海水侵蚀环境下水泥土的力学性质试验研究及耐久性分析

论文摘要

水泥土因具有材料来源广泛、施工便捷、价格低廉、性能良好等特点,而广泛应用于基坑围护、地基处理和边坡加固等工程中。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道作为港珠澳大桥的重要组成部分,其明挖段基底采用高压旋喷和深层搅拌相结合的方式进行加固处理,处理后的基底含有大量的水泥土；同时,该基底地下水与具有侵蚀性的海水连通,海水侵蚀会引起水泥土的矿物成分和微细观结构发生改变,从而导致其力学性能劣化、耐久性降低。因此,探索海水侵蚀环境下水泥土的力学性质和耐久性能,是亟需研究的课题。本文依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道基底加固工程,研究海水侵蚀环境下水泥土强度随龄期的变化规律,建立海水侵蚀环境下水泥土强度性质的溶液浓度-侵蚀时间等效模型,预测海水侵蚀环境下水泥土加固体的耐久性,具有重要的理论意义和工程应用价值。首先,在室内配制多种化学溶液来模拟海水侵蚀环境,将不同性质的水泥土试块置于溶液中进行预定时间的浸泡。通过单轴压缩试验、电镜扫描以及离子色谱测定,分别得到了水泥土试块的无侧限抗压强度、水泥土试块微观结构图、浸泡后溶液离子浓度。分析水泥土试块的无侧限抗压强度数据,得到清水、氯化钠溶液、氯化镁溶液、硫酸镁溶液、氯化钠和氯化镁混合溶液、氯化钠和硫酸镁混合溶液中水泥土试块无侧限抗压强度与侵蚀溶液浓度和侵蚀时间之间的关系；将侵蚀环境下水泥土试块无侧限抗压强度分解为清水环境下试块的无侧限抗压强度和侵蚀环境导致水泥土无侧限抗压强度的变化两部分,利用后者研究了水泥土试块无侧限抗压强度与侵蚀溶液浓度和侵蚀时间之间的关系；分析水泥土试块微观结构图及浸泡后化学溶液离子浓度,分别得到侵蚀后水泥土试块微观结构随溶液浓度和浸泡时间的变化规律以及侵蚀环境中离子浓度随侵蚀时间的变化规律。其次,建立海水环境下水泥土强度特征的等效模型。水泥土的强度来自于土体颗粒的密实程度和颗粒之间胶结物的充填和胶结强度,假定：侵蚀环境对水泥土土颗粒的密实程度无影响,只对水化后土颗粒之间的胶结物产生影响,基于损伤力学和化学动力学,建立了水泥土强度性质的侵蚀溶液浓度-侵蚀时间等效关系。采用侵蚀环境导致的水泥土试块的强度变化试验数据,对水泥土强度性质的侵蚀溶液浓度-侵蚀时间等效关系进行了验证。最后,以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道基底处理工程为依托,分析水泥土加固体的耐久性。一方面,根据试验数据得到清水环境下水泥土强度与龄期之间的关系,并结合水泥土强度性质的侵蚀溶液浓度-侵蚀时间等效原理和氯化钠环境下水泥土的无侧限抗压强度试验数据,得到0.34g/l的氯离子（该工程所处海水中氯离子浓度）环境导致的水泥土试块无侧限抗压强度的变化值与侵蚀时间之间的关系；然后,将清水环境下水泥土试块的无侧限抗压强度和侵蚀环境导致的水泥土无侧限抗压强度的变化值相加,得到0.34g/l氯离子环境中水泥土试块的无侧限抗压强度与侵蚀时间的关系。最后,根据清水环境下水泥土试块的强度与龄期之间的关系,假定龄期270d后,清水浸泡下水泥土试块的无侧限抗压强度保持不变,应用上述关系式,预测了仅考虑海水中氯离子的影响时,水泥土加固体的长期强度。另一方面,采用侵蚀环境下水泥土试块无侧限抗压强度试验数据,对旋喷桩和搅拌桩单桩设计公式进行了修正,得到了修正系数建议取值范围。从水泥土加固体的设计原理和长期强度预测两方面进行了海水环境下水泥土加固体的耐久性分析,为海水环境下水泥土加固工程的设计、施工和运行提供重要的参考依据。

论文目录

• 博士生自认为的论文创新点
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水泥土在侵蚀环境中的力学性质研究
• 1.2.2 水泥土在侵蚀环境中的微观结构研究
• 1.2.3 水泥土在侵蚀环境中的化学动力学研究
• 1.2.4 水泥土在侵蚀环境中的损伤力学研究
• 1.2.5 水泥土在侵蚀环境中的耐久性研究
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 单组分溶液侵蚀下水泥土的力学性质试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验方案
• 2.2.1 水泥土试块制备
• 2.2.1.1 水泥土材料
• 2.2.1.2 侵蚀性物质
• 2.2.1.3 水泥土试块制作及养护
• 2.2.2 侵蚀环境的模拟
• 2.2.3 试验方法及步骤
• 2.2.3.1 无侧限抗压试验
• 2.2.3.2 电镜扫描试验
• 2.2.3.3 侵蚀溶液浓度测定试验
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 无侧限抗压试验结果及分析
• 2.3.1.1 工艺一试验结果及分析
• 2.3.1.2 工艺二试验结果及分析
• 2.3.1.3 氯化钠环境下三种水泥土试块强度的对比分析
• 2.3.2 电镜试验结果及分析
• 2.3.2.1 引言
• 2.3.2.2 试验结果及分析
• 2.3.3 侵蚀溶液浓度随时间变化结果及分析
• 2.3.3.1 浸泡后氯化钠溶液中离子浓度分析
• 2.3.3.2 浸泡后氯化镁溶液中离子浓度分析
• 2.4 本章小结
• 3 双组分溶夜侵蚀下水泥土的力学性质试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验方案
• 3.2.1 水泥土材料
• 3.2.2 水泥土试块制备及养护
• 3.2.3 侵蚀环境的模拟
• 3.2.4 试验方法及步骤
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 水泥土试块外观分析
• 3.3.2 无侧抗压试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 海水环境中水泥土强度性质的浓度-时间等效研究
• 4.1 引言
• 4.2 水泥和土的固化机理
• 4.3 海水侵蚀环境下水泥土的破坏机理
• 4.3.1 硫酸根离子与水泥土的反应特点
• 4.3.2 镁离子和氯离子与水泥土的反应特点
• 4.3.3 镁离子和硫酸根离子与水泥土的反应特点
• 4.4 基于化学动力学和损失力学的等效分析
• 4.4.1 化学动力学基本理论
• 4.4.1.1 化学反应与化学计量关系
• 4.4.1.2 反应速率及其表达式
• 4.4.1.3 流体—固体反应的主要步骤
• 4.2.1.4 表观反应级数
• 4.4.2 损伤力学基本理论
• 4.4.2.1 损伤变量
• 4.4.2.2 有效应力的概念
• 4.4.3 等效分析
• 4.5 结论验证
• 4.6 本章小结
• 5 海水环境下水泥土加固体的耐久性分析
• 5.1 引言
• 5.2 海水侵蚀环境下水泥土复合地基承载力计算方法
• 5.2.1 搅拌桩复合地基的设计计算
• 5.2.1.1 搅拌桩复合地基受力形式
• 5.2.1.2 水泥土搅拌桩单桩竖向承载力的设计计算
• 5.2.1.3 水泥土复合地基承载力的设计计算
• 5.2.2 旋喷桩复合地基的设计计算
• 5.2.2.1 旋喷桩单桩承载力特征值
• 5.2.2.2 水泥土旋喷桩复合地基承载力
• 5.2.3 侵蚀性水泥土复合地基承载力计算方法研究
• 5.3 海水环境下水泥土的长期强度预测
• 5.3.1 水泥土强度与龄期之间的关系
• 5.3.2 氯化钠溶液侵蚀环境下水泥土的长期强度分析
• 5.3.2.1 清水环境中水泥土无侧限抗压强度与龄期之间的关系分析
• 5.3.2.2 氯离子环境中水泥土强度与龄期关系的预测分析
• 5.3.2.3 氯离子环境下水泥土加固体的长期强度分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的论文
• 致谢