冻融循环下红色砒砂岩水泥土力学性能试验研究

为实现砒砂岩作为一种自然资源的潜在利用价值,提高砒砂岩有效利用,将鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩加入不同掺量水泥制成砒砂岩水泥土,进行不同围压、不同冻融循环次数条件下的不固结不排水三轴试验,得到了砒砂岩水泥土的各力学参数的变化规律,并通过超景深三维显微镜对砒砂岩水泥土的细观结构进行观测.结果表明:砒砂岩水泥土的应力-应变曲线呈应变软化趋势,随水泥掺量的增加其黏聚力和内摩擦角呈线性增长的趋势.砒砂岩水泥土的内摩擦角受冻融循环影响较小,而黏聚力受冻融循环影响较大.水泥掺量越多,砒砂岩水泥土的抗冻性越好,但其脆性特征越明显.对细观结构的观测进一步验证了冻融使得低掺量水泥的固化土细观结构发生较大改变,导致内部空隙增大,而水泥土随水泥掺量的增加其内部结构更加致密,从而提高了水泥土的抗冻性.     

水泥固化砒砂岩强度与孔隙结构演变的灰熵关联分析

为了研究水泥固化砒砂岩孔隙结构生长发育的演变规律以及其对抗压强度的影响，通过孔隙特征参数和孔隙半径预测抗压强度，对不同养护龄期下不同掺量的水泥固化砒砂岩宏观力学性能和微观结构进行测试和分析，采用灰关联熵探讨了水泥固化砒砂岩的孔隙特征参数和孔隙半径对强度的关联程度，并建立孔隙结构与抗压强度的灰色预测模型。结果表明，水泥固化砒砂岩的横向弛豫时间T2谱均呈现"双峰"结构，其孔隙度与束缚流体指数整体上呈负相关，0～0.1 μm范围内的孔隙尺寸占比随水泥掺量的增加先增大后减小，最可几孔径随龄期的增加向小孔径方向移动；水化胶凝产物钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）通过膨胀填充和胶结作用改善了试样内部的孔隙结构，致使强度提高；束缚流体指数和0～0.1 μm孔隙半径占比对抗压强度的影响最显著，灰色预测模型GM（1，3）预测精度高，预测值和试验值的平均相对误差为6.97%。该研究可为松散砒砂岩的改良与固化在实际工程中应用提供参考依据。     

预测水泥砒砂岩强度的Markov灰色残差模型

为了研究Markov-灰色残差GM(1,1)模型预测水泥固化砒砂岩抗压强度的精准度和适用性,先对抗压强度数据进行了一系列的处理,建立灰色GM(1,1)模型和灰色残差GM(1,1)模型,然后基于马尔克夫过程构建Markov-灰色残差GM(1,1)模型,并以此模型来估算水泥固化砒砂岩的抗压强度.结果表明,灰色残差GM(1,1)模型的检验精度得到了很大的提升且各项检验指标基本上都达到了1级,明显优于灰色GM(1,1)模型.马尔克夫过程便于确定残差修正值的正、负号,采用Markov-灰色残差GM(1,1)模型对不同水泥掺量下90 d龄期的水泥固化砒砂岩的抗压强度进行了预测,相对误差由原来的1.77%~4.01%降低至0.60%~2.36%,平均相对误差由2.63%减小至1.25%,模型的预测精度明显提高.该研究可以为水泥固化砒砂岩以及其他水泥基工程材料抗压强度的预测提供一种简易而可靠的新方法.     

复合粉煤灰砒砂岩水泥土力学性能室内试验研究

为了研究粉煤灰对砒砂岩水泥土力学性能、破坏模式、微观结构和细观构造的影响,对不同粉煤灰掺量、不同龄期的砒砂岩复合水泥土进行了无侧限抗压试验,通过扫描电镜(SEM)和超景深三维显微镜对复合粉煤灰砒砂岩水泥土的微观结构和表观形貌进行分析观测.结果表明:适量掺入粉煤灰对砒砂岩复合水泥土的强度形成具有一定的促进作用;复合粉煤灰砒砂岩水泥土的应力-应变曲线可分为压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段;粉煤灰的掺入有利于水泥土变形模量的增长,能够促进砒砂岩复合水泥土的变形控制;扫描电镜和超景深三维显微镜分析表明,粉煤灰玻璃体中的活性物质在碱环境下与水泥水化产物Ca(OH)₂反应生成致密且稳定的C-S-H凝胶和AFt构成网状结构,促使试件内部胶结更加紧密,并对表观的沟壑孔洞进行填充和密实,从而提升砒砂岩复合水泥土的强度性能以及抑制其裂缝扩展和破坏作用.     

玄武岩纤维-砒砂岩水泥土力学特性试验研究

为了降低黄河流域泥沙治理成本,提高砒砂岩的利用价值,在砒砂岩中掺入适量水泥和纤维改善其力学性质及功能性.借助玄武岩纤维(BF)的加筋效应,配制玄武岩纤维掺量为0.2%,0.5%,0.7%的BF-砒砂岩水泥土试块,进行无侧限抗压强度和SEM扫描电镜试验.探究BF掺量、龄期对BF-砒砂岩水泥土强度影响以及BF-砒砂岩水泥土强度形成机理; 建立了玄武岩纤维参与下砒砂岩水泥土应力-应变曲线方程.结果表明:纤维掺入有效提高了砒砂岩水泥土的强度,其强度随玄武岩纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势,掺量为0.2%时达到峰值强度; BF-砒砂岩水泥土后期强度同比砒砂岩水泥土强度提高更明显; BF-砒砂岩水泥土的龄期与无侧限抗压强度表现为正相关,而与其强度增长速率表现为负相关; 水泥掺量10%、纤维掺量0.2%的砒砂岩水泥土在强度指标上完全可以替代水泥掺量15%的砒砂岩水泥土; 建立龄期28 d时,BF掺量0~0.7%的BF-砒砂岩水泥土应力-应变曲线方程,反映了各纤维掺量下应力-应变变化及破坏情况.     

渗蚀过程中孔结构参数对细颗粒流失的影响

利用核磁共振监测了渗蚀过程中孔隙分布的演变规律,并通过自编程序测量了流失细颗粒的粒度分布,最后,基于灰色系统理论讨论了孔结构参数对细颗粒流失的影响.结果表明,初始细颗粒百分数越小的试样渗蚀越严重.水力梯度恒定时,累计细粒流失百分比随时间呈指数增大,渗蚀过程可分为发展、缓蚀和平衡阶段.细粒对渗蚀的敏感性随粒径的减小而增强,而表面形态对细颗粒运移的影响程度随粒径的减小而减小.渗蚀过程中土-水相互作用的强度与细颗粒百分数和水力梯度分别呈正相关关系.总体而言,收缩尺寸分布的连通性和非均质性逐渐增强,复杂程度逐渐减弱,等效开口尺寸逐渐增大.孔结构参数对颗粒流失的影响程度从大到小依次为分形维数、不均匀系数、控制收缩尺寸、最可几孔径.     

考虑涂抹效应的以面和以线代板修正真空预压简化三维有限元模型

为了解决传统真空预压三维模型建立划分单元困难、计算量巨大、排水板宽高比过大从而影响计算精度的问题,基于排水子结构思想,提出简化排水板的以面代板和以线代板单井三维模型,并验证其正确性.将简化排水板单井模型扩展为群井三维模型,结合工程实例进行数值模拟,与实测数据、二维砂墙等效法和传统三维模型进行比较.结果表明:与传统真空预压三维有限元模型的圆形孔压传递形式不同,以面代板和以线代板模型将孔压传递形式简化成矩形.简化排水板三维模型比二维砂墙等效法更接近于实测数据,与传统三维模型计算精度相近,可以满足工程要求.简化排水板三维模型应用排水子结构可以有效降低模型建立和划分难度.将排水板简化成排水面和排水线,能有效解决因排水板尺寸过小而产生单元长宽比过大的问题,且能有效减少模型的单元数量,提高计算效率.