冻融循环作用下素土静力学特研究毕业.doc
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1、本科学生毕业论文论文题目:冻融循环作用下素土静力学特性研究学 院:年 级:专 业:姓 名:学 号:指导教师: 摘要黑龙江省地处我国最北端高纬度区,区内深季节冻土(冻结深度1m)分布广泛,冬冻春融的冻融循环作用引起的路基冻害问题。在冻土地区进行工程建设,就必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先,简要介绍了我国冻土的分布状况、冻土的物理力学性质及其对工程的影响和国内外研究现状。由于冻融作用的存在,道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀、和路基融沉的现象,伴随季冻区内温度的降低,个别寒区道路由于冻胀灾害严重,致使道路鼓包,而阻碍行车安全,在春季消融阶段,冻结的路基土层
2、融化,但不同位置的土层融化时间不尽相同,造成翻浆破坏,是长期困扰该地区公路建设的一个突出问题。因此在冻土地区进行工程建设,必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。针对黑龙江省季节冻土在冻融循环条件下的主要物理力学性质,进行土样基本性质测试和力学试验研究。试验结果表明:试样经历 6次冻融后,其含水量、干密度、黏聚力、内摩擦角等物理力学性质趋于稳定。土体冻融最终平衡状态与初始状态相关,其中初始干密度的影响尤为重要。随冻融循环过程增加,土体的黏聚力下降,内摩擦角变化较小。所以冻融作用对素土的物理力学性质有明显影响,在春融期的不利季节,素土含水量大处于不稳定状态,是造成季冻区道
3、路破损的主要原因,研究结果可为季冻区道路设计提供技术参数,为养护管理决策提供技术支持,对提高季冻区道路建设质量具有积极意义。关键词冻土;力学性质;冻融作用;研究现状AbstractHeilongjiang province is located in Chinas northernmost high latitude area, zone of deep seasonal frozen soil (frozen depth of 1 m) are widely distributed, winter cold melting in the spring of the freeze-thaw c
4、ycle effect caused by subgrade frost damage problem. For engineering construction in permafrost regions, it is necessary to in-depth study the mechanical properties of frozen soil, to ensure that the frozen soil foundation on the stability of engineering building. In this paper, first of all, the di
5、stribution of the permafrost in China are briefly introduced, the physical and mechanical properties of frozen soil and influence on engineering and research status at home and abroad. Pumping will happen due to the existence of the freeze-thaw action, road, roadbed uneven frost heaving and frost he
6、ave, and the phenomenon of subgrade thawing settlement, with season of freezing zone temperature, cold and individual road due to frost heaving disaster is serious, the road to bulge, and hinder the driving safety, stage of melting in the spring, frozen subgrade soil melt, but different location of
7、soil thawing time is not the same, pumping damage, long plagued the region highway construction is an outstanding problem. For engineering construction in permafrost regions, therefore, must study the mechanical properties of frozen soil, to ensure that the frozen soil foundation on the stability of
8、 engineering building. In seasonal frozen soil in heilongjiang province under the condition of freezing and thawing cycle, the main physical and mechanical properties of soil basic properties test and mechanics test research. Experimental results show that the sample after 6 times freeze-thaw, its w
9、ater content, dry density, cohesion, internal friction Angle of the physical and mechanical properties such as stable. Soil freezing and thawing final equilibrium state associated with the initial state, including the influence of initial dry density is especially important. With the increase of fre
10、eze-thaw cycle, the cohesion of soil, internal friction Angle is smaller. Therefore freeze-thaw effect to grain had significant effect on the physical and mechanical properties of soil, the spring melt period of season, the soil moisture in large in a state of flux, is a major cause of damage to sea
11、son frozen area road, the results can provide technical parameters for season frozen area road design, and provide technical support for maintenance management decision-making, to improve the quality of season frozen area road construction has positive significance. Key wordsFrozen soil; The mechani
12、cal properties; Freeze-thaw action; The research status目录摘要IAbstractII前言1第一章 绪论21.1论文的提出及意义21.1.1冻土21.1.2冻土的分布21.1.3冻土的物理力学性质及其对工程的影响31.1.4研究背景及意义31.2国内外研究现状41.2.1冻土的研究现状41.2.2冻融的研究现状41.3本文研究的主要内容4第二章 基本室内试验52.1 土的颗粒分析试验52.1.1实验目的52.1.2试验方法62.2界限含水率试验132.2.1 试验目的132.2.2试验方法132.2.3试验原理132.2.4试验仪器132.
13、2.5试验步骤152.2.6成果整理162.3击实试验182.3.1实验目的182.3.2试验方法192.3.3轻型击实法192.3.4实验中的几个问题212.4本章小结23第三章 冻融循环试验233.1实验目的233.2试验方法243.3冻融循环过程的实现253.4冻结与融化时间的确定253.5本章小结26第四章 直接剪切试验264.1验实验目的264.2试验方法264.3试验原理(快剪法)264.4 仪器设备274.5 操作步骤284.6成果整理284.7直接剪切试验中的几个问题364.8本章小结37结论38参考文献41致谢42IV冻融循环作用下水泥改良土静力学特性研究前言黑龙江省地处我国
14、最北端高纬度区,区内深季节冻土(冻结深度1m)分布广泛,大量工程实践表明,早期在冻土区修筑的各种构筑物,包括房屋、道路、桥涵等,都遭受到不同程度的破坏,有的开裂,有的倾斜,有的甚至坍塌。冬冻春融的冻融循环作用引起的冻害问题,是长期困扰该地区建设的一个突出问题。 在黑龙江季节性冻土地区,路基的底基层大部分为素土,在建设初期素土的强度较好,但经过几次冻融作用,强度下降明显,在频繁的荷载作用下,使路面破坏,形成纵、横向裂纹等病害,严重影响行车安全和交通顺畅,工程上迫切需要专门有效的方法来解决这一问题。试验主要包括以下几方面的内容:(1)土样基本性质测试:以研究区细粒土为研究对象,测定其粒度成分、初始
15、含水量、密度、最大干密度,最优含水量液限、塑限等基本指标。(2)力学试验:已有研究表明,素土在最佳含水量下的抗压强度最大,因此以素土为对象,在不同冻结温度下进行冻融循环试验,冻融循环一个周期为24h,冻融循环试验次数(0,3,6,9),然后进行包括抗剪强度测试、无侧限抗压强度测试,具体内容:素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试;不同冻结温度冻融循环后(-3,-6,-9)素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试;不同冻融循环次数(0,3,6,9)后,素土、三轴试验和无侧限抗压强度测试;第一章 绪论1.1论文的提出及意义1.1.1冻土冻土,顾名思义是指一种温度低于 0且含有冰的土岩,是由固
16、体矿物颗粒、理想塑性冰包裹体(胶结冰)、未冻水(薄膜结合水和液态水)、气态成份(水蒸汽和空气)组成的典型非均匀多相颗粒材料。由于冻土中千姿百态冷生构造的存在,宏观上反映为其力学性质的复杂性,致使其物理力学性质强烈依赖于温度。根据冻土存在的时间长短,地球上的冻土大致可分为两类:一类称为多年冻土,两年以上处于冻结状态,只有表层处于夏融冬冻的状态;另一类称作季节冻土,只在地表几米范围那冬季冻结、夏季消融、该层也称作季节冻结层或季节活动层。1.1.2冻土的分布地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国冻土主要分为多年冻土和季节冻融土壤,我国的
17、多年冻上面积约2.068,约占陆地面积的21.5% 仅次于前苏联和加拿,大约为美国多年冻土面积的1.48倍,主要分布在东北大小兴安岭、西部高山和青藏高原等地,其中,大小兴安岭的多年冻土又称高纬度多年冻土,其余地区的多年冻土又称高山多年冻土。而季节性冻上主要分布于北纬30以北地区,面积为513.7,约占全国面积的53.5%,因此冻土被认为是一种宝贵的地上资源。季节冻土遍布在不连续多年冻土地区的外围,其南界大致从云南的挖苦河向东北方向沿着横断山脉和喀拉山脉的坡脚,经大巴山南麓向东南绕过四川盆地后,又从湖南的咱果附近向东北方向延伸,直至江苏省连云港附近。此外,在大别山、莱阳山和玉山顶部分也有零星分布
18、。瞬时冻土的南界致与北回归线相一致,此界线以南,除山地外,一般无冻土。1.1.3冻土的物理力学性质及其对工程的影响冻土在冻结状态强度较高、压缩性较低,融化后承载力急剧下降,压缩性提高,地基容易产生融沉而冻土中产生的冻胀对地基不利。一般土颗粒愈细,含水量愈大,土的冻胀和融沉性愈大,反之愈小。在城市道路中土基冻胀量与冻土层厚度成正比不同土质与压实度不均匀也容易发生不均匀沉降。在公路工程建设及运营中,由于冻融作用的存在,道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀和路基融沉的现象,所以冻融作用对公路建设和运营过程有一定的阻碍作用。个别寒区道路由于冻胀灾害严重,致使道路鼓包,而阻碍行车安全。在春季消融阶段,冻
19、结的路基土层融化,但不同位置的土层融化时间不尽相同,导致融化后的路基土层中过多的水分无法向下渗透,而只能留在该层路基土中,或者向路基路面结构流动,造成翻浆破坏。 图1-11.1.4研究背景及意义 我国有着广泛分布的季节性冻土区域,它的范围遍及长江以北10余省市,大约占全国总土地面积的54%,其冻害给交通运输业及经济建设造成了极大的危害,作为公路工程的重要组成部分,路基强度及稳定性在确保公路的正常使用方面具有重要的意义,在季节性冰冻区,于影响路基稳定的原因更为复杂,路基冻害后造成的损失更为巨大,并且季冻区又缺乏成熟的路基设计和施工经验。试验着手于研究素土经过多次冻融循环后的力学特性变化行为,力求
20、寻找出不同温度下的土在冻融循环后力学特性变化的相同点和不同点,帮助预测季冻区素土的强度变化,这对于季冻区公路的建设具有很强的指导意义,且具备一定的工程可行性。1.2国内外研究现状1.2.1冻土的研究现状冻土是一种特殊土类,一方面它具有一般土的共性,另一方面它又是一种多相复杂体系,并为冰所胶结,具有鲜明的冻土个性。因此冻土区各种工程建筑常常遇到许多由于土中冰的增长或消失而引起的冻胀和融沉现象,导致各种工程建筑的迅速破坏,不但浪费巨额投资,影响建筑物的正常使用,甚至威胁人民生命财产的安全。为此,一些冻土大国,诸如前苏联、加拿大和美国在上世纪纷纷展开了冻土研究工作。前苏联早在上世纪30年代,北美在5
21、0年代就已经开始进行冻土力学性质的研究,我国在60年代初也开展了冻土力学的试验研究,并在70年代对冻土的强度和蠕变进行了系统研究。我国已经具备研究解决多年冻土地区不同等级公路建养的关键技术,于2002年7月初立项至2007年2月13日通过鉴定,交通部西部交通建设科技项目“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”,为我国季冻区公路建设提供理论和实际地指导,该项目内容涵盖了多年冻土地区公路建设的工程地质、公路病害机理、路基设计与施工技术、路面设计技术、桥涵工程技术、生态环境保护与评价技术、公路养护技术、季节冰冻地区路基路面设计施工技术以及高原职工安全与健康保障技术等。1.2.2冻融的研究现状土的冻融作用
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