2 水泥固化土外掺剂的试验方案
• 5.2.3 试验材料及试样的制备
• 5.2.4 宏观力学试验结果分析
• 5.3 海积软土固化土的微观结构特征研究
• 5.3.1 扫描电镜图片及能谱分析
• 5.3.2 微观结构定量分析
• 5.4 海积软土固化剂的作用机理
• 5.5 本章小结
• 第六章 海积软土固化剂的现场试验研究
• 6.1 现场试验内容与方法
• 6.1.1 现场试验内容
• 6.1.2 现场试验方法
• 6.2 现场试验场地的工程地质条件
• 6.3 现场试验成果分析
• 6.3.1 桩身质量检测
• 6.3.2 现场试验成果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 本文作者近期科研及论文发表与获奖目录