干湿冻融耦合作用下碱渣固化轻质土动力特性研究_杨爱武.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1962-12杨爱武，王斌彬，姜帅 2022 干湿冻融耦合作用下碱渣固化轻质土动力特性研究J 工程地质学报，30(6):19621973 doi:1013544/jcnkijeg20210295Yang Aiwu，Wang Binbin，Jiang Shuai 2022 Dynamic characteristics of alkali slag cured lightweight soil under action of dry and wet freezing andthawingJ Journal of Engineering Geology，30(6):19621973 doi:1013544/jcnkijeg20210259干湿冻融耦合作用下碱渣固化轻质土动力特性研究*杨爱武王斌彬姜帅(东华大学，环境科学与工程学院，上海 201620，中国)(天津城建大学，天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384，中国)摘要为研究复杂气候条件对碱渣固化轻质土动力特性的影响，针对碱渣固化轻质土开展了干湿冻融耦合作用下的动三轴试验。试验结果表明:碱渣固化轻质土累积应变曲线展示出 3 种不同形态，即稳定型、临界型和破坏型;固化土轴向应变随着干湿冻融耦合次数的增加和冻结温度的下降而增大，其中前 3 次的影响较大，在 5 次以后基本达到稳定;根据固化土轴向应变规律，建立了累积动应变预测模型;随着冻结温度的降低，碱渣固化轻质土动强度逐渐减小，减小趋势先快后慢，最终趋于稳定;并且随着干湿冻融循环次数增加而减小，动强度减小速率先快后慢，前 3 次的动强度减小量较大，5 次之后变化量较小;结合动强度的发展规律，提出干湿冻融耦合次数、冻结温度与动强度的关系式，可在工程实际应用中提供一定意义上的理论指导。关键词碱渣固化轻质土;干湿冻融耦合循环;动三轴试验;动力特性中图分类号:TU435文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210295*收稿日期:20210601;修回日期:20210724基金项目:国家自然科学基金(资助号:51978440)，天津市科技计划项目(资助号:19JCZDJC39700，19JCQNJC06900)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 51978440)and the Planned Project of Tianjin Science Technology(Grant Nos 19JCZDJC39700，19JCQNJC06900)第一(通讯)作者简介:杨爱武(1971)，男，教授，博士生导师，主要从事软黏土力学特性及土体微观结构方面的研究 E-mail:tulilab163comDYNAMICCHAACTEISTICSOFALKALISLAGCUEDLIGHT-WEIGHT SOIL UNDE ACTION OF DY AND WET FEEZING ANDTHAWINGYANG AiwuWANG BinbinJIANG Shuai(College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)(Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)AbstractThis paper aims to study the effect of complex climatic conditions on the dynamic properties of alkalislag cured lightweight soils Dynamic triaxial tests were conducted for alkali slag cured lightweight soils under theaction of dry and wet freeze-thaw coupling The test results show the follows The cumulative strain curve of alkalislag cured lightweight soil exhibits three different forms，ie，stable，critical and destructive The axial strain ofcured soil increases with the increase of the number of dry and wet freeze-thaw coupling and the decrease of thefreezing temperature，among which the effect of the first three times is greater，and basically reaches stability afterfive times According to the axial strain law of cured soil，the cumulative dynamic strain prediction model isestablished With the decrease of the freezing temperature，the dynamic strength of alkali slag cured lightweight soilgradually decreases As the freezing temperature decreases，the dynamic strength of alkali slag cured lightweight soilgradually decreases，and the trend of decrease is faster and then slower，and finally stabilizes With the increase ofthe number of wet and dry freeze-thaw cycles，the rate of decrease of dynamic strength is faster and then slower，and the decrease of dynamic strength is larger in the first three times，and the change is smaller after five timesCombined with the development law of dynamic strength，the relationship among the number of wet and dry freeze-thaw coupling，freezing temperature and dynamic strength is proposed，which can provide some theoretical guidancein the practical application of engineering This paper provides some theoretical guidance in practical engineeringapplicationsKey wordsAlkali slag cured lightweight soil;Dry and wet freeze-thaw cycles;Dynamic triaxial test;Dynamicproperties0引言碱渣是生产纯碱过程中产生的一种工业废弃物。国家统计局公布数据显示截至 2019 年底，其中我国纯碱产能约 3340 万吨/年，工艺上产生的碱渣量则达到约 786 万吨。一个年产量达到 80 万吨的纯碱生产企业，每年大约需要投入 1000 万元的经费用于废渣的处理工作(刘冉，2011;王小琦等，2019)。由以上数据可发现我国需要处理的碱渣量非常大且处理成本高。部分碱厂将碱液进行澄清，残留的碱渣固体用于堆坝。由于所排放的碱液和残留的碱渣容易渗入地下污染地下水，会破坏植被，危害人体健康。碱渣粉尘也会使周围地区受到粉尘污染，对环境危害极大。同时大量的碱渣集中堆放不仅会占用大量土地资源，更有可能出现塌方和滑坡等一系列工程灾害。通过新型固化轻质技术，将碱渣制成碱渣固化轻质土，既能够满足地基加固需求，又可以实现废料再利用，缓解占地和环境污染问题的目的。近年来，国内外诸多学者就如何科学利用碱渣进行了多方面的研究。如俄罗斯的别列兹尼科夫斯克碱厂将碱渣制成钙镁肥，通过大量应用结果表明，通过施用此肥料可大大提高种植的小麦、玉米和甜菜的产量(刘心中等，2001)。芮玉兰等(2006)利用碱渣进行烟气脱硫的试验，发现将碱渣和电石渣按 1 1 的比例混合进行烟气脱硫，达到了 95%工业脱硫的标准，脱硫效果十分显著。冀国栋等(2015)在饱和卤水和碱渣混合浆体中掺入粉煤灰，制成新型碱渣土用于工程回填。工程实际回填效果表明，掺入的粉煤灰使混合浆体的黏聚力和内摩擦角均能大幅度提高，从而提高混合浆体的抗剪强度。孙树林等(2012)发现掺入的碱渣比例越高，改良后膨胀土相对密度、液限、塑性指数等指标越小。闫澍旺等(2002，2006)将碱渣与增钙灰进行混合制成碱渣土，试验结果表明碱渣土的压缩模量达 26.7 kPa，黏聚力超过 50 kPa，内摩擦角超过 40，并且该碱渣土对混凝土和钢筋没有腐蚀性。目前，针对多变的自然气候环境条件影响下的各类工程土体的力学性质，国内外学者展开了大量的研究。如宋金华等(2018)建立了在动应力和冻融循环作用两种因素共同影响下，石灰改良土的累积塑性变形预测模型，并分析了掺灰比、冻融循环作用次数对石灰改良土临界动应力的影响规律。王静(2012)发现随围压和塑性指数的增大，路基土的动模量也会随之增大，但随冻融次数的增加，动模量反而会随之减小，并建立动模量与围压、塑性指数和冻融次数的关系式。钟秀梅等(2020)对经历不同干湿循环周期的粉煤灰改良黄土进行动三轴试验。实验结果发现粉煤灰能显著提高改良黄土的动强度，有效控制改良黄土的动残余变形增长，并提出粉煤灰最佳掺量为 25%30%。Yazdandoust et al(2010)研究了干湿循环对聚合物膨胀改良黏土的溶胀特性的影响，结果显示经过干湿循环后，土体膨胀电位和压力均开始下降。Kalkan(2011)通过试验研究了干湿循环对硅粉废料改性膨胀黏性土膨胀行为的影响，证明了硅粉可以减少干湿循环的影响。Aldaood et al(2014)通过室内试验分析了石膏土中石灰含量对干湿循环作用的影响，提出了石灰掺量应大于 3%以提高石膏土干湿循环耐久度。朱洵等(2019)针对北疆高寒地区膨胀土开展了干湿冻融耦合作用下的三轴试验。试验结果表明，干湿冻融耦合作用中的冻融过程加剧了土体有效黏聚力及弹性模量的衰减，但对内摩擦角的影响较小。张雪芹(2017)运用碱渣固化技术，对含铬和锌的重金属污染土进行固化修复。通369130(6)杨爱武等:干湿冻融耦合作用下碱渣固化轻质土动力特性研究过试验发现:随着干湿循环次数的增加，两种碱渣固化土的强度均呈先增大后减小的发展趋势。由以上研究可知，目前国内外学者主要研究单一因素，如干湿循环或冻融循环等对土体动力特性影响(程富阳