冻融循环作用下城市污泥固化土三维力学特性及其破坏准则

为了研究城市污泥固化土在经过不同冻融循环次数后的强度和变形特性,通过真三轴试验,对CJYT-1型固化剂固化的污泥土进行了试验研究。得到了在经过冻融循环次数N=0、1、3、5、8、10后的应力-应变关系曲线及强度和变形特性,并分析研究污泥固化土的中主应力比b及冻融循环次数N对土体强度参数的影响。试验结果表明:冻融循环试验中,污泥固化土的无侧限抗压强度及密度都随冻融循环次数的增加而逐渐减小,在8次循环后变化减缓趋于稳定;黏聚力c'_b代及内摩擦角φ'_b都表现为随b增大而增大,与b=0相比,b=1时c'_1、φ'_1/增长率最大分别可达16.77%和12.3%;随着冻融循环次数N的增加,土体的破坏强度逐渐减小,破坏应力比Mb总体呈减小的趋势,试样剪胀现象变化不明显,黏聚力c'_b代和内摩擦角φ'_b随着冻融循环次数N的增大而减小。基于Lade-Duncan及Matsuoka-Nakai两个常用破坏准则,结合污泥固化土真三轴试验数据,提出并验证了适用于污泥固化土的破坏准则,并根据该准则的φ'_b-b关系曲线分析了b值对其的影响。对比提出的破坏准则、Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai破坏准则,试验结果更趋近于新提出的破坏准则。     

改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制

为了研究冻融循环对改良粉土强度的影响规律及其作用机制,开展了不同初始压实度和初始含水率试样的冻融循环试验。对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,探讨了冻融循环作用对改良粉土的长期强度的影响规律。试验结果表明,随着冻融循环次数增加,改良粉土的抗压强度下降,最终在6次冻融循环后趋于稳定;相同的冻融循环次数条件下,初始含水率越大,改良粉土的抗压强度衰减幅度越大。为了寻找冻融循环作用对改良粉土孔隙结构的影响规律,进而揭示冻融循环对试样结构损伤的机制,开展了改良粉土的细观孔隙结构试验。试验结果表明,不同的冻融循环次数和初始含水率对小孔径孔隙（ 10 nm）之间的结构影响不大;冻融循环作用主要损伤了大孔径孔隙（0.01～100 μm）之间的结构,从而降低了改良粉土的强度。     

冻融条件TG固化剂石灰土基层性能研究

为了进一步研究TG固化剂石灰土在冻融条件下的各项性能, 分别对TG固化剂石灰土进行冻融作用前后的无侧限抗压强度试验和劈裂试验以及干缩试验. 结果表明: 随着冻融循环次数的增加, 无侧限抗压强度以及劈裂强度逐渐减小, 经历8次冻融循环以后强度衰减达到最大值. 经过冻融循环作用后试件的无侧限抗压强度以及劈裂强度残留值随着含水率和压实度的增加而增加, 通过冻融试验得到的抗冻性能指标BDR值在51%以上, 与未饱水冻融循环得到的最终残留强度值保持一致. 经冻融循环作用后TG固化剂石灰土的干缩应变和干缩系数减小, 干缩性能有所提高. 冻融循环条件下TG固化剂石灰土抗冻性能良好, 可以应用于路面基层.     

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明：一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na⁺在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。     

冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。     

冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用过程研究

冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验,每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时,模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时,利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试,并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明:单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率,试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著,试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外,反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%,其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。     

冻融循环对固化铅污染土强度与孔隙特征影响的试验研究

水泥基固化剂封闭是近年来重金属污染修复治理的主要技术手段之一。冻融循环作用是影响水泥固化重金属污染土力学特性的重要外营力。本文以人工制备的铅污染土为研究对象,结合冻融实验和室内土工试验,研究冻融循环作用对铅污染土无侧限抗压强度的影响。结果表明:随着水泥掺量的增大,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度增大,破坏应变减小;随着铅离子掺量的增大（污染程度升高）,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u降低,应力-应变曲线变化趋势更加相似;水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u随冻融频次的增大而降低;相同冻融频次条件下,随着水泥掺量的增加,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u损失率降低。基于SEM图像对固化铅污染土进行微观结构定量分析,表明随着冻融次数的增加,试样中细颗粒（< 1 μm）和细孔隙（< 2 μm）所占比例均提高。冻融作用对土体结构的破坏可能是导致土样无侧限抗压强度q_u降低的主要原因。     

氯盐和冻融耦合下水泥土的强度和破坏特征

为了研究氯盐侵蚀和冻融循环耦合下水泥土无侧限抗压强度和破坏特征, 进行了不同浓度氯化钠溶液下的水泥土冻融循环试验, 得到了冻融前后的冻融腐蚀因子、 体积变化率和变形模量, 分析了微观结构特征。结果表明： 在氯盐侵蚀和冻融循环耦合下, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子均随着冻融循环次数的增加而呈现下降趋势; 氯盐浓度越高, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子下降的幅度越大。随着冻融循环次数的增加, 在同种浓度溶液中, 水泥土的体积变化率增大, 变形模量减小; 氯盐浓度增大, 水泥土体积膨胀变大, 内部结构松散, 抵抗变形的能力减弱。相同冻融循环次数下, 氯盐溶液产生的损伤要大于清水中的损伤, 随着氯盐溶液浓度的增加, 水泥土内部微观结构损伤越严重。     

磷酸镁水泥固化铅污染土的力学特性试验研究及微观机制

采用磷酸镁水泥（MPC）对铅污染土进行固化/稳定化处理。基于无侧限抗压强度试验和渗透试验,研究了MPC添加量、水土比对固化污染土强度及渗透特性的影响规律。结果表明,固化土的强度随MPC添加量增加而增大,渗透系数减小;水土比对固化土的强度及渗透特性的影响均存在临界值,为0.45。低于临界值时,固化土的强度随着水土比的增加而增加,渗透系数随着水土比的增加而减小。压汞试验（MTP）结果表明,随MPC添加量的增大,固化土孔隙体积减小,水土比不超过临界值时,固化土孔隙体积随着水土比的增大而减小。扫描电镜试验结果表明,随着MPC添加量的增加,土颗粒团聚化越明显,胶结程度加强;水土比不超过临界值时,土颗粒团聚体增多。镁钾磷酸盐晶体（MKP）主要通过减少孔径大于1 ?m的孔隙体积来影响固化土的强度和渗透特性。     

冻融循环条件下水泥固化铅污染土强度模型研究

以冻融循环条件下水泥固化铅污染土为研究对象,通过室内试验研究冻融条件下水泥固化铅污染土的抗压强度特性。试验结果表明：水泥固化铅污染土的强度随水泥掺量增大而增大,随冻融循环次数的增加先略微增加,达到峰值后,随冻融循环次数的增加而快速减小,最后趋于稳定。随着冻融循环次数的增加,不同铅离子浓度的固化铅污染土的强度损失量不同,并表现出在相同水泥掺量下,铅离子浓度为0.5%的固化污染土抗压强度损失量最小。通过回归分析,建立了水泥固化铅污染土强度随冻融循环次数变化的预测模型,为实际工程提供理论参考。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。      

冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化

冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数（n）的增加和冻结温度（T）的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势（m_dσn）的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。     

活性MgO−粉煤灰固化淤泥耐久性研究

将绿色环保活性MgO?粉煤灰材料引入淤泥固化,采用系列室内模拟试验,深入研究冻融、浸水和干湿等复杂气候环境下活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的外观形貌和强度特征,明确外界环境干扰诱使固化淤泥性能演化的内在规律。结果表明：活性MgO?粉煤灰固化淤泥具有良好的抗冻融、抗干湿及水稳性,且活性MgO?粉煤灰掺量及MgO/粉煤灰配比提高可进一步改善活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的耐久性能。冻融、浸水和干湿等复杂环境显著劣化固化淤泥抗压强度,其强度水平均低于同龄期标准养护试样。固化淤泥试样无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而逐渐降低,随浸水时间增加先降低后趋于稳定,随干湿循环次数增加呈降低的趋势。基于所得试验结果,提出了活性MgO?粉煤灰固化淤泥耐久性演变的内在微观机制模型。     

Analysis of microscopic pore structures of the silty clay before and after freezing–thawing under the subway vibration loading

With the rapid development of the subway rail transit, the effect of the cyclic loading on the surrounding foundations and buildings has drawn wide attention. In addition to the in situ tests and the laboratory triaxial tests, microscopic tests also provide an effective way to clarify the physical and mechanical characteristics of soils. On the other hand, the characteristics of the soft silty clay before and after freezing–thawing has been less studied. In this paper, the scanning electron microscope (SEM) tests following the cyclic triaxial tests of silty clay layer were performed to investigate the variations of the microscopic pore structures of the layer before and after freezing–thawing. The corrected Otsu method was used to obtain the binary SEM images of silty clay. The porosity results demonstrate that the magnifications from 1000× up to 5000× were suitable for observation of the silty clay microstructures. The binary SEM images of soil pore structures were quantitatively analyzed, including the porosity, the size distribution, the pore shape coefficient, the pore orientation distribution and the fractal dimension. The pore orientation of samples without loading is arranged in the horizontal direction, while the pores of samples under cyclic loadings are arranged in the vertical. After freezing–thawing, the mean anisotropy value of the microscopic pore structures increased about 12% and the porosity of samples without loadings increases about 11.24%. The lower the freezing temperature is, the larger the porosity within the samples becomes. However, the freezing–thawing has little effect on the pore shape coefficient of the silty clay. The porosity of the silty clay increases with an increase in pore diameter, but it decreases with the increase in excess pore pressure. In addition, the microscopic pore structures of the silty clay exhibit fractal characteristics. The fractal dimension is reduced by the disturbance from the effect of freezing–thawing, coupled with the effect of cyclic loading.     

武汉东湖淤泥碳化-固化试验研究

引入活性MgO-粉煤灰固化材料,采用碳化-固化联合技术处理武汉东湖疏浚淤泥,通过无侧限抗压强度、扫描电镜和压汞试验,研究加压碳化模式、碳化时间、MgO-粉煤灰配比和固化剂掺量等因素下CO2碳化作用对固化淤泥力学性质和微观结构的影响。结果表明：活性MgO-粉煤灰固化淤泥碳化后抗压强度进一步增长,应力-应变关系曲线压密阶段应变缩小;不同固化剂配比的东湖淤泥试样具有不同的最佳加压模式,而加压模式决定了相同碳化时间下固化淤泥CO2吸入量,从而影响碳化-固化淤泥试样抗压强度;活性MgO掺量低时试样抗压强度整体较低,强度随碳化时间增加先增大后减小;MgO掺量较高时,碳化试样强度随碳化时间快速达到较高值,随后增长缓慢。微观分析表明：水碳镁石、球碳镁石和碳酸镁石等镁碳酸盐是碳化-固化联合技术增强淤泥强度的主要原因,其膨胀性和胶结作用促使土体中团粒内孔隙向颗粒间孔隙转化,土体更密实,抗压强度增加。     

武汉东湖淤泥早强固化试验研究

利用传统淤泥主固化材料水泥与辅助固化材料粉煤灰和石膏,通过组合配比对武汉东湖疏浚淤泥分别进行固化,基于无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验,确定不同材料组合及配比下淤泥固化强度和特点。试验研究表明：在疏浚淤泥固化过程中水泥占主导地位,对固化效果影响最为显著;粉煤灰起到的作用相当于降低了淤泥初始含水率,表现在固化淤泥早期强度的快速提高;石膏有利于固化淤泥早期强度的形成,其作用持续于整个淤泥固化过程。随着含水率的增大,单纯水泥固化淤泥试样的应力-应变关系曲线由应变软化逐渐过渡到应变硬化模式,围压对固化淤泥强度的影响程度也随着含水率的增大而逐渐减弱,辅助固化材料的添加使原单纯水泥固化淤泥的应变硬化型曲线变为应变软化模式。不同含水率东湖疏浚淤泥固化材料最佳配比为水泥掺入比20%,粉煤灰为3倍的水泥量,石膏为30%的水泥量,该研究成果有助于武汉东湖底泥的治理以及疏浚淤泥排放场地的地基处理和环境整治。     

纸浆渣烧结灰(PS灰)和水泥固化污泥水力试验研究

为研究纸浆渣烧结灰（PS灰）和水泥固化污泥的效果,本文采用多因素分析法,通过掺入PS灰和水泥,针对影响固化土力学性能和渗透性的影响因素,进行渗透试验以及静水淋溶试验,分析固化体的水力特性随影响因素的变化规律。结果表明:固化污泥的无侧限抗压强度与PS灰和水泥含量呈"阶梯形"分布,PS灰可有效降低水泥固化污泥的渗透系数,当水泥含量为20%,PS灰含量为17.5%时,拟合曲面上固化污泥的渗透系数达到了最小值,为0.48×10-5cm·s-1。当PS灰含量一定时,水泥含量增加,金属离子的含量呈下降趋势;水泥含量在8%~12%时,PS灰含量的增加对于固化Cd离子和Cu离子效果显著;其他金属离子的最大固化效果则存在于水泥含量大于12%时,且随着PS灰含量的增加而降低。     

干燥脱水过程中纤维加筋固化淤泥的强度特性

淤泥是一种天然含水率高且力学性质极差的固体废弃物,采取有效的技术方法进行快速脱水和增强可以实现淤泥资源化和高效利用。选取离散短丝聚丙烯纤维作为加筋材料,水泥和粉煤灰作为固化材料,通过开展无侧限抗压试验,研究了纤维加筋固化淤泥在干燥路径中强度的变化,并分析了干燥过程中不同目标含水率状态(分别为45%,40%,35%,30%,25%,20%,15%,10%和5%)和纤维掺量(0~0.8%)对加筋固化淤泥强度的影响机理。结果表明:①纤维的加入能有效提高固化淤泥的峰值强度和残余强度,且强度值随纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势,最优纤维掺量为0.1%;②干燥脱水过程中,试样的无侧限抗压强度随含水率的减小近似于线性增加,破坏形式由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡,而纤维的加入可以有效抑制试样的脆性破坏,提升试样的韧性;③纤维加筋对固化淤泥强度的贡献随含水率的减小而逐渐增加,根本原因是纤维—淤泥界面作用力在低含水率条件下能得到更佳的激发。     

纸浆渣烧结灰基本特性及其在污泥固化中的试验研究

国内每年产生大量的污泥,其无害化处理、废物重新利用的技术是解决疏浚污泥污染问题的必由之路,而污泥固化技术是其重要的途径。纸浆渣烧结灰自身所具有的吸水性和自硬性是一种研制廉价污泥固化剂配方的重要成分,是把造纸产业废弃物和生产废弃物同时再利用的环保工法,具有现实的研究价值。对纸浆渣烧结灰基本特性进行了试验研究,并在此基础上进行了污泥固化的试验研究,主要包括纸浆渣烧结灰酸碱度试验、吸水率试验、微观结构试验、抗剪强度试验和污泥固化土的无侧限抗压强度试验,结果表明,纸浆渣烧结灰呈弱碱性;吸水性随着压力的增大而减小,存在一个最小吸水率;抗剪强度随含水率的增加而减小,且具有自硬性。纸浆渣烧结灰可提高水泥固化污泥的无侧限抗压强度,并且水泥的掺入含量越高,其强度的提高越显著。