关键词： 冻融循环   约束   泥质白云岩   力学特性   应力损失  

摘要： 贵州是一个多山的省份,西部基础设施建设越来越多,各种边坡工程、基坑支护、隧道工程等使得原来处于地下的岩石暴露出来,越来越多的劣质岩石进入了人们的视野。在寒区冻融环境条件下的岩体工程中,温度的变化对岩石稳定性影响是一个不可忽视的重要因素。本文以贵州省常见的白云岩为研究对象,研究约束泥质白云岩在冻融循环作用下的力学特性,为寒区岩体工程的设计、施工和维护安全运行提供理论依据,具有重大的现实意义和理论意义。本文是建立在2个主要试验的基础之上,一是传统的冻融循环试验,二是预应力损失观测试验。冻融循环试验取7组岩样,在饱水状态下进行室内快速冻融循环试验,冻结和融化各12小时为1周期,总共循环30周期。在循环过程中,通过观察记录岩样的外观变化情况,并跟踪其质量和纵波波速等物理特性参数;另外对每增加5个循环周期进行了单轴压缩试验,从而获得岩样的单轴抗压强度、单轴压缩弹性模量等力学特性参数,得出了泥质白云岩在冻融循环作用下物理参数和力学参数的变化规律。预应力损失观测试验是本文的一个主要创新点,这个试验中也实现了一种对岩体施加约束的方法。在试样两端放置两块10mm厚的方形钢板,钢板通过4根高强度螺杆连接,通过调节螺栓的松紧来改变施加应力的大小。对这种施加了约束的岩样进行冻融循环试验,在螺杆上贴上应变片,采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3816N静态应变测试系统采集螺杆的应变,其变化规律反应了预应力的衰减规律。试验结果表明:泥质白云岩在冻融循环作用下有明显的损伤劣化现象,岩样纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等参数呈现明显的下降趋势。约束岩体的预应力损失呈现比较明显的规律性,即循环周期的初始段和结束段损失比较明显,中间段变化比较小,本文对这种规律性做了初步的分析探讨,认为预应力会受到岩体自身性质和外部自然环境双重因素的影响。

关键词： 冻融循环   边坡   稳定性   数值分析  

摘要： 我国是世界上冻土分布面积的第三大国。随着工程的建设,将会面临越来越多的寒区边坡稳定性问题。在我国,研究冻融循环对寒区边坡稳定性的影响具有十分现实而重要的意义。本文以黑龙江某露天铜矿岩质边坡稳定性分析为依托,以理论研究和数值分析相结合的手段,展开对季节性冻土地区边坡稳定性评价的研究。借助岩土领域的有限差软件FLAC3D进行应力场、温度场、水分场三场耦合,分析计算了黑龙江露天铜矿岩质边坡在冻融循环过程中的稳定性变化。取得的主要成果与认识如下:1、在分析露天矿边坡特征和水文地质工程地质条件的基础上,提出了影响边坡的稳定性主要因素。利用极限平衡理论,使用Geostudio软件在自然、降水等不同工况下对典型的边破剖面进行稳定性评价,并得出相应的安全系数;2、建立矿坑的三维数值模型,利用强度折减理论,通过使用Flac3D软件对边坡稳定性作出评价,并将得出的结果和极限平衡理论的计算结果进行了对比分析;3、针对矿区的特点,模拟了冻融循环条件对边坡稳定性的影响。冻胀力的存在很大程度上影响了边坡表层的应力和变形,随着季节性冻融循环的不断进行,可能导致边坡发生失稳破坏。

关键词： 冻融循环   正截面承载力   应力-应变曲线   等效矩形应力图   计算方法  

摘要： 混凝土结构作为我国基础建设中的主导结构,至今已普遍应用于很多领域。我国幅员辽阔,并且随着时代的发展,混凝土结构的服役环境也越来越复杂,影响混凝土耐久性的破坏作用也越来越复杂,其中,冻融破坏最为常见。因此,研究混凝土在冻融环境中的力学和变形性能,对充分发挥材料强度、提高设计水平、降低工程造价具有十分重要的意义。本文作为国家自然科学基金项目《冻融循环作用下混凝土及预应力混凝土结构的受力性能研究》(50978224)的后续部分,展开了对冻融循环作用下混凝土材料受压、受拉性能的试验研究,主要工作内容如下：1、对冻融循环作用后的受压应力-应变曲线进行分析,建立了冻融循环作用后混凝土受压的应力、应变与混凝土强度等级和冻融循环作用次数相关的经验公式,并与实测结果进行对比分析,结果较为一致；2、对冻融循环作用后的受拉应力-应变曲线进行分析,建立了冻融循环作用后混凝土受拉的应力、应变与混凝土强度等级和冻融循环作用次数相关的经验公式,并与实测结果进行对比分析,结果较为一致；3、在此基础上,借鉴混凝土等效矩形应力图形的建立方法,得出考虑冻融循环作用次数的应力系数砰的修正公式,并采用《混凝土结构设计规范》(GB/T 50010-2010)的正截面承载力计算方法计算出梁正截面受弯承载力M和柱正截面受压承载力N,并与试验结果进行对比分析,结果较为一致。结果表明,采用前述分析方法得出的计算结果与实测结果较为吻合。通过引入冻融循环作用次数建立的正截面承载力计算公式可以有效地对正截面破坏进行预测。

关键词： 预应力混凝土   冻融循环   预应力变化曲线   耐久性   数值分析  

摘要： 预应力技术的应用使得很多从前难以实现的建筑形态成为可能,因其更能满足人们对大跨度大开间以及美观等要求。例如:位于西班牙的巴塞罗那贸易中心,其长度为70米,其中最长一跨就有23米,属于典型的大跨度结构建筑;位于法国东部斯特拉斯堡的欧洲会议中心,为了同时满足设计师们对结构抗震性能的要求与突出特色的美观要求,就采用楼板中施加预应力钢筋的方法来实现无伸缩缝的环形建筑。预应力结构的优点很多,它的抗裂性好,变形小,还可以通过节省建筑材料从而减轻结构的自重。正是由于预应力的存在,使得很多结构的安全性得到大幅度提高。然而,随着使用时间的增加,预应力结构中的有效应力逐渐降低,当外界环境不利时,预应力的下降会呈现出更快的趋势。混凝土是结构工程中应用范围最为广泛的一种材料。由于混凝土本身为热惰性材料,所以混凝土结构在温度变化下会产生非线性的温度场,这种温度效应对建筑工程的潜在威胁,已经开始被越来越多的学者们所重视。最近,混凝土的耐久性这一话题成为了人们的研究热点,包括混凝土的碳化,化学侵蚀,冻融循环,表面磨损等。其中,结构耐久性的一个重要研究方向就是对混凝土结构在冻融循环作用下的研究。对于预应力混凝土结构,在冬夏交替、冷热往复的自然环境中,导致混凝土弹性模量的下降,为预应力带来不可忽视的损失,使结构的可靠性以及耐久性不能得以保障,极大地威胁到结构寿命的长短,甚至成为结构破坏的主要因素之一。本文重点对预应力钢筋混凝土在冻融循环作用下的预应力损失进行了理论分析与试验论证,通过大量试验数据的积累与分析,绘制不同试验环境下的预应力损失曲线,从所绘制曲线中直观地看出预应力在冻融环境下与非冻融环境下的变化差别,得到冻融环境下额外损失的预应力占总损失的百分比,找寻预应力损失的变化趋势。利用ABAQUS软件进行数值分析,模拟不同强度混凝土对预应力损失的影响,证明试验结果的正确性与可行性,针对冻融循环作用下预应力混凝土结构的预应力损失问题进行深入的探讨与透彻的分析,并对试验结果进行补充。

关键词： 混凝土   循环   试验  

摘要： 我国北方冬季气候寒冷,混凝土结构长期暴露在自然环境中,使得混凝土遭受着较为严重的冻融循环破坏,冻融循环引起的耐久性损伤问题已经不容忽视,试验将研究冻融作用下混凝土性能的变化规律。

关键词： 聚丙烯纤维混凝土   冻融循环   损伤   强度   动弹性模量  

摘要： 冻融破坏是我国北部寒冷地区混凝土结构的主要破坏形式,是由于材料内部正负温度差交替作用而产生的结构劣化现象。普通混凝土因为其抗冻性能较差,在冻融作用下使用寿命大幅度降低,不足以满足寒冷地区混凝土耐久性要求。聚丙烯纤维具有抑制混凝土微裂缝发生及发展等特点,聚丙烯纤维混凝土冻融作用下的抗冻性能是本文研究的重点。在一般情况下,材料内部存在初始损伤,材料的冻融劣化过程实际上就是这种微缺陷、微裂缝发展直至形成宏观裂缝,最终导致材料整体破坏的过程。而损伤力学恰是研究材料微缺陷发生和发展并最终导致材料破坏的过程和规律的学科。所以本文采用损伤力学的理论方法研究纤维混凝土冻融损伤过程及抗冻性能。本文进行了不同纤维掺量的聚丙烯纤维混凝土冻融试验,纤维掺量分别为0%、0.75%、1.5%,当冻融循环次数为25、50、75、100、125、150、175、200时,分别测量不同纤维掺量试件的质量、动弹性模量、抗压强度和三点弯抗折强度,对不同纤维掺量试件冻融损伤程度进行对比分析,并研究了纤维混凝土力学性能随冻融过程的衰减规律。本文基于混凝土损伤力学研究现状,总结国内外学者对混凝土损伤力学的研究,介绍具有代表性的混凝土损伤模型。分析了混凝土冻融损伤机理及聚丙烯纤维对混凝土材料抗冻性能的增益机理。通过混凝土冻融损伤特征的研究,发现冻融损伤从其特征及其作用方式上与疲劳损伤类似,且具有随机性,损伤随机变量满足一定分布规律。本文利用Weibull分布模型,建立材料冻融损伤本构关系,通过试验数据拟合方法,估计模型参数,从而建立不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土损伤模型,并绘制损伤演化趋势曲线。最后根据冻融作用下纤维混凝土力学性能衰减规律,建立冻融作用下纤维混凝土的力学衰减模型,并结合损伤模型探讨了损伤与强度的关系。本文研究结果表明,1.5%纤维掺量混凝土抵抗冻融损伤能力最强,素混凝土最弱;0.75%掺量混凝土抗压性能最差,抗折性能相较于素混凝土有明显提升;1.5%掺量混凝土抗折强度相较于0.75%掺量混凝土变化不明显。总体来看,聚丙烯纤维的掺入明显改善了混凝土抗冻性能,尤其是抵抗冻融损伤的能力。

关键词： CFRP   表层嵌贴   冻融循环   影响因素   粘结性能  

摘要： 近年来,碳纤维增强塑料(CFRP)加固混凝土结构得到了飞速的发展,相比表面粘贴CFRP加固方法而言,表层嵌贴(Near Surface Mounted,简称NSM)CFRP加固技术具有材料利用率高、耐久性能好等显著优势,在工程加固领域具有很好的应用前景。然而CFRP-混凝土的界面粘结失效机理至今没有得到很好的解释,特别是冻融循环作用下的粘结失效机理更是鲜有报道,很有必要对其开展相关研究。为此,本文进行了33个CFRP-混凝土试块的单剪试验,通过考察冻融循环次数、混凝土性能、CFRP板粘结长度、槽壁厚度以及埋深等试验参数,研究了冻融循环作用下表层嵌贴CFRP-混凝土极限荷载、破坏形态、粘滑曲线、粘结失效机理等。研究结果表明:1.随着冻融循环次数的增加,C30混凝土强度逐渐降低,而C60混凝土强度却有所增加,但其增长率逐渐降低,表明冻融循环作用下C60混凝土存在二次养护效应。2.随着冻融循环次数的增加,粘结试件的破坏模式逐渐由CFRP板条拉断破坏转变为树脂胶-混凝土界面和CFRP-树脂界面剥离破坏,且极限荷载均有所降低。表明冻融循环对粘结试件造成了明显不利影响的同时,也说明其对树脂-混凝土的界面损伤率大于CFRP-树脂胶。而提高混凝土强度可以显著改善树脂胶-混凝土的抗冻融性能。3.经过冻融循环后,40mm槽边距试件薄壁混凝土发生剥落的程度明显增加,极限荷载也显著降低,表明冻融侵蚀环境下的最小槽边距应该大于40mm。此外,相比300mm粘结长度,冻融环境下粘结长度取250mm时CFRP板的强度利用率也较高,而粘结长度取450mm(4.5mm厚CFRP)时的界面粘结性能则出现明显降低。4.室温环境下CFRP板条埋置深度变化对界面粘结性能没有较大影响,经历冻融侵蚀作用后,CFRP板三面粘贴时试件不会遭受较大侵蚀,而CFRP部分外露对试件界面粘结性能有较大影响。5.分析了冻融循环对表层嵌贴CFRP-混凝土界面粘结滑移本构关系的影响,建立了考虑冻融侵蚀作用的粘结承载能力计算模型。

关键词： 混凝土   冻融循环   损伤劣化   CT   ANSYS   数值模拟  

摘要： 混凝土作为一种常见的多相复合材料,因其所具有的较多优点,而广泛应用于各工程领域。有研究表明钢筋腐蚀、冻融循环以及侵蚀环境的物理化学作用是影响混凝土耐久性能的三个重要因素,其中冻融循环对混凝土耐久性的影响愈来愈被人们所重视。特别是在我国西部寒区,冻融循环作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一。因此,深入研究混凝土冻融损伤破坏过程具有非常重要的理论价值和工程实际意义。论文以西部寒区混凝土材料为研究背景,将混凝土冻融循环试验、宏观力学试验和细观CT扫描试验相结合,对混凝土材料在冻融循环下的破损机理开展研究,并利用有限元ANSYS软件对冻融循环下混凝土进行了数值模拟。以期更为深入地研究混凝土冻融损伤劣化机理以及破坏规律,为寒区重大工程冻融灾变预测和防治提供较可靠的试验与理论依据。论文研究的主要内容如下:(1)对制备的混凝土试样进行冻融循环试验,并对不同冻融循环次数下的混凝土试样进行单轴压缩试验以及三点弯曲试验。通过研究混凝土弹性模量、抗压强度、抗弯强度、应力-应变等力学特性的变化规律,探索了混凝土的宏观力学性能与不同冻融循环次数的变化规律;(2)应用CT技术对冻融循环下混凝土试样的破损全过程进行追踪,获得了不同冻融循环次数下混凝土细观结构变化特征。通过运用图像处理技术初步分析了冻融循环下混凝土细观损伤扩展的演化过程;并以图像中CT均值的变化为基础,建立了基于细观统计力学的损伤变量与冻融循环的关系曲线,以此对冻融循环条件下混凝土细观结构的损伤演化规律及破损机理进行了定量研究;(3)利用有限元ANSYS软件对冻融循环下混凝土试样进行了数值模拟,并对不同冻融循环次数下混凝土的温度场分布云图以及温度应力分布云图进行了分析,进而验证了数值模拟的可行性。

关键词： 天然盐渍土   盐-冻胀   水盐迁移   温度变化   抗剪强度  

摘要： 选取罗布泊地区S235沿线不同公里处天然盐渍土为研究对象,进行盐渍土基本性质试验,并利用自制冻融循环设备进行冻融循环试验,探究冻融循环条件下盐渍土的盐-冻胀变化规律、土体内部温度变化规律、水盐迁移规律及抗剪强度变化规律。试验结果表明:473Km处含砂低液限黏土含盐量为5.89%,属强氯盐渍土;532Km处低液限黏土含盐量为3.58%,属亚硫酸盐渍土。洗盐后盐渍土的细颗粒含量明显多于洗盐前,盐渍土液塑限均较洗盐前大。对选取的含砂低液限黏土和低液限黏土进行冻融循环试验,在冻融循环条件下两种土样在冻融循环前五次盐-冻胀累加性明显,第六、七次累加性减小甚至有回落现象。含砂低液限黏土累积盐-冻胀量约7.61mm,低液限黏土累积盐-冻胀量约2.87mm,含砂低液限黏土盐-冻胀量最大值明显大于低液限黏土,且具有更明显的盐-冻胀累加性。低液限黏土对升温过程相对敏感,溶陷发生所需时间短,含砂低液限黏土溶陷发生时间相对较长。冻融循环过程中温度变化规律是:上部土层温度变化幅度较大,下部土层温度变化幅度较小,温度波动曲线基本呈抛物线型。含砂低液限黏土由于水分重力场作用大于温度场作用使水分上移不明显,但在温度场作用下盐溶液聚流上升至冷端并析出盐晶体,使盐分向上迁移较明显。升温过程中由于盐分和土颗粒形成胶结体阻断水盐下移通道使低液限黏土水盐向上迁移表现显著。含砂低液限黏土黏聚力沿土层不同高度呈反“S”型分布,随冻融次数增加,1、2、3层黏聚力逐渐增大,4、5、6层黏聚力变化不大;低液限黏土各土层黏聚力随冻融循环次数增加有减小趋势,且顶层黏聚力小于底层。含砂低液限黏土和低液限黏土内摩擦角沿土层不同高度均呈“3字”型分布。