秸秆加筋石灰粉土抑制冻胀机理及冻胀模型研究

Frost heaving of subgrade fill in seasonal frozen soil area have great influence on road engineering, the existing soil improvement technologies have deficiencies, so finding a method which can both restrain frost heave and save economic and ecology cost becomes a general trend. In this project, silt, which is the most sensitive to frost heaving is studied, the straw fiber in natural fiber is used as reinforcement material, as well as lime is used as cooperation material, preservative mechanism and preservative technology of straw materials are studied by mechanical properties and microstructure tests ; Carrying out simulation tests on frost heaving under opening system and segregating ice observation, the effect of straw fiber on the moisture transfer in the frozen soil and the dynamic growth of the ice in the soil were analyzed, then the restraining frost heave mechanism of fibers and lime on silt is summarized; Based on Frost heave model proposed by Gilpin, lime silt frost heave model considering the reinforcement effect of straw is proposed, which will be numerical solved and experimental proved. The research results will provide a scientific basis for the construction of road engineering in the seasonal frozen soil region, and a new direction for the comprehensive utilization of straw in China, as well as a help in reducing the occurrence of regional haze caused by burning straw.

季节性冻土地区粉土路基填料冻胀对道路工程影响较大，石灰改良有效但不环保，寻找能抑制冻胀且经济环保的方法尤为重要。本项目以对冻胀最敏感的粉土作为研究对象，将秸秆作为加筋材料，配合低掺量石灰，通过冻融循环前后秸秆的力学性能和微结构测试提出适用于季冻区的秸秆防腐方法；开展室内开敞系统下的冻胀试验，研究秸秆加筋、石灰固化对粉土的冻胀抑制机理；基于Gilpin离散透镜体模型，考虑秸秆、石灰的掺加对粉土冻结过程中分凝冰形成、生长的影响和对粉土抗拉强度的提高作用，修正模型基本方程和分凝冰形成准则，建立秸秆加筋石灰粉土考虑分凝冰形成的冻胀模型；将冻胀模型导入PLAXIS平台进行二次开发，通过模拟计算和室内模型试验验证，为该方法在实际工程中的应用提供依据。研究结果将为季节性冻土地区道路工程的建设提供科学依据，为我国秸秆的综合利用提供新的方向，从而间接治理雾霾。

冻胀严重影响了季节性冻土区粉土路基的正常运营，现多采用石灰、水泥改良来抑制，然而环保性不足。秸秆有一定抗拉强度、环保可再生、经济优势显著，在生土建筑中应用广泛，然而在冻土中的应用不足。基于此，本项目以黄河冲积粉土为研究对象，以华北地区主要农作物副产品麦秸秆为改良材料，通过室内试验和理论分析相结合的方法，深入研究秸秆对粉土冻胀的抑制作用、揭示冻胀抑制机理并探索建立冻胀模型。研究结果对完善冻土力学的学科体系有重要科学意义，对生物材料加筋在冻土中的应用具有重要指导意义。本项目主要进行了以下几个方面的研究：通过防腐秸秆的抗拉强度、秸秆孔隙面积比和秸秆质量测定，比选得出秸秆防腐处理最优参数，并从微观和宏观角度揭示了秸秆防腐机理。分时段将埋入土中不同降雨条件下的秸秆取出并测试其抗拉强度，发现强度随时间变化小，说明防腐效果良好。将防腐处理后的秸秆，掺入粉土中，通过自主研发的土体冻胀试验模拟系统，针对秸秆加筋、石灰固化、秸秆加筋石灰固化三种方法，分别从冻结温度、冻结过程中的温度场分布、水分迁移、冻胀量、冻胀率和冻结深度等方面进行分析。结合各方法对土体的加固机理，阐明各方法对粉土冻胀的抑制作用，揭示相应的冻胀抑制机理，比选得出最优冻胀抑制方案。通过自主研发的冻土抗拉强度测试仪，对秸秆加筋粉土在冻结缘温度范围内的抗拉强度进行测试，研究了秸秆掺量、长度、温度、含水量和秸秆排布方式对其抗拉强度的影响，并和冻胀试验结果相结合，建立抗拉强度和冻胀量之间的关系。基于前面研究，并结合Giplin冻胀模型，修正分凝冰形成准则，揭示秸秆加筋粉土冻胀抑制机理，初步建立冻胀模型。此外，针对前述三种方法，分别进行了强度和变形特性研究，包含抗剪强度、应力应变和CBR值等，为秸秆改良在路基工程中的应用提供依据。