关键词： 路基   冻胀融沉   温度场   水分场   水热稳定性   数值模拟  

摘要： 路基作为一带状构筑物,附着于自然地基表面,容易受到外界环境荷载的影响。影响路基稳定性的外界环境因素主要有冻融循环、干湿循环、风蚀循环等多个方面。冻融循环对路基的破坏主要表现为路基土体的冻胀和融沉,出现这两种现象主要原因是外界四季温度的交替,使得路基内部存在一个温度梯度,这种温度分布的不均匀使得路基土体中的水分分布发生了改变引起的。冻土在我国广泛分布于北方地区和个别海拔较高的山脉等地,大约能占到国土面积的一半左右。冻土作为特殊土的一种,温度是影响它稳定性的关键性因素。根据《中长期路网规划》,徐兰客专、青太客专、京沪高铁、京哈高铁等多条线路经过多年冻土区域或季节性冻土区域,所以说研究冻融循环作用下的路基内部温度、水分等因素的分布及变化规律是解决冻土问题的一个重要方面。冻土地区路基的破坏主要是由于路基内部温度和水分发生改变引起的。本文以大西高铁临汾段季节性冻土路基为研究的对象,运用ANSYS有限元软件对冻融循环作用下的路基温度场、水分场进行数值模拟,探讨路基因冻融循环产生破坏的机理。1.结合大西线路基的特点,根据当地的实际气温和地质条件,按照不同情况下的路基边界条件,分析路基温度场的分布规律,得到路基各关键点沿竖向和横向的温度分布图,进而得出冻结和融沉的变化规律。2.水分的变化是路基发生冻胀和融沉的首要因素,本文根据水分迁移控制方程,考虑在有大气降雨条件下,对路基进行了水分场的数值模拟,得到了水分分布及迁移规律,研究因水分迁移产生的路基病害的机理。3.温度和水分是影响路基变形的两个重要方面,将第三章和第四章计算所得的双场数据结果导入到路基变形的模型中,对路基发生变形的情况进一步进行模拟,分别计算路基内部各节点的变形量以及最不利位置和最大变形量,了解路基不同位置的变形情况。

关键词： 冻融循环   预应力碳纤维布   加固   混凝土梁   数值模拟  

摘要： 随着混凝土结构使用时间的增加,会出现老化、碳化、疲劳、开裂等现象,对混凝土结构的加固势在必行。已有的研究表明,用预应力碳纤维布加固梁不仅能够提高结构的承载能力,还能改善加固后结构的工作性能。在此背景下,本文主要考虑了碳纤维布的基本力学性能、碳纤维布-混凝土粘结界面持续应力大小及冻融循环次数等因素,对冻融循环对预应力碳纤维布加固混凝土梁的耐久性进行了试验研究。主要完成工作如下:(1)通过对20个碳纤维布试件的拉伸试验,研究冻融循环对碳纤维布力学性能的影响;通过对12个试件的双剪试验,观察界面的破坏模式,研究不同冻融循环次数对碳纤维布-混凝土界面粘结力的影响。(2)通过对36根混凝土小梁在不同加固预应力水平和冻融循环次数的试验,研究冻融循环对加固混凝土梁力学性能的影响。(3)通过ANSYS软件对预应力碳纤维布加固混凝土梁进行仿真模拟,分析冻融循环对预应力碳纤维布加固混凝土梁整体力学性能的影响。主要研究成果如下:(1)经过冻融循环后,碳纤维布的抗拉强度和弹性模量降低;随着冻融次数的增加碳纤维布的延伸率降低,冻融50次、75次降低幅度为3.1%、6.8%,冻融100次降低幅度为11.8%。碳纤维布-混凝土界面粘结力试验表明,随着冻融次数的增加,试件破坏模式由混凝土内部破坏向混凝土-胶层界面破坏和胶层-碳纤维布界面破坏发展,破坏模式发生变化。(2)混凝土梁在不同加固预应力水平和冻融次数的试验结果表明,经过冻融循环后,试件的开裂载荷和极限承载力有所下降;初始预应力水平越高,试件的开裂载荷和极限载荷下降速度越快,说明在冻融循环和持续应力耦合作用下碳纤维布-混凝土界面的粘结力退化速率更快。(3)用ANSYS软件对预应力碳纤维布加固混凝土梁进行仿真模拟,结果表明,加固后混凝土梁的力学性能提升,且模拟结果与试验结果吻合度较高。

关键词： 冻融   蠕变   直剪   含水率   粘土  

摘要： 随着社会经济的发展,在冻土区进行的工程建设及资源开发与日俱增,而且在冻土区时常会发生一些地质及工程上的灾害,上述问题与冻土区岩土所受的冻融作用及岩土的蠕变特性有密切联系,目前在岩土冻融蠕变方面的研究尚浅,本文在前人研究成果之上,选择粘土为研究对象,对其冻融循环作用下的蠕变特性进行研究。(1)对粘土进行冻融作用下的蠕变特性试验研究,试验所用粘土土样取自于大雁扎尼河露天矿,制作初始含水率分别为15%、25%及35%的重塑粘土试样,进行次数分别为0,1,3,6,10,15的冻融循环,得出粘土试样的蠕变应变—时间曲线。结果表明,蠕变变形随冻融循环次数的增加而增大,随含水率的增加而增大。首次冻融循环后蠕变变形变化较为明显,蠕变曲线随冻融循环次数增加逐渐聚拢。蠕变变形量随初始含水率的增大而增加。(2)通过对粘土的剪应变—应力等时曲线分析可见:蠕变是非线性的,剪应变与剪切荷载成正比,剪切蠕变的非线性水平随剪切荷载的增大而变强,剪切蠕变的非线性水平随时间增加变强。本试验中的剪切蠕变属于衰减型蠕变,剪切蠕变应变随时间发展趋于一极限值。等时曲线组上未出现明显转折点,因此剪切荷载未超过粘土的长期强度。剪应变随剪切荷载及冻融循环次数的增大而增大,剪切蠕变的非线性水平随冻融循环次数的增加而增强。(3)通过对粘土参数的分析可见:剪应变速率随时间增加而减小,随剪应力增大而增加,随冻融循环次数的增加而增大,随含水率的增加而增大。粘滞系数随时间增加而增大,随剪应力的增大而减小,随冻融循环次数的增加而减小,随含水率的增加而减小。(4)应用经验模型及理论模型的蠕变方程进行拟合,经验模型选用幂函数型及对数函数型模型,理论模型选用5元件Kelvin模型。结果表明,理论模型蠕变公式比经验模型蠕变公式的拟合程度更高。

关键词： 冻融循环   监测   应变   温度应力   数值模拟  

摘要： 混凝土需要抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性,从而维持混凝土结构的安全性的能力称为耐久性。近年来,由于混凝土耐久性设计不足导致实际工程过早破坏、失去服役功能的案例不胜枚举。“南锈北冻”是我国混凝土工程耐久性所呈现的典型自然特征。因此,监测寒冷地区不同服役环境下的混凝土在冻融循环作用下其内部变形情况,对研究其损伤与破坏机理具有重要的理论意义和工程应用价值。首先研究冻融作用下混凝土内部冻胀应变的监测方法并制作试验试件。与此同时,进行了应变片的防水处理、应变片与混凝土界面的增强处理及系统标定。试验中监测了冻融循环过程中混凝土内部变形,获得了内部冻胀应变等实测数据。进而,据试验监测数据分析了混凝土饱水程度、内部不同区域、不同起始温度、不同冻融循环次数对内部冻胀应变的影响规律。然后,对冻融循环下完全饱水的混凝土温度场与温度应力进行有限元模拟(ANSYS软件)。将模拟温度与实测混凝土温度进行对比,从而验证了所建立的有限元模型在模拟冻融循环下混凝土温度的可行性与准确性。不仅如此,由第二强度理论计算得出温度应力的模拟结果,可以得出由于温度应力作用在边角点处混凝土首先发生破坏。最后,通过将监测到的冻胀应变转化为冻胀应力并与上述温度应力进行叠加,得出了混凝土在冻融作用下边角点处产生的拉应力峰值最大并且最先达到其抗拉强度设计值,因此混凝土在边角点处首先发生破坏。并且随着冻融次数的增加,混凝土内部逐步劣化。

关键词： 粘土   冻融循环   塑性指数   黏聚力   内摩擦角   ANSYS  

摘要： 冻融过程中土结构由于受冷生作用的影响,导致冻融后其物理力学性质发生变化。在寒区进行路堑开挖、新削边坡等工程活动时,会使土体新近暴露于冻融作用之下,容易导致边坡发生破坏,对边坡结构的稳定性和安全性造成较大危害。本文主要以炉霍地区含碎石粘土和高液限粉土为研究对象,通过室内冻融循环试验和土工试验,研究不同含水量、不同干密度的两种土在不同冻融次数条件下,抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律,并将得出的c、φ值的变化规律应用到边坡中。然后运用ANSYS有限元软件对不同冻融次数下的含碎石粘土边坡进行数值模拟,研究冻融循环作用对含碎石粘土边坡稳定性的影响。为寒区边坡工程冻融灾变预测和防治提供较可靠的试验与理论依据。本文通过试验及数值模拟分析,研究成果如下:(1)经过不同次数的冻融,含碎石粘土2 mm及以上的碎石及大颗粒粘土粒径不变,2 mm以下的细颗粒粘土有所增加但是变化的幅度较小。液限减小,塑限先增大后趋于稳定,塑性指数减小并且冻融次数超过5次时趋于稳定。随着冻融次数的增多,不同干密度下含水量为16.7%、21.4%的试样黏聚力增大,内摩擦角减小;含水量为19.0%的试样黏聚力减小,内摩擦角增大。不同含水量的试样在相同的冻融次数下黏聚力随着干密度的增大而减小,内摩擦角则增大。不同干密度的试样在相同的冻融次数下黏聚力和内摩擦角均随着含水量的增大而减小。根据试验数据推导出冻融循环次数、含水量和抗剪强度参数之间的关系。并且含碎石粘土的抗剪强度随着冻融次数的增加是逐步降低的。(2)经过不同次数的冻融,高液限粉土颗粒组成变化是细颗粒土不断增加。液限变化不大,塑限减小,塑性指数先增大后减小。不同干密度下三种含水量的试样黏聚力随着冻融次数的增加而减小,内摩擦角则增大;不同含水量的试样在相同的冻融次数下黏聚力和内摩擦角均随着干密度的增大而增大;不同干密度的试样在相同的冻融次数下黏聚力随着含水量的增大而减小,内摩擦角则增大。未经过冻融的高液限粉土随着含水量的增加,抗剪强度逐步降低并且衰减幅度增大,大孔径孔隙高液限粉土对水的作用非常敏感。试样的含水量越大,抗剪强度对冻融循环次数的敏感度就越大。(3)利用ANSYS软件对不同冻融次数下的含碎石粘土边坡进行了数值模拟。模拟分析得出:经过不同冻融次数的边坡安全系数有明显的减小,并且边坡发生失稳破坏时经过冻融的边坡比未冻融边坡的最大位移量大,冻融作用对边坡的稳定性有较大的影响。

关键词： CFRP   混凝土   硫酸盐   冻融循环   界面   粘结性能  

摘要： 近年来,碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称CFRP)以轻质、高强、易裁剪、耐久性好、耐腐蚀等良好的性能被广泛应用于混凝土结构的加固中。在实际的工程结构中,经CFRP加固的混凝土构件的破坏主要是由于CFRP-混凝土界面剥离破坏造成的,因此,CFRP和混凝土界面良好的粘结性能是确保加固质量的关键。通常情况下,用CFRP加固的混凝土结构往往处在室外环境,有的甚至处于高温、严寒、强紫外线、强酸强碱、海水侵泡、强腐蚀离子等恶劣的环境中,CFRP和混凝土界面的粘结性能在这些恶劣环境中的耐久性会显著降低。我国西部地区的内陆盐渍土和盐湖,含有大量的硫酸盐,硫酸盐对混凝土结构产生相当严重的膨胀破坏作用。此外,这些地区位于高原内陆,干旱、严寒、昼夜温差大,硫酸盐对这些地区的CFRP-混凝界面侵蚀更加严重。目前,国内外对CFRP-混凝土界面耐久性的研究内容主要涉及界面在干湿循环、冻融循环、温度、湿度、酸碱盐溶液、水环境、碳化、紫外线等单一环境下的耐久性,并且主要集中在东南沿海环境及海水的影响,而西部寒旱地区硫酸盐对CFRP-混凝土界面的耐久性影响的研究比较缺乏。基于这种背景,本文在实验室内对硫酸盐和冻融循环双重因素作用下CFRP-混凝土界面的粘结性能进行了研究,主要研究内容如下:(1)通过对CFRP片材的纵向拉伸试验,研究了CFRP片材分别经水中冻融循环,硫酸钠溶液中冻融循环作用后的抗拉强度,弹性模量,伸长率等力学性能的随冻融次数的变化规律。(2)通过对CFRP和混凝土试件的正拉试验,研究了水中冻融循环,硫酸钠溶液中冻融循环对CFRP和混凝土界面的正拉粘结性能的影响,描述了界面的破坏过程,破坏类型,分析了侵蚀环境对正拉承载力、正拉粘结强度的影响及作用机理。(3)通过对CFRP-混凝土试件的双剪试验,研究了界面分别经水中冻融循环,硫酸钠溶液中冻融循环作用后的破坏过程和破坏特征,分析了硫酸盐和冻融循环环境对界面的极限承载力,应力、应变分布,局部粘结滑移,粘结滑移本构关系,有效粘结长度等方面的影响以及作用机理。

关键词： 盐渍土   风沙冲蚀   混凝土   易溶盐   冻融循环   田口方法   方差分析  

摘要： 我国中西部的严寒、盐渍和风沙等特殊自然环境对该地区混凝土结构,尤其对道面混凝土的耐久性和安全性影响严重,严重威胁其服役寿命。本文主要研究区域为内蒙古中西部盐渍土区和沙漠区,该地区有G6、G7等多条高速公路和多条自治区内公路交织,选取区域具有很好的实际意义及工程背景。本文在研究内蒙古中西部盐渍、严寒等环境特点的基础上,采用气流挟沙喷射法,研究混凝土的冲蚀率及损失量在不同盐冻融环境及不同风沙环境冲蚀参数下的关系,得出混凝土冲蚀磨损规律及冲蚀机理,并进一步通过结合田口正交试验方法对各种侵蚀环境因素做出具体影响评价,使得实验结果更具可靠性。本课题受国家自然科学基金项目《严寒环境下西部盐渍土区道面混凝土受风沙侵蚀损伤机理研究》(项目批准号:51468049)和《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为及损伤评价研究》(项目批准号:11162011)资助,具体研究内容如下:1.对内蒙古中西部三处地区盐渍土进行采样分析,并根据鄂尔多斯境内盐渍土采样分析结果,分别配制了硫酸钠和氯化钠复合盐侵蚀溶液,以及对应下单盐侵蚀溶液和自来水,共计四种溶液,并且在这四种溶液下分别进行混凝土冻融循环对比试验,以试件质量和抗压强度作为评价指标;并且结合场发射扫描电镜(FESEM),观测混凝土冻融循环后的微观形貌,并结合能谱分析及化学元素分析对混凝土内部侵蚀程度做对比分析。实验结果表明:(1)在冻融初期,四种溶液中的混凝土质量与抗压强度均有所增加,但当冻融次数超过大约10次后,混凝土质量及抗压强度均有所降低;(2)复合盐及单盐冻融循环后混凝土内部有相应的化学元素产生。2.结合内蒙古中西部沙尘天气的气候特点,进行风沙冲蚀参数的选择,设计五种不同工况下的风沙侵蚀试验,进行混凝土在不同盐溶液侵蚀环境下冻融循环后的风沙侵蚀试验。3.采用模拟风沙环境侵蚀实验系统对混凝土进行冲蚀试验研究,对不同工况下的研究结果进行计算统计分析,结合超景深显微镜(DSX 500)对混凝土冲蚀形貌进行观测,分析其受冲蚀磨损的损伤机理,结果表明:(1)五种工况下混凝土的冲蚀率在相同冲蚀条件下随冲蚀速度的增大而增大,并且二者遵循(E=K·Vn)幂指数关系;(2)在相同冻融次数下混凝土冲蚀率随着冲蚀角度的增大而增大;(3)在相同冻融次数下混凝土冲蚀率随着沙流量的增大而减小;(4)通过库布齐和腾格里两大沙漠的沙粒冲蚀磨损对比,得出在低角度冲蚀下,库布齐沙粒对混凝土的冲蚀率高于腾格里沙粒的冲蚀率,当冲蚀角度逐渐增大时,腾格里沙粒对混凝土的冲蚀率则逐渐高于库布齐沙粒。4.应用田口正交试验方法进行硫酸盐溶液冻融循环下混凝土受冲蚀侵蚀试验研究,试验得出冲蚀角度对混凝土冲蚀磨损影响程度最大,其次为冲蚀速度、沙流量和硫酸钠溶液冻融循环次数(45次冻融范围内)。

关键词： 冻融循环   表层嵌贴   碳纤维增强聚合物(CFRP)   粘结   埋深  

摘要： 通过18个表层嵌贴CFRP-混凝土拔出试件的试验,考察了不同冻融循环次数下有着不同CFRP埋深的试件的粘结承载力、破坏模式以及CFRP的应变分布等,分析了不同冻融循环次数下嵌贴CFRP-混凝土界面的粘结行为;以及在冻融循环作用下,不同CFRP板条埋深对嵌贴CFRP粘结性能的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的破坏模式由CFRP板的拉断破坏转变为试件粘结界面的破坏,试件的粘结承载力呈下降趋势,冻融侵蚀对CFRP-混凝土界面粘结性能产生了明显的劣化作用;在室温环境下,CFRP埋置深度对CFRP-混凝土界面粘结性能影响不明显;在冻融循环作用下,CFRP板条埋置深度为10mm时,其CFRP-混凝土界面粘结性能受冻融循环侵蚀的劣化作用较其他试件更明显。

关键词： 冻融循环   水化学腐蚀   耦合作用   力学特性   核磁共振  

摘要： 在经受地下水、酸雨等化学腐蚀的寒区岩石工程中,岩石的力学性能、变形特性、破坏特征等都受到冻融侵蚀和化学腐蚀双重作用的影响。岩石的损伤程度、孔隙裂隙变化、是否会发生破坏等均与冻融侵蚀、化学腐蚀及其耦合作用密切相关。为研究岩石在冻融循环侵蚀和化学腐蚀耦合作用下的应力-应变特性及孔隙变化,本文设置了不同水化学溶液和不同浸泡天数的正交试验作为对比,在此基础上做了不同冻融循环次数和不同pH值的正交试验,此后进行岩石的单轴压缩试验、声发射测试、超声波检测以及核磁共振检测。论文主要的研究工作包括:将砂岩放置在三种不同pH值的化学溶液中腐蚀并进行冻融循环试验,在此基础上,进行砂岩的超声波检测,对砂岩的纵波波速变化进行探讨,同时记录试验中出现的参数变化及试验现象。砂岩在经受化学腐蚀和冻融循环作用后,进行核磁共振检测、单轴压缩试验及声发射监测,并探讨了不同腐蚀环境下砂岩的孔隙度、T2曲线变化与应力应变变化之间的关系,结合宏细观角度进行分析。将声发射监测数据与应力-应变曲线相结合进行分析,并从能量角度探讨了与声发射之间的联系。试验结果表明,在单纯化学腐蚀和与冻融循环耦合作用下,随着浸泡天数和冻融次数的增加,砂岩的质量、超声波纵波波速均有不同程度的降低,溶液酸碱性有逐渐往中性靠拢的趋势,在中性盐溶液中砂岩冻融后出现了肉眼可见的裂纹;砂岩的峰值强度、弹性模量不断降低,破坏模式均为劈裂破坏;孔隙度有不同程度的增大,T2曲线第二个峰逐渐发育,T2谱面积逐渐增大;声发射事件率、声发射累计计数逐渐减小,在不同化学溶液腐蚀后,最大声发射事件率对应的应力-应变阶段也不同;砂岩的总输入能量、可释放弹性应变能和耗散能均有一定程度的降低,耗散能随着应力增大经历了缓慢增大、保持不变和迅速增大的过程。在一次冻融循环中,在溶液逐渐冻结时,化学腐蚀作用逐渐降低,同时冻胀力逐渐增大;当溶液溶化时,化学腐蚀作用逐渐增强,冻胀力逐渐消失,两种腐蚀作用此消彼长,共同对岩样的力学性能产生影响。