关键词： 冻融循环   玻璃粉   重塑黄土   抗冻性能   微观结构  

摘要： 西北部季节性冻土区常年受冻融循环破坏,为提高黄土抗冻性能,开展不同掺量的水泥与玻璃粉对黄土固化,并在不同冻融循环次数下利用体积变化率、应力–应变、无侧限抗压强度及微观试验探究水泥与玻璃粉改良黄土机理。研究结果表明:掺入水泥与玻璃粉可有效降低黄土体积变化率;冻融循环0次时,不同掺量的水泥与玻璃粉黄土峰值应力所对应的应变分别为3.8%、2.4%、1.8%、1.5%、1.1%、1.3%,其中7%水泥与3%玻璃粉应变最小,说明适量水泥与玻璃粉可以提高黄土刚度;无侧限抗压强度随玻璃粉掺量增加呈先增加后下降趋势;随冻融循环次数增多,黄土内部孔隙增多,且孔径随孔隙的增多而增大,而水泥与玻璃粉的掺入可改善黄土内部结构,减小孔隙率,提高密实度。

关键词： 冻融循环作用   黄土   煤基固废   模型试验   水热力响应  

摘要： 随着国家“西部大开发”战略规划和“一带一路”倡议的深入推进,越来越多的交通基础设施正在和将在寒冷的西北季节冻土地区设计和建造。我国西北寒区广泛分布有黄土,黄土土质疏松、多孔、遇水软化甚至湿陷,其特殊的结构特征使其在环境因素或工程扰动下具有强致灾特性。在西北黄土地区,每年因周期性的冻融循环作用导致的黄土边坡失稳、路基塌陷、地基不均匀沉降等灾害频发,严重影响类似地区工程的服役性。目前工程中常用的防治方法就是用石灰或水泥对黄土进行改良,但这种改良方法因碳排放量高不利于环境的可持续发展。与此同时,类似地区以宁夏地区为例,还面临着因现有煤矸石和煤气化渣堆存量大综合利用率低而引起的严重环境安全隐患以及道路建设中砂石料等土建材料严重匮乏的双重难题。有鉴于此,本文提出利用煤矸石与煤气化粗渣改良黄土作为西北冻土区路基填料。季节冻土区路基内部的水热力响应直接影响路基的长期稳定性,通过室内路基模型试验探究冻融循环作用下煤基固废改良黄土路基的温度场、水分场与变形场的演化规律;结合导热系数测定与SEM电镜扫描实验对改良机理进行分析;并利用COMSOL有限元分析软件进一步模拟分析多次冻融循环作用下不同掺量煤矸石与煤气化粗渣改良黄土路基的水热力响应规律,分析其长期改良效果。相关成果有望为解决类似地区黄土冻融病害问题与黄土路基处理提供参考。论文相关工作及主要结论如下: (1)单次冻融循环作用下室内路基模型试验结果表明:适当掺量的煤气化粗渣改良黄土路基和煤矸石改良黄土路基具有优良的保温性能和温度稳定性,并且能够通过降低路基填料的最优含水率以及路基内部的水分迁移量降低路基顶面的最大冻胀量与最大融沉量。其中改良效果最好的工况是质量掺量比为50%的煤矸石或15%的煤气化粗渣,相较于素黄土路基,5种不同掺量煤基固废改良黄土路基不同深度处温度最低值分别提升了19%～33%与16%～46%,冻结时间推迟12～36h,水分迁移量降低25%以上,路基顶面最大冻胀量与最大融沉量均降低60%以上。 (2)通过对微观形态分析表明:掺入煤矸石能够降低改良黄土的孔隙率,降低冻融循环作用下路基土体内部的水分迁移量;掺入煤气化粗渣能够降低改良土体内部自由水含量,降低了改良黄土的冰点。二者通过不同机理都降低了土体内部的热量传播效率,进而降低了路基的冻胀与融沉变形量。同时导热系数测定结果表明:素黄土、15%煤气化粗渣改良黄土、30%煤矸石改良黄土与50%煤矸石改良黄土在15℃下导热系数分别为1.20W/(m·K)、1.12W/(m·K)、1.17W/(m·K)与1.13W/(m·K),在-15℃下则为1.15W/(m·K)、1.07W/(m·K)、1.14W/(m·K)与1.08W/(m·K),说明在黄土中掺入15%煤气化粗渣,30%以及50%的煤矸石能够有效降低路基填料的导热系数。因此,煤基固废改良黄土路基的保温性能增大。 (3)多次冻融循环作用下不同掺量煤矸石与煤气化粗渣改良黄土路基的水热力仿真分析方面,基于能量守恒定律和傅里叶热传导定律,考虑土体中的热传导过程和冰水相变过程,采用COMSOL建立煤基固废改良黄土路基的水热力耦合模型,并用模型实验的实测数值验证了模型的可靠性。计算结果表明:不同掺量煤矸石与煤气化粗渣改良黄土能有效降低路基内部温度变化幅度、未冻水变化量,进而较大幅度地降低路肩处的位移变化量,并且改良效果在多次冻融循环作用下较为稳定。其中改良效果最好的工况是质量掺量为50%的煤矸石或15%的煤气化粗渣,相较于素黄土路基,经历5次冻融循环作用后,路基内部温度最大变化幅度分别降低了42.60%与30.80%,未冻水含量最大变化率分别降低了15.11%与11.92%,路基顶面最大冻胀量分别降低了61.15%与53.56%,最大融沉量则降低了61.40%与55.58%。即掺入50%煤矸石与15%煤气化粗渣能够有效降低路基由于冻融循环作用引起的变形,并且经历多次冻融循环作用后仍具有稳定的改良效果,进而降低了反复冻融循环作用对路基造成的损伤。

关键词： 含裂隙砂岩   冻融循环   力学特性   裂纹扩展   破裂模式  

摘要： 在寒区工程中,裂隙岩体的力学特性在冻融循环作用下发生劣化,从而引发一系列诸如崩塌、滑坡等灾害,已然成为威胁工程安全的关键难题。这一问题直接关系到寒区各类工程的稳定性和耐久性,如交通基础设施建设运营、矿山开采等众多领域。因此,深入研究这一问题,对于保障寒区工程的长期稳定运行具有一定现实意义。本文以砂岩为研究对象,开展了对不同裂隙形态砂岩的冻融循环试验研究,从而揭示冻融循环作用下裂隙砂岩的强度劣化与裂纹扩展规律。通过冻融循环与单轴/三轴压缩试验,详细研究了不同冻融次数(0/30/60/90次)、裂隙形态(完整、单裂隙、交叉裂隙)及围压(0/5/10MPa)对砂岩力学特性劣化及破坏模式的影响。研究结果如下: (1)完整砂岩在单轴压缩条件下,应力-应变曲线分为微裂隙压密、弹性变形、局部变形、应力跌落和脆性破坏五阶段特征。冻融循环初期砂岩强度劣化缓慢,冻融循环90次后强度骤降,弹性模量与特征应力均线性下降,岩石内部颗粒间胶结性变弱从而影响结构稳定性,使风化作用更为明显。其粘聚力c在冻融初期短暂上升,冻融循环90次后骤降,内摩擦角φ呈“V”型变化。 (2)单裂隙砂岩在冻融循环60次后,冻融系数快速下降,冻融循环90次后该系数趋于稳定,破坏模式由脆性剪切破坏向延性拉伸破坏转变,粘聚力c整体下降,内摩擦角φ波动显著。交叉裂隙砂岩因裂隙几何形态复杂,其初始强度相对较低,冻融90次后强度降幅明显,弹性模量先升高后降低,泊松比出现明显波动,破坏模式由拉伸-剪切混合破坏逐渐转为以剪切破坏为主。粘聚力在冻融60次时最大,冻融循环90次后回落,内摩擦角φ呈先降低后升高的变化趋势。 (3)围压能显著削弱冻融循环对岩石物理特性的劣化作用,在高围压(10MPa)下单裂隙砂岩峰值应力、残余强度提高。交叉裂隙砂岩在三轴压缩时峰值应力相比单轴压缩强度大幅提升,冻融90次后降幅显著减小,表明高围压可抑制水分迁移与裂隙扩展,且在高围压条件下裂隙砂岩破坏模式以剪切破坏为主,单裂隙砂岩在三轴压缩(围压10MPa)条件下剪切裂纹占比达七成,交叉裂隙砂岩剪切裂纹占比七成以上,围压通过约束侧向变形强化了岩石内部结构的稳定性,从而提高了砂岩的峰值强度。

关键词： 冰碛土   离散元   PFC   冻融循环   微观损伤   破裂演化   三轴压缩  

摘要： 为探究冻融循环作用下冰碛土性质劣化的微观损伤机制，基于离散元理论提出一种通过水颗粒膨胀实现土体冻融损伤模拟的方法。利用颗粒流软件PFC2D模拟三轴压缩试验，结合室内试验结果对比分析，本方法在模拟冰碛土的力学性质变化方面显示出高度的准确性和可靠性，揭示了冻融冰碛土受载时微裂隙、位移场和力链场的演化过程与破裂特征。结果表明：（1）试样冻融过程中微裂隙呈由四周产生并逐渐向中间扩展的“累计演化”趋势，其中张拉微裂隙占据主导地位，在冻融前期（2～5次）颗粒间以水平挤压为主从而大量发育偏90°倾向张拉微裂隙。（2）冻融作用引起的冰碛土性质劣化在冻融前期（2～5次）尤为明显，粘聚力c随冻融次数N的增加呈负指数函数递减规律，而内摩擦角φ呈小幅波动态势。（3）试样受载过程中剪切微裂隙占据主导地位，微裂隙发育呈“慢→陡→缓”趋势演化，根据其裂隙演化特点，将加载过程的应力-应变曲线划分为4个变形阶段。（4）冻融后试样受载时减速斜率转换点B移动到峰值应力点C之前，说明B点在微裂隙扩展-贯通-形成破坏过程中可以作为“前兆特征”；冻融20次试样受载时破坏程度更剧烈且形成明显剪切破坏带。

关键词： CT扫描   裂隙砂岩   冻融循环   孔隙网络模型   孔隙率  

摘要： 为深入剖析冻融循环对岩石裂隙发育特性的影响,运用CT扫描技术获取完整砂岩与裂隙砂岩样本的三维结构影像,对孔隙网络的模型参数实施量化描述,旨在系统分析岩石在经历冻融循环过程中的裂隙形态动态演变,以及伴随冻融循环次数增加的孔隙结构变化规律.结果表明:冻融循环过程中,砂岩样本细观结构参数表现出与冻融循环次数之间的正相关性;完整砂岩对冻融损伤的抵抗力较强,主要在岩石外围形成环状损伤区;裂隙砂岩的分形维数显著高于完整砂岩,孔径分布变化更为显著,由于存在预制裂隙,裂隙成为冻融损伤的集中区;孔隙总体积和面孔隙率的增加是冻融损伤的直接结果.研究结果对于揭示寒冷地区岩体损伤机制具有一定参考价值.

关键词： 玄武岩纤维混凝土   束状纤维   短切纤维   冻融循环   力学性能  

摘要： 针对西部地区公路隧道混凝土耐久性下降的问题,采用性能优良且绿色环保的束状和短切玄武岩纤维作为增强材料,通过室内快速冻融试验,分析冻融前后混凝土的质量损失、相对动弹性模量、抗压和劈裂抗拉强度的变化,并与普通混凝土进行对照。结果表明:掺入玄武岩纤维后,能够有效缓解混凝土质量损失的增大以及相对动弹性模量、抗压和抗拉强度的下降,增强混凝土的抗冻能力。束状较短切玄武岩纤维混凝土的初始抗压和抗拉强度更高,相比普通混凝土提升显著。随着冻融循环增加,后者的相对动弹性模量、抗压和抗拉强度衰减速率明显低于前者,短切较束状玄武岩纤维混凝土的抗冻性能更优。通过试验数据采用二次多项式模型拟合,分别较准确地表达了冻融循环作用下短切和束状玄武岩纤维混凝土的损伤程度。

关键词： 混合土回填层   冻融循环   基础稳定性  

摘要： 混合土回填层在冻融循环作用下会发生力学性质变化,进而影响基础稳定性。文章通过室内冻融循环试验和现场监测,研究了不同冻融循环次数下混合土的强度、变形特性变化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增加,混合土的强度逐渐降低,变形量增大。基于试验数据,建立了混合土力学性质与冻融循环次数的关系模型,并分析了这种变化对基础承载力和基础沉降的影响,可为寒区混合土回填基础的设计和施工提供参考。

关键词： 冻融围压   冻融循环   不排水力学特性   三轴试验   微观结构  

摘要： 人工冻结法和季节性冻土地区土体通常在一定围压下经历冻融循环作用。受到冻融围压和不排水条件影响,融化后土体残存超孔压,并非完全固结状态,开展此工况下土体不排水力学性能研究具有重要工程和科学意义。通过自主改进的温控三轴仪,对重塑软黏土开展冻融后未完全固结不排水三轴剪切和微观试验,分析了冻融围压、次数和冻结温度对冻融后软黏土力学特性影响。结果表明:与零围压相比,带围压冻融后土体中絮凝结构和孔隙数量增大,加剧了冻融对土体强度和模量的弱化作用;随着冻结温度降低和冻融次数增大,土体力学性能弱化效应越明显。

关键词： 盐侵蚀   冻融循环   再生微粉   耦合作用  

摘要： 通过将再生微粉以10%、20%、30%的取代率替代水泥后制备再生微粉混凝土试块,将其底面以上1 cm的部分浸泡于3%的MgSO_(4)溶液中,进行单边冻融循环实验,研究MgSO_(4)溶液与冻融循环的耦合作用对再生微粉混凝土性能的影响。结果表明:当再生微粉取代率为10%时,再生微粉混凝土表现出较好的抗盐侵蚀和抗冻性能,试块的最大冻融循环次数可达60次,优于基准混凝土。取代率为20%及30%的混凝土则表现出较为严重的物理剥蚀和化学膨胀破坏,其抗冻能力显著下降。通过SEM(扫描电子显微镜)、XRD(X射线衍射)和NMR(核磁共振)等手段分析混凝土内部的微观结构变化规律,发现MgSO_(4)溶液盐侵蚀与冻融循环共同作用下,再生微粉混凝土内部结构遭到破坏,有石膏、钙矾石、碳酸钙等膨胀性物质生成,混凝土内部有害孔及多害孔的数量增加,从而导致再生微粉混凝土发生破坏。