英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
干湿循环对夯实膨胀土特性的影响
摘要：
仅在美国，修复因膨胀土壤破坏的建筑物成本估计是自然灾害综合损失的两倍。尽管膨胀土普遍存在，但是因为在可以观察到其对基础的过度损伤之前要经过多年的遇险风险，所以由于膨胀土而造成的破坏经常被忽视。为了预测现场膨胀土的膨胀过程和膨胀应力，标准试验方法是在特定的净应力下，使重塑土样经历湿润的过程。但这个试验不能获取现场膨胀土的特性，因此有必要评估膨胀土特性的长期环境影响。在本论文中，评估了多个干湿循环对两种天然存在的膨胀土的体变特性的影响。在不同的初始夯实条件下重塑土样，加载到不同的净应力，湿润至接近100%饱和度，然后进行充分干燥。通常在四个循环后观察到膨胀或收缩应变与膨胀应力达到平衡。当加载的应力超过膨胀应力的25%时，两种膨胀土在原先的干湿循环下表现出塌陷势增加。然而，当加载的应力小于膨胀应力的25%时，两种膨胀土在原先的干湿循环下表现出膨胀势增加。
关键词：干湿循环；膨胀土；体变特性
目标
本论文的目标如下：
评估初始含水量和密实条件对夯实膨胀材料经多次干湿循环的膨胀应力的影响；
确定干湿循环对夯实膨胀土的体积变化和力学性质的影响；研究干湿循环对其自由膨胀和膨胀应力的影响；分析在不同净应力等级下的影响。
实验设计和数据收集
本研究中使用的土壤收集自亚利桑那州的Anthem（以下称为Anthem）和科罗拉多州的Colorado（以下简称为Colorado）。测定并记录土壤类型和PI，净应力，干湿循环，和初始夯实条件（ICC）。该研究的实验设计在表1中给出。每个给定的ICC中，至少准备5个或6个夯实土样用于实验。两种土壤的指标特性列于表2（Rosenbalm 2013）。 在确定土壤的指标特性之后，将土壤风干，通过研钵和杵处理以减小粘土块的尺寸，并储存在桶中直至需要材料进行实验。一旦需要，将材料从桶中分离并加入水以获得所需的含水量。 然后将制备的土壤装入可密封的容器中并在冷却器中储存最多三周，以便在固结环中夯实之前进行水分平衡。
表1 实验设计
表2 土壤指标特性
确定达到ICC所需的湿润土壤量，在固结环中制备试样。将按质量计算的土壤量分成三个相等的部分并夯实到固结环中。每个材料提升夯实到固结环中，直到占据体积的三分之一，以便在整个固结环上达到均匀的密度。最后一次材料的提升夯实时，使夯实土壤表面和固结环顶面相切。用直边检查表面，以确保在制备样品时没有留下空隙或突出点。
在进行完前面描述的夯实过程之后，将固结环组装在固定环和固结仪单元中并装载到固结仪装置上。然后将该装置放在环境室中。所使用的固定环固结仪组件在由于土壤颗粒从试样上脱落而导致土壤丢失之前提供了顶部多孔石和土壤的约0.45cm的轴向移动。所有进行的实验都没有超过0.45厘米的垂直运动。 在环境室中安装固结仪装置后，按照以下步骤完成干湿循环：
1.按照ASTM D4546中概述的指导方针将每个样品加载到目标应力，以避免冲击样品造成剪切破坏。 数据采集器用于记录所有固结仪设备随时间的变形。在完成安装装置过程后，开始湿润循环，样品将被淹没，并且每3秒用数据采集器程序记录轴向变形。
2.一旦达到初级膨胀/塌陷，排干固结仪单元，开始干燥循环。 数据记录器记录轴向变形随时间的变化。
在完成干燥过程后，从装置中取出固结仪单元，样品称重，并拍照。
3.重复步骤1-3，直至达到总共六次干湿循环。
4.在干湿循环期间，环境室分别保持在20℃，1.2℃和48.8℃，1.2℃，并增加循环风扇以加速干燥过程。在干燥过程完成后，将环境室温度设定在20℃1.2℃，并使样品冷却至20℃，然后开始下一个湿润循环。在冷却过程中监测应变，观察到可忽略的移动量（即小于0.001％的应变）。先前描述的用于干燥样品的方法已经被证明可以加速实现初次塌陷所需的时间并且不会显着影响所获得的结果(Krisdani et al. 2008; Basma et al. 1996)。
两次土壤的初始湿润循环的初级膨胀或塌陷在试验开始后48小时内实现。 对于每个随后的湿润循环，在24至36小时内实现初级膨胀或塌陷。对于所有ICC，都在干燥过程开始后24至48小时内完成干燥循环。完成干燥循环后，测量的含水量与两种土壤的原位平衡含水量相当。在干燥循环结束时，Anthem土壤的含水量通常为2％至4％; 而在干燥循环结束时，Colorado土壤的含水量往往在5％至16％之间。
应用于五个不同的初始夯实条件下制备的样品的应力在表3中给出。应用于样品的初始应力水平表示为O，并且所选择的附加应力水平在表3中用X表示。用Os表示的应力最初是基于来自第一ICC的应力范围（即实验中使用的95％最大干密度（MDD）和100％最佳含水量（OMC））水平来选择的。在完成第一次润湿循环后，选择额外的应力来填充数据，因为ICC表现出比最初预期更高的塌陷，这需要更小的应力，或者ICC表现出比最初预期更高的膨胀，这需要更大的应力。
表3 研究中使用的净应力
结果和分析
对于Colorado和Anthem土样，在每个湿润循环后观察到的垂直应变的结果分别列于表4和表5中。在这些表格中呈现的垂直应变是使用样本的初始夯实高度计算的参考基准和相应循环结束时的垂直变形。正垂直应变代表膨胀土的膨胀或鼓起，负垂直应变代表膨胀土的塌陷。
表4 Colorado土壤的湿润循环轴向应变结果
表5 Anthem土壤的湿润循环垂直应变结果
需要对净应力进行对数变换，因为它可以用于建模目的的最佳数学曲线拟合。确定三阶多项式将最好地估计在测试值范围内的任何净应力的膨胀/塌陷势。三阶多项式也用于估计膨胀应力或没有发生垂直变形的净应力。
本研究中使用的膨胀土为科罗拉多土样，初始夯实条件为100％MDD和90％OMC，所表现出的典型行为如图1所示。在较低的净应力下，随着循环次数的增加，土壤表现出膨胀。相反，在较大的净应力下，随着循环次数的增加，土壤表现出塌陷势的增加。值得注意的是，行为从膨胀变为塌陷的应力或多或少地对于所有循环是共同的，并且表示在第一循环完成之后由于湿润和干燥引起的潜在膨胀。
图1 在经受干湿循环的土壤上观察到典型的膨胀/塌陷结果
通过求解对数转换的三阶多项式拟合来确定膨胀压力以实现零应变。膨胀应力结果示于图2和3中，分别为Colorado 和 Anthem土样。基于Colorado土样获得的结果，观察到在初始循环后，对于90％MDD下夯实的样品，膨胀应力降低50％，对于100％MDD下夯实的样品，膨胀压力降低至69％。对于Anthem土样，膨胀应力降低了20-77％，这取决于初始夯实条件。在第四次循环后，两种土壤的膨胀应力至少降低45％。在循环1,3和6之后获得的膨胀应力的变化在图4中示出，同时表示了膨胀应力的平均变化。图4中的箭头表示膨胀应力增加的因子。
图2 Colorado土壤的膨胀应力结果
图3 Anthem土壤的膨胀应力结果
图4 Colorado和Anthem土壤在不同周期的膨胀应力差异：（a）Colorado的第1循环; （b）Colorado的第3循环; （c）Colorado的第6循环; （d）Colorado的平均结果; （e）Anthem的第1循环; （f）Anthem的第3循环; （g）Anthem的第6循环; （h）Anthem的平均结果
不同初始夯实条件下的最终沉降预测
以下示例说明了如果使用所呈现的结果可以在设计中获得最终沉降。该示例适用于受到极端基质吸力负荷的夯实土层。通常，对于表面条件附近的土壤，这种情况是可能的。两种土壤的最终沉降剖面基于以下假设确定：
bull;土壤剖面的变化与活动区的深度、施加的荷载和土壤的初始夯实条件有关。活性区域定义为在剖面内达到恒定平衡吸力的深度（Dye等人，2006）。Anthem土壤的活动区域估计约为2.7米（9英尺）（Dyeet al.2006）;而Colorado土壤的活动区域范围为6至14米（20.1至45.9英尺）（Overton等人，2006年）。用于Colorado的活动区深度限制在6.0米，因为在干燥循环结束时实验室样品的体积含水量是Overton等人提出的6.0米体积含水量的1.0％。（2006年）。
bull;假设活动区域在湿润循环期间达到完全饱和。
bull;假设活动区域的深度在干燥过程中完全干燥。
bull;剖面上的潮湿单位重量是恒定的。
bull;施加的净应力可忽略不计。
两种土壤的应变曲线如图5所示。应变曲线是使用前面概述的三阶多项式生成的。对于给定的ICC，在每个应力下的膨胀/塌陷应变与实际应变进行比较，并且所提出的模型产生的最大误差为1.0％。选择的六个应变曲线中的三个在图5中示出，对应于使用湿润循环1,4和6的数据获得的那些。深度通过使用材料的湿容重和净法线来确定。值得强调的是，一般来说，Colorado土壤[图5（a）]在初始湿润循环后，将表现出低于4米的塌陷势（负应变），而Anthem土壤[图5（b）]在初始湿润循环后，将表现出超过2.5米的塌陷势。
图5 典型应变曲线：（a）110％OMC和100％MDD条件下的Colorado土样; （b）100％OMC和95％MDD条件下的Anthem土样
当使用在使土壤经受润湿和干燥循环之后获得的数据时，使用不同初始夯实条件的应变分布来估计膨胀/塌陷。图6和图7分别为Colorado和Anthem土壤的沉降结果。可以发现随着循环次数的增加，Colorado的土壤在湿润时表现出塌陷。另一方面，对于Anthem土壤，最终沉降仅随着土壤最潮湿（110％OMC）和最低密度（90％MDD）的初始条件而减少。对于所有其他条件，沉降预测随着循环次数的增加而增加。在多次湿润和干燥循环后，Anthem土壤没有出现坍塌，这归因于较浅深度（较低的围压）膨胀的增加。
图6 不同初始夯实条件下Colorado土壤的最终沉降
图7 不同初始夯实条件下Anthem土壤的最终沉降
讨论
本研究中的土壤经受不同的初始加载条件，包括不同的净应力和基质吸力。由于不同的初始夯实水含量（或基质吸入水平），组构重新定向是明显的，又在一个润湿/干燥循环完成后导致不同的沉降条件。此外，当样品经受多次湿润和干燥循环时，进一步重新定向，直到或多或少地达到平衡的土壤-组构状态。可以观察到，当样品经受多次润湿和干燥循环时，初始循环可以被认为是预处理循环。
在经历多次湿润和干燥循环的土壤上观察到的垂直变形达到的平衡条件（图1）。在较低的净法向应力下，垂直变形是可恢复的，在较高的净法向应力下，垂直变形是不可恢复的。垂直变形的恢复能力可以归因于土壤组构和土壤中的变化。随着循环的进行，由于施加的净应力和基质吸力的变化，土壤达到了非平衡膨胀应变（可恢复）或不平衡收缩应变（不可恢复）。 通常，对于作为该研究的一部分评价的土壤，观察到在润湿循环的第四或第五循环之后达到平衡条件，这取决于垂直变形是否分别膨胀或塌陷。相反，收缩应变在第二或第三干燥循环周围达到平衡状态。作为本研究的一部分获得的结果与已发表的文献中发现的结果一致：Al-Homoud等（1995），Basma等（1996），Day（1994），Dif和Blumel（1991），Doostmahammadi和Moosavi（2009），Guney等（2007年），Kalkan（2011年），Mishra等（2008），Osipov等（1987），Popescu（1980），Rao和Revanasiddappa（2006），Subba Rao和Satyadas（1987），Sajedi等（2008），Tawfiq和Nalbantoglu（2009），Tripathy等（2002年），Tripathy和Subba Rao（2009年），Yazdandoust和Yarobi（2010年），以及Zemenu等（2009年）。
在干燥过程中，在两个土壤中都观察到垂直和水平裂缝。通过促进裂缝的膨胀和闭合，这些裂缝成为湿润阶段的优先润湿润路径（Abbaszadeh 2011），这减少了达到初级膨胀或塌陷状态所需的时间。裂缝是由于各向异性的体积变化引起的，这导致由外部施加的净应力引起的受限方向上的拉应力的发展（Kodikara等人，1999）。 一旦拉应力超过土壤的抗拉强度，土壤就会开裂，释放土壤中产生的应变能。 土壤破裂后，土壤上的束缚部分释放，使土壤进一步各向同性地进行体积变化; 然而，土壤吸力可以累积到更高的拉力，从而导致样品中的额外裂缝。
Chen（1988）认为，无论材料的初始基质吸力（或水分含量）如何，干密度似乎都决定了膨胀土的膨胀特性。然而，在该研究中获得的结果表明，初始基质吸力（或水分含量）也是需要考虑的重要因素。当经受相同净应力的样品进行比较时，结果显示当基质吸力增加时膨胀势增加。这些结果与Holtz和Gibbs（1956）和Rao等人的结果一致（2004年）。然而，这些作者没有对样品进行多次干湿循环。
评估湿润和干燥循环的效果。虽然以前有几位作者研究过这种现象，但大多数文献都提出了多次湿润和干燥循环对膨胀势的影响，仅使用一种初始夯实条件和一种净应力，通常是特征净应力。 一些研究得出结论，随着循环次数的增加，膨胀应力和膨胀势都会降低（Al-Homoud等，1995; Dif和Blumel，1991; Guney等，2007; Kalkan等，2011; Tripathy和Subba Rao，2009; Yazdandoust和Yarobi 2010）。 然而，在该研究中获得的结果表明，膨胀势的降低仅发生在施加
全文共6876字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[698]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
