膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩并且具有往复胀缩变形特性的粘性土,其主要的矿物成分为蒙脱石和伊利石。利用粉煤灰和石灰对膨胀土进行改良是降低膨胀土膨胀性且提高其强度常用的方法,在实际工程中得到普遍的应用。淮南市处于江淮波状平原,膨胀土在该地区广泛分布,同时作为中国重要的燃煤发电地区,粉煤灰的合理利用也成了目前需要解决的问题。基于此,本文设置了两组对比试验,利用掺量分别为0,5%,10%,15%,20%,25%,30%粉煤灰和在上述粉煤灰基础上加入5%石灰作为改良剂,先探讨了不同配合比的纯粉煤灰和粉煤灰-石灰共同改良膨胀土的膨胀特性指标变化规律;再利用万能试验机,直剪试验装置和直径Φ50mm的Hopkinson压杆装置对改良土的静动态力学特性进行研究,并结合扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD)等试验,进一步揭示了粉煤灰和石灰改良膨胀土的微观机理;最后利用ABAQUS有限元软件,从热力耦合的角度探究了膨胀土附加膨胀力对基坑支护体系变形的影响规律,相关研究结果如下:(1)对掺量分别为0,5%,10%,15%,20%,25%,30%的纯粉煤灰改良土和在粉煤灰改良剂基础上加入5%石灰的粉煤灰-石灰联合改良土分别进行液塑限,自由膨胀率,无荷膨胀率等试验,分析了不同改良剂配合比条件下上述膨胀土胀缩性指标的变化规律,得出了纯粉煤灰掺量25%条件下,改良土已经不再具有膨胀性;粉煤灰-石灰联合改良条件下,10%粉煤灰和5%石灰改良土已经不再具有膨胀性。(2)对粉煤灰掺量分别为0,10%,20%,30%的纯粉煤灰改良土和在上述粉煤灰配比基础上加入5%石灰的粉煤灰-石灰联合改良土分别进行静态抗压,劈裂抗拉,直接剪切和冲击压缩试验。探究了静动态荷载作用下改良膨胀土的应力-应变关系,观察并分析了不同试验条件下试样的强度变化规律和最终的破碎形态。从能量角度分析了冲击荷载作用下改良土的破碎过程,建立了不同配合比改良土的动态抗压强度和吸收能的变化关系。试验结果表明,静动态荷载作用下改良土的强度变化规律具有一致性,纯粉煤灰掺量下,改良土的静动态强度均随粉煤灰掺量的增加先上升后降低,静态抗压强度在粉煤灰掺量为10%时达到峰值,劈裂抗拉和动态抗压强度在粉煤灰掺量为20%时最大;粉煤灰-石灰联合改良体系下,改良土的静态抗压和劈裂抗拉强度在10%粉煤灰-5%石灰掺量下达到最高值,动态抗压强度在20%粉煤灰-5%石灰含量下最大。试验确定,在粉煤灰基础上加入石灰能明显增强改良土的力学特性,粉煤灰掺量在10%-20%存在最优配比。(3)通过对素土,10%粉煤灰改良土,10%粉煤灰-5%石灰联合改良土进行SEM微观分析,得出素土多呈薄片状的堆叠结构,存在明显的裂隙通道;粉煤灰改良后的土体孔隙一定程度上被粉煤灰颗粒充填,粉煤灰和石灰共同改良后的土体呈现块状结构。对扫描电镜图片进行二值化处理,可以看出素土的孔隙更近似于圆状,改良土的孔隙则呈现不规则的裂纹状。这是由于改良剂水化产物随机充填于孔隙之中,使得土体的密实性得到较大提高,进而解释了粉煤灰和石灰改良膨胀土的微观机理。(4)利用温度场和湿度场相似的原理,从受热膨胀变形的角度,运用ABAQUS热力耦合单元模拟膨胀力,对比分析了素膨胀土,纯粉煤灰改良土和粉煤灰-石灰联合改良土悬臂式基坑支护结构的变形规律。结果表明掺入粉煤灰和石灰后基坑坑顶水平位移均有了一定程度的降低,粉煤灰-石灰联合改良土基坑水平位移最小。本文通过对不同配合比的纯粉煤灰改良土和粉煤灰-石灰联合改良土的动静态力学特性和微观结构进行分析,得出了试验条件下的改良剂的最优配比;并结合数值模拟得出了考虑膨胀效应条件下的基坑变形规律,进一步为实际工程提供参考。图60 表10 参99