本文是一篇岩土工程论文，本文对气泡混合轻质土的力学特性进行研究，从基本力学试验出发分析气泡混合轻质土的宏观与微观的应力和应变的特点。
第1章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
气泡混合轻质土[1]是原料土、气泡群、胶结材料和水混合拌制的轻质填筑料，由于自重轻、强度和变形可调节的特性，在实际工程中得到推广和应用。气泡混合轻质土有重量轻、抗压强度高、完整性好、隔热保温等特点，它是由泡沫、水泥、水和添加材料按一定比例混合而成的一种微孔类材料，其容重范围为5~12kN/m3。由于气泡混合轻质土含有丰富的气泡，使其具备了良好的流动性。同时丰富的气泡使其密度降低，得到轻质化，使其运输、施工方便，可以进行长距离搬运，节约运输成本。在施工过程中，优秀的流动性使其无需碾压、振动便可自动填充孔隙，可用于隧道洞室填充工程、施工场地受约束工程。气泡混合轻质土与普通路基填料相比具有明显的技术优势，施工对周围环境影响小，施工周期短，人工消耗少。另外，其隔热、隔声性能较好，抗冻融性能更突出。
实际工程中，泡混合轻质土的应用范围和使用地域是比较广泛的。如在陡坡路基拓宽时，由于山区地理地貌的影响，导致在施工过程中坡体的开挖有较高要求，尽可能的减少坡体开挖，减少对原始地形地貌的扰动。这时，气泡混合轻质土的重量轻、强度高的特性就可以发挥作用了，可以直接进行垂直浇筑，降低坡体开挖对边坡稳定性的影响。又如在中国的长三角沿海地区，由于是冲积作用形成的平原，冲积形成的土层较厚且强度一般较低，在修建通行道路是常面临路基路基强度低沉降量大的问题，使用桩机处理成本又比较高。此时，气泡混合轻质土的重量轻，抗渗透性好的优势就可发挥出来了，使用换填方法即可以控制路基沉降量大的问题还降低工程造价。
1.2 气泡混合轻质土的研究现状
1.2.1气泡混合轻质土的特点
气泡轻质土中由于气泡的加入，导致大量孔洞结构的均匀分布，使得轻质土的自重大大的降低，其容重往往比普通的土体要小，其容重小于普通路基填料，同时轻质气泡土可通过调节气泡的加入量来调节强度和容重。气泡轻质土使用水泥作为固化剂，由于大量封闭润滑的气泡存在，使其具有较高流动度，无需振捣就能达到自密实状态，在浇筑后几小时就开始固化自立，固化后对挡土结构物几乎没有水平力作用，因此可进行垂直填筑，尤其针对山区公路临陡坡路段，可大幅降低路基边坡拓宽时放坡的要求。由于气泡轻质土的内部含有大量均匀分布的密闭胶质气泡，气泡之间相互独立封闭，互不相通，因而具有良好的抗渗透性。同时与高分子材料相比，其耐久性、耐热性较强，与水力类材料耐久性相当。还具有良好的隔热、隔音和抗冻融性能。
1.2.2气泡混合轻质土的研究现状
对于气泡混合轻质土的研究，主要包含气泡混合轻质土的物理性质和力学性质两方面[4]。气泡混合轻质土的物理性质包括了耐久性、冻融性以及孔洞结构的分布等。对于气泡混合轻质土的物理性质的研究：
Wako[5]等认为气泡混合轻质土想成功应用于实际工程建设，核心技术是保持气泡混合轻质土密度的稳定性，并且在气泡混合轻质土的制作、运输及铺设过程中，气泡混合轻质土中气泡的丧失率在30%左右。
章灿林[6]等研究了冻融循环和酸碱腐蚀对掺入不同量的原料土的气泡混合轻质土微观结构的影响，结果表明原料土的掺入量越多，气泡混合轻质土的气孔结构破坏越严重，破坏也越明显。
Tsuchida[7]等研究了施工完成后不同时间时的气泡混合轻质土密度变化，结果表明，气泡混合轻质土的体密度比设计密度有差距，但是总体上密度随时间的改变量不大。
Takeshi[8]等通过CT 扫描研究了不同配比条件下气泡混合轻质土浸水后的吸水特性，发现轻质土的吸水性与气泡群的加入量有关，气泡掺量越大，气泡混合轻质土的吸水性越强，密度增加量也越大。
杨卫东[9]对降低气泡混合轻质土的吸水性进行研究，得到研究结果表明：掺入适量的憎水剂、减水剂、早强剂和粉煤灰都能降低气泡混合轻质土的吸水性，但降低效果各不相同。
第2章 气泡混合轻质土试样的制备和力学试验
2.1 试验材料和气泡混合土试样的制备
气泡混合轻质土试样的制备是力学试验的前提，如2-1图，通过将制备好的气泡群和原料土及固化剂混合拌制而成得到流动的气泡混合轻质土导入相应的试样模具中，待其养护成型后便可以得到试验所需要的试样。
制备气泡混合轻质土材料主要包含原料土、气泡群和固化剂，本次试验使用的原料土为砂土，而使用的气泡群是使用植物蛋白发泡剂和稳定剂高速搅拌而发泡制成的，固化剂则是采用采用使用广泛的普通硅酸盐水泥。因此，在制备气泡混合轻质土试样之前应该对试验的材料的性质进行研究和测量。
2.2力学试验
进行力学试验主要目的是为了得到气泡混合轻质土的受力变形的特性和相应的力学参数，试验主要包括固结压缩试验、常规三轴试验，该试验的目的是通过直剪试验得到气泡混合轻质土的抗剪强度指标，利用固结压缩试验获得气泡混合轻质土的压缩性质的相关力学参数，建立孔隙比和压应力之间的函数关系表达。对气泡混合轻质土进行常规三轴试验，可以得到在多轴应力状态下的应力应变关系。
2.2.1压缩固结试验
在进行常规固结压缩试验前制备相应的气泡混合轻质土的试样，按照确定的配合比拌制气泡混合轻质土，将拌制好的气泡混合轻质土浇筑在高H为20mm、内部直径D为61.8mm的环刀中，等到气泡混合轻质土硬化后将试样取出，将制取好的试样放标准养护28天。将养护完成的气泡混合轻质土试样放入固结仪器中测量孔隙率与压应力的关系。
常规压缩固结试验就是侧限固结压缩试验，该试验将试验材料放入标准的固结容器中，然后在固结容器上的土体施加不同的压力，测得不同压力下的材料的孔隙比的变化与压应力的关系。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）同时根据气泡混合轻质土的实际情况选择100kPa、200kPa、400kPa、800kPa这4个竖向压应力，确定气泡混合轻质土在相应压力下达到稳定的标准为每级压力下固结24小时或试样变形每小时变化不大于0.01mm时测定稳定读数认为是稳定的读数。
第3章 气泡混合轻质土屈服准则的理论推导 ...................... 30
3.1 屈服准则与加卸载条件............................. 30
3.2 气泡混合轻质土孔洞结构特点 ................... 32
第4章 气泡混合轻质土的本构模型 ......................... 54
4.1 气泡混合轻质土本构方程的建立 ..................... 54
4.1.1 气泡混合轻质土的塑性体应变和塑性剪应变 ...................... 54
4.1.2 气泡混合轻质土的弹性体应变和弹性剪应变 ...................... 61
第5章 模型试验验证分析 ........................... 67
5.1 模型试验验证 ............................... 67
5.2 数值模拟 .................................... 68
第5章 模型试验验证分析
5.1模型试验验证
文章[75]为研究气泡混合轻质土在山区路基拓宽中的应用中的力学特性，根据实际的工程案例情况，同时利用相似理论设计了一个室内模型试验，对气泡混合轻质土在山区公路路基拓宽与加固中气泡混合轻质土的受力变形情况进行研究，设计的模型尺寸为长100cm，高90cm，宽100cm，模型的左右为固定的边界限制其发生位移，本文将使用该模型试验对推导得到的本构方程进行验证。试验采用液压千斤顶+砝码进行加载，荷载大小依据《公路路基设计规范》中公路1级车道荷载取值，加载方式为分级连续加载，初始荷载为1.29kN(路基表面加载系统的质量)，每级增加0.8 kN，每级荷载作用1min，10 kN后每级作用2min。
第6章 结论与展望
6.1结论
本文对气泡混合轻质土的力学特性进行研究，从基本力学试验出发分析气泡混合轻质土的宏观与微观的应力和应变的特点。通过气泡混合轻质土常规固结压缩试验、单轴压缩试验和常规三轴压缩试验对气泡混合轻质土的力学性能及微观孔洞结构的变形情况进行相应的分析。然后，从微观角度出发建立一个考虑气泡混合轻质土内部孔洞结构的微观力学单元，并同时考虑气泡混合轻质土的基体为岩土材料考虑体积屈服作用，利用该微观单元建立气泡混合轻质土微观应力和宏观应力之间的函数关系，同时利用连续介质力学基本原理考虑微观孔洞结构的作用推导出一个气泡混合轻质土的宏观屈服方程。由岩土弹塑性力学中的相关塑性理论，对屈服方程中基体屈服强度K的值的确定利用Duncan-zhang模型使用的康纳双曲线进行确定，得到基体屈服强度K的函数关系。对气泡混合轻质土宏观势函数的确定采用相关联法则，推导气泡混合轻质土的增量塑性体应变的函数关系式。剑桥模型通过能量方程推导出增量塑性体应变和增量塑性剪应变之间的耦合关系，即减胀发出。利用该减胀方程得到气泡混合轻质土的增量塑性剪应变，同时，利用弹性理论建立气泡混合轻质土的增量弹性体应变和增量弹性剪应变的函数表达式。最红，得到气泡混合轻质土的增量本构方程。本文的主要研究内容可以分为以下的几个部分：
（1）气泡混合轻质土的力学试验，在进行力学试验之前需要确定气泡混合轻质土的试验配合，然后利用试验得到的配合比制备相应的力学试样，然后对试样进行相应的力学试验。对气泡混合轻质土进行常规固结压缩试验，得到气泡混合轻质土的压缩变形的力学参数指标。紧接着对气泡混合轻质土进行单轴压缩试验得到气泡混合轻质土的宏观应力应变关系并同时观察到气泡混合轻质土内部孔洞结构受力变形
