关键词： 冻融环境   再生混凝土砖砌体   抗剪强度衰减模型   孔结构   试验研究  

摘要： 本文报导了对冻融循环作用下96个再生混凝土砖砌体抗剪试件进行的沿通缝抗剪试验。研究涉及冻融循环对再生混凝土砖砌体抗剪力学性能的影响,对比分析不同胶结材料试件的破坏形态及其抗剪强度,揭示冻融损伤对再生混凝土砖砌体抗剪强度的影响规律,并从微观角度探讨砂浆孔隙变化对砖砌体抗剪承载力的影响,建立再生混凝土砖砌体抗剪强度冻融损伤衰减模型。结果表明:砖砌体抗剪强度受冻融环境影响非常明显,其抗剪强度随冻融循环次数的增加而降低,降低的速度呈现出先慢后快的趋势;粉煤灰的加入有助于改善冻融环境下砖砌体的抗剪能力;对于石灰砂浆抗剪试件,初期的抗剪能力及冻融后的抗剪能力均下降;建立了考虑冻融损伤影响的砖砌体抗剪强度衰减模型,试验数据与计算结果吻合较好。

关键词： CA复合胶浆   冻融循环   本构方程   损伤   力学性能   孔隙结构  

摘要： 水泥沥青复合胶浆(简称CA复合胶浆)是由水泥、乳化沥青及多种外加剂经过胶结硬化形成的一种有机-无机复合胶结材料。目前CA复合胶浆主要应用在高速铁路板式无砟轨道结构及半柔性路基路面材料之中。冻融循环作用会影响到CA复合胶浆的宏观力学性能,进而影响到水泥沥青复合砂浆及半柔性路面材料的服役性能。随着我国高寒地区哈大高铁的开通,CA复合胶浆的冻融耐久性问题已成为目前研究的重点。鉴于以上的工程背景,本文的主要研究内容如下。首先,建立了CA复合胶浆的粘弹性本构模型及方程,确定了冻融作用下CA复合胶浆力学性能的试验方法。推导了CA复合胶浆的复模量及蠕变柔量的表达式,确定了CA复合胶浆的材料配比。研究确定了CA复合胶浆静态力性能、动态力学性能及冻融循环的试验方法,分析了快速冻融条件下CA复合胶浆相对动弹模量及质量损失规律。其次,建立冻融作用下CA复合胶浆的静态本构方程,分析了冻融循环、温度及配比等因素对其力学性能的影响规律。基于不同冻融次数与温度下CA复合胶浆的蠕变试验,结合广义Kevin模型及分数导数模型建立了本构方程,分析了材料瞬时弹性模量、粘弹比例系数等材料性能参数随冻融次数的变化规律,分析了温度及材料配比等因素对CA复合胶浆力学性能的耦合影响。再次,基于动态频率扫描试验,建立了冻融作用下CA复合胶浆的动态本构方程,分析了动态力学性能的影响因素,采用分数导数模型及3链Kevin模型描述实际频率范围内材料动态力学行为,分析瞬时弹性模量、粘弹比例系数的变化趋势;采用13链Kevin模型描述扩展频率范围内材料动态力学行为,分析瞬时弹性模量、相位角等参数的变化规律。研究了温度及材料配比等因素对CA复合胶浆动态力学性能的影响。最后,建立了CA复合胶浆蠕变损伤的本构方程,分析了冻融循环作用下孔隙结构的演化规律。研究了考虑材料损伤条件下材料力学性能参数的变化规律,分析得到了CA复合胶浆力学性能参数随冻融次数变化的预测公式。采用压汞试验分析了CA复合胶浆经过冻融循环作用后孔隙结构变化规律,初步分析了冻融循环作用下CA复合胶浆宏观力学性能的演化机理。

关键词： 混凝土   钢纤维   冻融循环   力学性能   破坏机理  

摘要： 在我国北方寒冷地区,由于气候变化所产生的正负温度交替现象,使冻融破坏成为混凝土结构物的主要病害之一,严重影响了混凝土结构的安全使用和长期运行。混凝土的抗冻性能是评价混凝土耐久性的重要指标之一,长期的冻融循环作用会导致混凝土的耐久性严重下降,进而混凝土的力学性能也将发生严重的衰退。而在混凝土中掺入适量钢纤维能有效改善混凝土的抗冻耐久性,并提高混凝土在冻融循环作用下的力学性能。随着我国国民经济的飞速发展,钢纤维混凝土的应用已经逐渐推广开来。因此,研究钢纤维混凝土的力学性能具有重要的实际意义。本文通过理论分析和试验研究,主要完成的工作内容如下:1、本文制作了钢纤维掺量分别为0、0.75%、1.5%的钢纤维混凝土试件,并对混凝土试件进行了冻融循环试验,分别进行了0次、50次、100次、150次和200次冻融循环,冻融循环每进行50次,测量一次混凝土试件的质量损失和动弹性模量,并绘制冻融循环次数与质量损失、相对动弹模量的变化曲线。结果表明,随着钢纤维掺量提高,混凝土抗剥蚀能力随之增强,钢纤维起到了增韧、阻裂的效果。2、进行冻融循环试验之后,对冻融作用后的钢纤维混凝土试件进行立方体抗压强度试验和棱柱体抗折强度试验,观察混凝土试件的破坏形态并记录试件的抗压强度、抗折强度数据,绘制不同钢纤维掺量的混凝土试件的抗压强度、抗折强度与冻融循环次数的关系曲线,分析钢纤维体积掺量及冻融循环次数对混凝土的力学性能的影响。结果表明,冻融初期,掺入钢纤维对混凝土抗压、抗折强度影响较大,但随着冻融循环次数增多,钢纤维对混凝土力学性能影响较小。3、通过以上试验结果和理论分析,研究钢纤维的掺入对混凝土抗冻耐久性的影响,并分析钢纤维混凝土的冻融破坏机理,建立了冻融损伤模型,为建立钢纤维混凝土的抗冻耐久性能指标提供理论依据。

关键词： 季节性冻土   冻融循环   水热力三场耦合模型   变形机理   方案优化  

摘要： 随着城市地下空间开发与利用,开挖深度大、平面形状复杂的深基坑数量不断增加,而深大基坑经常面临因施工周期长出现越冬的问题.由于现有基坑支护设计规范中并未考虑冻融作用的影响,依照规范施工,可能会造成支护结构和基坑土体的过大变形,甚至破坏失稳.虽然这一问题已引起人们的重视,但从机理上的研究尚未深入,尤其对于季节性冻土地区.由于考虑冻融作用的基坑土体应力场-温度场-渗流场三场间耦合作用与基坑土体支护方案优化的研究相对较少,所以研究冻融循环作用下基坑变形机理及支护方案优化是十分必要的.论文以毗邻沈阳市政府的东森CBD商务广场二期基坑工程为背景,以冻土力学、热力学、渗流力学、基坑工程学等相关知识为理论基础,通过室内土工试验、冻土三轴试验、土体冻融特性试验获得土层基本参数,并总结了季节性冻土在冻结和融化过程中,土体参数和力学性能随不同物理状态条件(围压、冻结温度、冻融循环)下各变量(含水率、孔隙比、干密度、压缩模量、弹性模量、强度等)的变化规律,为数值模型的构建和数值计算提供基本参数；采用冻融试验中考虑冻融作用影响所获得的土层参数,建立考虑冻融作用影响的水热力三场耦合数值计算模型,得出考虑冻融作用的基坑变形规律；设计基坑模型实验模拟冻融循环作用下基坑在越冬过程中的温度环境,揭示基坑支护在冻融作用下的变形和内力规律,并将模型实验结果与数值计算结果进行对比,验证考虑冻融循环作用影响的水热力三场耦合模型预测基坑变形规律的正确性,实现了考虑土体冻融循环作用的水热力三场耦合分析,从理论上完成了季节性冻土区冻融循环与水-热-力耦合作用下基坑变形规律研究，对于越冬基坑的支护方案优化具有理论和应用价值.通过系统研究沈阳季节性冻土地区基坑变形机理及支护方案优化,得出以下主要结论：(1)最佳含水率是含水率在冻融循环中对压缩模量影响程度的界限标志：当小于最佳含水率时,首次冻融循环后压缩模量降低幅度较大；当大于最佳含水率时,压缩模量受含水量影响不明显：随着冻融循环次数的增加,弹性模量先降后增,第1次冻融后的变化幅度最大,经历5-9次冻融循环后,弹性模量降到最低点,并趋于稳定.(2)冻融作用对孔隙比随着含水率的增大先减后增的规律基本无影响,冻融后土样孔隙比减小,干密度的增大会减弱冻融作用对孔隙比影响程度,当干密度增大到一定程度后影响可忽略；试样含水率随着冻融循环次数的增加缓慢增大趋势在冻融循环超过3次后趋于稳定；随着冻融次数增加,粘聚力c呈现降低的趋势,而内摩擦角φ有增大趋势；(3)初次冻融循环对土的结构性扰动最大,多次冻融循环后土样强度有所恢复.当围压较小时,冻融后土的强度损失较大,随着围压提高,受冻融影响不明显；含水率的提高会使应力—应变曲线由硬化型向弱软化型转化,在高围压条件下尤为显著；冻结温度条件对土样冻融后的破坏强度影响显著,土样的破坏强度,在经历5-7次冻融后强度会达到最低值,建议沈阳地区冻土工程设计时可参考冻融循环7次时的力学指标；(4)通过基坑模型实验得出：桩的埋深对腰梁位移影响显著,整体趋势为埋深越浅,腰梁位移越大,支护结构越不稳定；在冻融循环下桩间和桩后土压力分布随桩的埋深不同差异显著：埋深越浅土压力分布越复杂,随冻融循环土压力不规则波动；桩间和桩后土压力随土温变化显著,在冻融循环前期、中期土温度较为稳定,但土压力波动明显；在冻融循环后期土压力基本稳定,温度也无较大改变；桩后土压力分布随深度不同分布规律不同.(5)建立了考虑冻融作用的三维数值模型,对越冬基坑降温过程进行数值模拟,从数值计算结果云图中显示,从0℃降至-10℃的降温过程的基坑位移量最大,基坑的变形受温度影响在基坑阳角处最为明显.整个降温过程中基坑最大位移量先减后增,但幅度较小.温度变化对于内力的影响相对较小.(6)提出基于冻融作用影响下基坑变形规律的基坑支护优化方案,根据土体冻融特性试验,获得考虑冻融作用后的土层参数,建立考虑冻融作用的数值分析模型,通过现场监测证明变形控制效果较好,对于指导季节性冻土地区基坑工程实践具有一定应用价值和参考意义.

关键词： 膨胀土   冻融循环   直剪试验   体积变化   干密度   含水率  

摘要： 我国南水北调中线工程沿线的部分膨胀土渠道处在季节性冻土地区。为了探究冻融循环对膨胀土抗剪强度和体积变化的影响规律,对经历冻融循环的膨胀土和非膨胀性黏土试样进行尺寸测量和直剪试验。试验结果表明:在冻融循环初始阶段,土体抗剪强度的降低较为明显,随后由于含水率的降低,土体的强度逐渐增强;在冻融循环的过程中,非膨胀性黏土的体积变化表现为"冻胀融沉",而膨胀土的体积变化表现为"冻缩融胀"。干密度的改变不影响膨胀土的抗剪强度和体积变化的规律形态,干密度大的膨胀土最终体缩量较小。采取防蒸发措施的膨胀土在冻融循环前3次抗剪强度逐渐减小,随后趋于稳定,其最终体积几乎不受干缩的影响。

关键词： 大骨料混凝土   冻融循环   双轴动态性能   破坏准则  

摘要： 大骨料混凝土主要用于建造水工结构物,如水工大坝、水闸、船坞等。冻害是影响水工结构物耐久性的重要因素。另外,在水工结构物非线性分析中,要充分考虑混凝土所处的应力状态及其所受荷载的加载速率影响,因为在使用过程中,水工结构物中的混凝土多处于双轴和三轴等复杂受力状态,且一般状态下混凝土所受到的荷载的加载速率通常小于10-5/s,而在地震状况下,其所受加载速率一般在10-4/s10-2/s动态加载范围内。许多学者对大骨料混凝土的力学性能进行了试验研究,主要有单轴应力状态下的静态、动态试验研究,双轴、三轴应力状态下的静态试验研究,但研究多为湿筛混凝土。关于大骨料混凝土的多轴动态试验研究则较少,并且均未考虑冻融循环作用的影响。本文依托清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题——冻融后水工混凝土多轴动态强度及破坏机理研究,对大骨料混凝土进行了冻融循环后动态双轴受压及常态下动态双轴拉压性能试验研究,具体研究内容及结论如下:（1）对大骨料混凝土立方体试件进行了冻融循环试验及动态双轴压缩试验,实测了大骨料混凝土经历不同冻融循环次数后的质量损失、损伤形态,以及不同应力比和应变速率下的破坏形态、极限强度、应力-应变关系曲线。根据试验数据分析了极限强度和变形性能与冻融循环次数、应力比以及应变速率的关系,分别在主应力空间和八面体应力空间建立了冻融循环后大骨料混凝土动态双轴压应力状态下的破坏准则。（2）对常态下大骨料混凝土棱柱体试件进行了动态双轴拉压试验,实测了不同拉压比和应变速率下大骨料混凝土的破坏形态、极限强度和应力-应变关系曲线。根据试验数据分析了极限强度和变形性能与拉压比和应变速率的关系,分别在主应力空间和八面体应力空间建立了大骨料混凝土动态双轴拉压应力状态下的破坏准则。（3）将不同学者对普通混凝土、湿筛混凝土、引气混凝土的双轴极限强度和破坏准则研究成果与本文的试验结果进行对比分析。分析结果表明,大骨料混凝土单轴和双轴抗压强度基本为湿筛混凝土抗压强度的0.7～0.8倍。大骨料混凝土双轴较单轴抗压强度提高幅度小于湿筛混凝土。各类混凝土单轴抗压强度随应变速率提高的幅度均大于双轴抗压强度。冻融循环作用后,普通混凝土与大骨料混凝土双轴抗压强度损失率小于单轴抗压强度损失率。静、动态双轴拉压破坏准则可用直线或二次曲线形式表达。

关键词： 砂岩   冻融循环   物理力学性质   变化规律  

摘要： 随着青藏高原地区煤炭资源的快速开发，其特殊的大温差冻融环境是影响该区露天煤矿边坡稳定性的根本原因，其中冻融循环条件下岩石物理力学性质的劣化是造成岩质边坡崩塌和滑坡的关键因素。因此，研究冻融循环条件下岩石的物理力学性质对于寒区露天煤矿岩质边坡的稳定性分析评价和冻融灾害防治具有重要的理论和工程实践指导意义。　　本文通过室内试验和理论分析的方法来研究冻融循环作用对粗砂岩和细砂岩物理、力学性质的影响，首先对粗砂岩和细砂岩两种岩样进行不同次数的冻融循环试验，然后分别进行一系列的单轴和三轴压缩试验，得到了冻融循环条件下粗砂岩和细砂岩的物理、力学指标变化规律;再此基础上，建立了冻融循环条件下岩石的强度衰减与冻融循环次数、初始孔隙率之间的关系。论文的主要结论如下：　　⑴选取木里露天煤矿边坡钻孔中的细砂岩和粗砂岩两种典型岩石，加工成标准压缩试件（Ф50 mm×100mm），进行开放饱水状态下的冻融循环试验。通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的物理指标分析可知：随着冻融循环次数的增加，两种岩石的纵波波速呈下降趋势，质量、饱和含水率、孔隙率呈上升趋势。主要原因是由于组成岩石的矿物颗粒的热膨胀系数不同导致的不均匀热胀冷缩、水冰相变产生的原位体积膨胀和冻胀压力势导致的水分迁移。　　⑵通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的单轴压缩试验分析可知：随着冻融循环次数的增加，两种岩石的单轴抗压强度、弹性模量呈指数形式减小，泊松比变化较小，峰值应力对应的轴向应变增加。对比粗砂岩和细砂岩的冻融系数可发现，粗砂岩的冻融耐久性相对较差。　　⑶通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的三轴压缩试验分析可知：两种岩石在三轴压缩荷载下的主要破坏形式为剪切破坏，都经历了原生孔隙裂隙的压密闭合阶段、弹性变形阶段、次生孔隙裂隙萌生扩展贯通阶段和峰后破坏阶段;在冻融循环次数一定的条件下，随着围压的增加，岩石的三轴抗压强度、峰值应力对应的轴向应变逐渐增加，表明岩石的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏转化;在围压相同的情况下，粗砂岩和细砂岩的三轴抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低，峰值应力对应的轴向应变逐渐增加。　　⑷通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的抗剪强度指标分析可得：粗砂岩和细砂岩的粘聚力随着冻融循环次数的增加呈指数形式降低，内摩擦角变化很小，这表明冻融循环作用主要影响粗砂岩和细砂岩的黏结强度，而对岩石的摩擦强度影响相对较小。通过摩尔—库伦准则得到两种岩石的三轴抗压强度与冻融循环次数、围压的关系，并将理论值与试验值进行了对比，验证了公式的合理性。　　⑸在冻融循环条件下，粗砂岩和细砂岩的孔隙率、纵波波速与其单轴抗压强度、弹性模量和粘聚力之间仍然存在相关性。基于刘泉声提出的统一损伤变量理论和M. Mutlutürk提出的衰变函数模型建立了岩石强度衰减与冻融循环次数、初始孔隙率之间的关系。

关键词： 钢筋混凝土梁   冻融循环   损伤层   本构关系   受弯承载力   受剪承载力  

摘要： 冻融破坏是导致混凝土劣化最广泛和最普遍的形式之一,冻融循环作用使混凝土由表及里的形成损伤层,最终导致混凝土产生层状剥离破坏。处于北方寒冷地区的混凝土结构受到荷载和冻融的双重作用,结构与构件的承载能力、变形以及延性都将发生退化。论文开展了冻融循环作用下钢筋混凝土梁受弯以及受剪承载性能退化研究,对于冻融环境下混凝土结构耐久性评估具有重要的理论意义和实际意义。本文采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法,对冻融循环作用下钢筋混凝土梁的受弯和受剪承载力进行较为深入的研究。主要内容如下:(1)采用气冻气融模拟试验方法,开展了足尺钢筋混凝土梁的冻融耐久性试验,设计冻融循环次数依次为0次、50次、100次、150次,对遭受不同冻融循环次数的试验梁进行静力加载试验,分析了试验梁的受弯承载力随冻融循环次数的变化规律。(2)基于课题组得到的冻融后混凝土材性试验数据,拟合给出了冻融混凝土应力-应变全曲线上升段的控制参数a、下降段的控制参数b与冻融循环次数N的函数关系;将混凝土截面分为冻融损伤层与未损伤层两部分,利用应变协调的条件确定冻融损伤层与未损伤层的峰值应力、峰值应变。(3)利用ABAQUS有限元分析软件,将钢筋混凝土梁的混凝土截面分为冻融损伤层与未损伤层,对冻融循环作用下钢筋混凝土梁受弯承载力进行了数值分析,结合试验结果分析了钢筋混凝土梁的受弯承载力随冻融循环次数的退化规律;进一步对考虑剪跨比、配箍率、冻融循环次数三种因素的钢筋混凝土梁受剪承载力进行了数值分析,分析了钢筋混凝土梁的受剪承载力随冻融循环次数的退化规律;建立了受剪承载力退化模型,并对模型进行了验证。

关键词： 冻融循环   长期强度   组成结构   相关性分析  

摘要： 我国作为全球第三大冻土国,多年冻土和季节性冻土的分布面积占了全国陆地总面积的2/3。随着国家发展战略规划的推进,冻土工程建设日益增多,但大气温度的周期性变化使得土体的性质发生了较大变化,直接影响到冻土工程地基基础的稳定性。由于冻土的长期强度是判定冻土工程地基承载力与稳定性的基本依据,因此,研究冻融循环作用下冻土的长期强度变化规律及其相关影响因素对寒区工程建设具有极其重要的意义。本研究通过室内试验方法,选取重塑黄土为研究对象进行冻融循环试验,分别对经历不同冻融次数黄土的组成、结构、物理性质及长期强度进行测试,并对各参数与力学指标进行相关性分析,得到影响长期强度变化的关键因素。试验结果表明：反复冻融作用下,样品中砂粒级颗粒数量增多,粉粒级和粘粒级颗粒则略有减少,同时,细颗粒间的小孔隙逐渐转变为粗颗粒间的大孔隙结构,土样的颗粒组成、排列联结发生了明显变化；组成与结构的变化直接影响到了土样的物理性质,反复冻融后黄土的孔隙比增大,密度减小,而液限、塑限以及塑性指数均降低；随着冻融循环次数的增加,冻土的长期强度先增大后降低,前10次的变化幅度较大,其中冻融循环8次时长期强度最大,之后逐渐降低；相关性分析显示,土样颗粒组成与冻土长期强度的相关关系较孔隙结构更为密切,尤其是黏粒百分含量,其与长期强度之间呈极显著负相关,因此,黏粒含量是决定冻土长期强度的关键因素。

关键词： 冻融循环   钢筋与再生混凝土   粘结性能   重复荷载  

摘要： 钢筋与再生混凝土间具备可靠的粘结性能是保证二者协同工作的基础,粘结破坏将直接影响结构整体的安全性。而冻融破坏广泛存在于我国三北地区的桥梁、道路、水工等各类结构中,研究冻融环境下钢筋与再生混凝土的粘结性能是决定再生混凝土能否应用于冻融环境中的关键问题之一。本文完成21组63个试件的单向拉拔试验,以再生粗骨料取代率r?0%、30%、50%为试验变量设计对比试验,研究其在经历0次、50次、100次、150次、200次、250次及300次快速冻融循环作用后粘结性能的退化规律,分析其极限粘结强度、界面粘结强度、粘结刚度等评价粘结性能的指标随冻融循环次数的退化规律,并对比三种混凝土的异同,在此基础上给出一种经历冻融循环后再生混凝土临界锚固长度的取值建议方法。为研究经历冻融循环作用后钢筋与再生混凝土的粘结应力分布状况,完成3组9个钢筋内贴应变片试件的单向拉拔试验,测试得到经历200次冻融循环的三种再生骨料取代率的再生混凝土与钢筋在不同荷载水平下的粘结应力的分布状态,并通过建立粘结应力位置函数比较不同类型混凝土与钢筋粘结应力分布的异同及原因。此外,鉴于受冻融影响严重的桥梁、道路及某些水工等实际工程结构往往承受动力荷载,而动力荷载本身便是加速钢筋与混凝土粘结性能退化的因素,因此本文完成4组12个试件的重复加载拉拔试验,以研究在动力荷载和冻融循环耦合作用下钢筋与再生混凝土的粘结性能退化规律,试验中以再生骨料取代率为50%和冻融循环次数为0次、100次、200次及300次作为试验变量,在重复荷载作用下的拉拔试验,通过引入重复荷载加速损伤系数的概念对比其与单向加载时粘结性能随冻融循环次数增加的退化规律,并简要分析其损伤机理。基于本次试验所配的引气再生混凝土,本文较为成功地完成了各项试验内容,得到考虑冻融作用影响的粘结-滑移曲线,通过对大量试验数据的分析比对,对冻融循环后钢筋与再生混凝土的粘结性能的退化规律及其破坏机理有了一定的判断和认识。