关键词： 冰碛土   细粒含量   冻融循环   三轴压缩试验   SEM电镜扫描  

摘要： 冰碛土是冰川退缩过程中形成的一种独特的地貌现象,广泛分布于高纬度和高海拔地区。受高寒山区特殊气候的影响,土体冻融作用显著,区域内的冰碛土在冻融循环作用后土体性质发生劣化,强度降低,稳定性变差,由此引发的地质灾害和工程问题日渐增加,严重威胁高原地区工程建设。但目前的研究多针对某一单因素对冰碛土性质的影响,关于冻融作用下不同细粒含量冰碛土性能演化的研究较少,因此,本文基于实地科考,对不同细粒含量的冰碛土进行试验研究,探索不同冻融次数下冰碛土物理力学指标的变化规律,为季节性冻土区的地基稳定性评估提供准确的力学参数,有助于全面深入理解冰碛土这一特殊土壤类型,为高寒山区的灾害防治技术发展奠定更为科学的理论基础。 本研究中以日喀则市昌岗错冰湖周围冰碛土为研究对象,通过室内试验探究细粒含量、冻融循环次数等因素对冰碛土渗透性能、应力—应变曲线、粘聚力、内摩擦角的影响规律;同时,采用SEM扫描电镜对冰碛土孔隙结构进行观测,从微观角度分析土样物理性质改变的原因,并在此基础上通过灰色关联法与多元回归分析建立不同土体宏观力学参数随微观结构参数变化模型。基于试验数据的分析,主要研究工作和成果如下: (1)通过常水头法测算出不同初始条件下冰碛土土样的渗透系数,探讨了围压、细颗粒含量、冻融循环次数等因素对冰碛土渗透性能的影响规律。随着围压的增加,土体的渗透系数总是呈现持续减小的趋势;与此同时,细粒含量的增加也会导致土体渗透系数的减小,而冻融循环次数的增加会导致土体渗透系数变大。这一过程中,初次冻融对土体渗透性能的影响最为明显,随着冻融次数的增加,土体对冻融作用的适应性增强,使得进一步的冻融循环对渗透性能的影响有所减弱。通过单因素的显著性分析表明,冻融循环次数对土样渗透性能的影响最大,其次是初始细粒含量对渗透性能的影响,而围压对渗透性能的影响表现出不显著,考虑交互作用的显著性分析计算结果表明,冻融循环次数和细粒含量的交互作用对渗透性能有显著的影响。 (2)基于室内三轴压缩试验研究冻融循环作用下冰碛土的力学变化特征,分析冻融循环作用下不同土体应力-应变曲线、抗剪强度及黏聚力、内摩擦角的变化规律。冻融循环后土体抗剪强度与围压、冻融循环次数和细粒含量有关。围压越大,土样抗剪强度越大。在未冻融情况下,细粒含量为10%的冰碛土的抗剪强度高于其他细粒含量冰碛土,在细粒含量1%～10%时,抗剪强度值随着细粒的增加而变大,而当细粒含量继续增加的时候,反而强度会下降。经历冻融循环作用后,冰碛土的抗剪强度均呈现下降趋势,其中内摩擦角在19.3°至22.72°范围内变化,虽整体表现出下降的趋势,但随冻融次数增加波动相对较小。而黏聚力波动较大,在未经历冻融循环前,细粒的增加可以显著提高土体的黏聚力,而多次冻融循环后,黏聚力急剧下降,土体更加松散。 (3)利用SEM扫描电子试验对土样微观结构进行拍照,并基于PCAS软件对土样微观结构图像进行处理,确定并提取图像中的微观孔隙结构信息。总结规律如下:细粒含量增加,孔隙分维度值会随之增加。而冰碛土的细粒含量越少,孔隙的概率熵越大,其孔隙率也越大,土壤中的孔隙分布更不均匀。特别是初次冻融后,面孔隙率上升最快,随着循环次数的增加,最终会趋于稳定。在经历冻融循环作用后,孔隙排列变得比初始状态更加不规则和复杂,土体结构受到破坏,冻融次数的增加会令孔隙的有序性有所回升。并基于试验已取得的冻融作用下土体宏观物理性质与微观孔隙结构变化研究成果,结合灰色关联法,找出了与宏观参数变化最相关的微观孔隙参数,建立了宏、微观参数之间关系模型,进一步解释土体力学性质劣化的微观原因。

关键词： 冻融循环   膨胀土   橡胶纤维加筋土   剪切强度   骨干曲线  

摘要： 季节性冻土在我国的西北、东北和中部地区广泛分布,其冻融循环作用严重威胁着季节性冻土地区工程建筑的服役年限。同时,交通运输业的高速发展导致大量的轮胎报废,目前缺乏高效的方法回收利用废弃轮胎。近年来,应用废弃轮胎中的橡胶作为改良问题土的材料取得了广泛的研究,这不仅可以改良土体的性能,而且为回收利用废弃轮胎找到方法。此外膨胀土由于其吸水膨胀,失水收缩特性而成为典型的工程性质不良的问题土。因此,本文在膨胀土中掺入橡胶纤维,以期望改良膨胀土在冻融循环作用下的表现,围绕橡胶纤维加筋膨胀土进行了一系列的试验与理论研究。 本文以橡胶纤维加筋膨胀土为研究对象,对不同橡胶纤维掺量的膨胀土进行了静三轴试验,对经过冻融循环的橡胶纤维加筋膨胀土进行了静三轴和动三轴试验。分析了冻融循环下橡胶纤维加筋膨胀土的剪切强度、弹性模量、骨干曲线、滞回曲线等特征,并建立了橡胶纤维加筋膨胀土的强度准则。主要工作内容及结论如下: (1)对经过冻融循环的橡胶纤维加筋膨胀土进行了静三轴试验,对比分析了橡胶纤维加筋膨胀土与素土在冻融条件下的力学参数差异。研究表明掺入橡胶纤维降低了冻融循环对膨胀土剪切强度和弹性模量的影响。随着冻融循环次数的增加,橡胶纤维加筋膨胀土的剪切强度和弹性模量的变化较小;而素膨胀土的剪切强度和弹性模量随着冻融循环次数增加显著降低。建立了劣化参数以表征冻融循环对土强度的影响,橡胶纤维加筋膨胀土的劣化参数值为0;而素膨胀土的劣化参数值根据前人的研究得到为0.336和0.275。此外,建立了冻融循环后偏差应力-轴向应变曲线的计算模型,可以较好的描述出橡胶纤维加筋膨胀土和素膨胀土的偏差应力-轴向应变行为。 (2)对经过冻融循环的橡胶纤维加筋膨胀土进行了动三轴实验,分析了冻融循环作用对橡胶纤维加筋膨胀土的动力特性的影响。研究表明橡胶纤维加筋膨胀土的动应力幅值和动弹性模量随着冻融循环次数的增加先降低后升高,在第6第冻融循环时达到最小值(动应变幅值为2%时,动应力幅值衰减59.4%;动应变幅值为1%时,动弹性模量衰减52.2%)。橡胶纤维加筋膨胀土的阻尼比随着冻融循环次数的增加先升高后降低,在第6次冻融循环时达到最大值(动应力幅值为30k Pa时,阻尼比增强99.8%)。应用线性粘-弹性模型描述了橡胶纤维加筋膨胀土的滞回曲线,线性弹性元件的弹性模量和线性粘性元件的粘性系数随着冻融循环次数的增加先降低后升高,在第6次冻融循环时达到最小值(动应变幅值为0.5%时,线性弹性元件的弹性模量衰减49.6%;动应变幅值为2%时,线性粘性元件的粘性系数衰减53.1%)。建立了橡胶纤维加筋膨胀土动应力-动应变曲线的计算方法,可以较好的描述出橡胶纤维加筋膨胀土的动应力-动应变行为。 (3)考虑橡胶纤维方向分布的各向异性建立一种橡胶纤维加筋膨胀土强度的计算方法。理论分析表明在三轴压缩试验中,趋向于水平方向分布的纤维对土强度的改良效果更好;反之,在三轴拉伸试验中,趋向于垂直方向分布的纤维对土强度的改良效果更好。压实纤维加筋土的过程导致纤维趋向于水平方向分布,这表征了纤维方向的各向异性。采用一系列三轴试验结果验证了纤维加筋土强度准则的合理性,表明强度准则是有效的。

关键词： 盐渍土   复合材料固化   干湿-冻融交替循环   木质素-纤维-聚合物   裂隙特征   微观机制  

摘要： 土体盐渍化是威胁生态系统的主要土体退化过程,被认为是威胁全球干旱和半干旱地区农业生产和可持续性的最重要问题之一。吉林西部盐渍土地区作为世界三大碳酸盐盐渍土分布区之一,该地区气候干旱,降雨量少,蒸发强烈,温度波动大,而且又处于中厚层季节性冻土区,最大季节性冻土深度可达180cm。以上环境因素导致盐渍土极易受到周期性降雨蒸发和冻结融化的影响,从而改变土体的物理性质和结构,对地区工程建设产生严重的负面影响。因此,系统研究干湿-冻融循环交替作用对盐渍土的力学性质和裂隙变化规律的影响,一方面有助于揭示吉林西部乾安地区碳酸型盐渍土边坡的致灾机理,另一方面可以为该地区的盐渍土治理和防治土体灾害提供科学依据,对工程保护和地质灾害防治具有重要意义。 本文以吉林西部乾安地区水渠段盐渍土作为研究对象,通过多种绿色可持续固化材料协同固化盐渍土,旨在改善盐渍土的不良工程性质。并且结合半干旱地区和季节性冻土区的自然环境因素,研究了盐渍土在长期性干湿-冻融循环交替作用下的力学性能。结合多种疏水性测试试验、微观结构特征试验、分散性特征试验和静水崩解试验,测试了复合固化盐渍土的疏水性和崩解性。最后,通过模拟研究区的自然环境作用,系统地研究了盐渍土在干湿-冻融循环交替作用下的裂隙变化规律和劣化机理。本文的主要研究内容及成果如下: （1）通过文献调研、工程概况、野外调查取样和室内试验,综合分析了吉林西部乾安地区盐渍土的物质组成及物理化学性质。研究结果表明,该地区盐渍土以粉粘粒为主,粘土含量高达26.84%,比表面积大,土体中易溶性盐含有丰富的可交换阳离子,其中以Na+为主,阴离子以HCO3-为主,易溶性盐的总量为0.404%,土体呈弱碱性,属于碳酸型盐渍土。研究土样的原生矿物主要为石英、长石、白云石和方解石,粘土矿物约占总矿物含量的12%,主要为伊蒙混合层。 （2）提出了一种新型无磺木质素、玄武岩纤维和疏水聚合物协同固化盐渍土的改良方法。首先试验得出单一材料固化下无磺木质素、玄武岩纤维和疏水聚合物的最优含量分别为10%、0.2%和8%,对应的强度增加率分别为56.33%、45.16%和32.54%。基于单因素结果设计了复合固化盐渍土试验方案,并通过响应面法建立了复合固化材料含量与盐渍土的无侧限抗压强度的力学性能回归模型,优化后得到复合固化土的最佳配比为9.87%、0.24%和6.29%,强度提高率为98.87%。采用三种材料协同固化盐渍土能够改善材料与盐渍土的力学性能,同时提升了复合固化盐渍土的抗劣化作用。 （3）基于响应曲面法得到的最优复合配比下的固化盐渍土作为研究对象。通过一系列疏水性测试试验和微观结构特征试验对复合固化盐渍土的疏水性能和物理化学性质进行研究分析,并通过分散性特征试验和静水崩解试验探究了复合固化土的水稳性。最后将这些表征结果与水稳性相关联,并探讨了复合固化土的固化机理。无磺木质素和疏水聚合物通过疏水基质和阳离子交换机制增强了盐渍土的颗粒团聚和微结构强度。土体颗粒和木质素表面的亲水基团（-OH）被疏水基团（-CH3）取代,提高了土体的抗侵蚀性和耐久性。复合固化材料形成胶结团聚体和颗粒簇共同改善了土体的内部结构和微孔隙特征。 （4）考虑自然环境因素对复合固化土力学性能的影响规律,开展了基于干湿-冻融循环交替作用下的固结不排水三轴压缩试验。对不同干湿冻融循环次数下复合固化盐渍土的应力-应变关系、变形模量、破坏强度和抗剪强度参数进行了回归分析。提出了复合固化土与素土的偏应力比值作为固化效应系数,进一步分析了干湿冻融循环次数和围压对固化效应系数的影响,而且建立了干湿冻融循环和围压的归一化应力-应变关系和强度预测模型。相同干湿冻融循环次数下,复合固化盐渍土的破坏强度相较素土提高了85.27%,破坏强度比（R_n）提高了50.54%,同比情况下破坏强度提高率与围压呈正相关关系。干湿冻融循环次数与固化效应系数Rσ呈正相关的趋势,最高约为1.85倍。此外,基于双曲线模型参数拟合方法,分析了干湿冻融循环次数和围压对相应模型参数的影响,并建立了相应的表达式。采用极限偏应力（σ1-σ3）ult作为归一化系数,可以更好地预测应力应变关系。 （5）进一步探究了干湿-冻融循环交替作用对复合固化盐渍土裂隙特征的影响规律及微观作用机理,并基于干湿冻融循环交替作用下分别对素土、复合固化土以及单一材料固化土进行了室内裂隙试验,着重讨论了不同试样的裂隙特征。此外还采用了数字图像处理技术对试样的宏观裂隙和微观孔隙进行一系列的量化分析。结果表明,干湿冻融循环交替作用导致土体的体积、应力和水分发生改变,造成土体的持续的收缩和冻胀而形成微裂隙,而干湿和冻融循环相互作用加剧了土体的裂隙发展。此外,固化材料对抑制裂隙发展具有积极作用,无磺木质素通过团聚粘土颗粒并填充孔隙,玄武岩纤维充当土体内部骨

关键词： 冻融循环   稻壳灰   硅灰   水泥基材料   力学性能   能量分析   微观机理  

摘要： 在寒冷区域,冻融破坏是影响建筑结构耐久性的主要因素之一。在冻融循环作用下,水泥基材料中孔隙水重复着液态-固态-液态的交替转化,使得材料内部结构出现交替应力,产生裂缝,导致建筑结构的强度和刚度不断下降。产生的裂缝还会使建筑结构中的钢筋发生锈蚀、碳化和化学腐蚀,从而造成维护成本提高,使用寿命缩短。此外,随着建筑行业的不断发展,自然资源越来越少,将工业废弃物使用于水泥基材料中也越来越普遍。用稻壳灰替代硅灰制备水泥基材料可将稻壳固体废弃物进行再利用。因此,研究冻融循环下稻壳灰-硅灰水泥基材料的力学性能具有重要意义。 本文以稻壳灰-硅灰水泥基材料为研究对象,首先对不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆的流动度、密度和纵波波速等物理性能进行分析;然后通过静态单轴压缩试验和动态SHPB试验,分析了养护龄期和冻融循环作用对不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆静态抗压性能的影响,探讨了冻融循环作用下不同掺量稻壳灰-硅灰水泥砂浆的动态冲击性能;最后结合SEM试验、XRD试验和孔结构试验从宏观和微观两个方面揭示了冻融循环条件下稻壳灰-硅灰水泥砂浆的冻融损伤机理。主要研究结论如下: （1）在冻融循环作用下,随着稻壳灰替代硅灰比例的增加,水泥砂浆的纵波波速先增加后降低;当稻壳灰替代硅灰比例达到50%时,试件的纵波波速最大。这是由于稻壳灰和硅灰的加入填补了试块内部孔隙,从而增强了颗粒间的粘结作用,有效地缓解了冻融循环作用下孔隙水的相变交替转化对试件所造成的损伤,加快了波速的传播。 （2）不同龄期下稻壳灰-硅灰水泥砂浆的应力-应变曲线为具有屈服阶段的单峰曲线,均经历了压密、弹性、裂缝开展以及破坏四个阶段。随着龄期的增长,破坏阶段下降段曲线斜率逐渐增加,表现出脆性的特征。稻壳灰和硅灰的掺入,有效减缓了应力集中导致的试件快速破坏现象,提高了试件的抗压性能。 （3）稻壳灰替代硅灰可以明显改善水泥砂浆的抗冻融性能。在冻融循环作用下,随着稻壳灰替代硅灰比例的增加,试件的抗压强度、弹性模量、吸收能和弹性能均呈现先增加后降低的趋势;当稻壳灰替代硅灰的比例达到50%时,效果最佳;此时,试件内部的裂纹和孔隙数量较少,破坏程度最轻。这说明稻壳灰替代50%的硅灰后,稻壳灰的火山灰效应和硅灰的填充效能得到充分发挥,使得试件内部结构更加紧密,抗冻融性能得到提升。 （4）在动态冲击试验中,稻壳灰和硅灰的掺入有助于改善水泥砂浆试件内部裂纹传播路径、延迟并抑制因冻融循环作用所造成的裂纹形成和扩展,以轴向劈裂拉伸破坏和剪压破坏为主。在冻融循环作用下,当稻壳灰替代硅灰比例达到50%时,试件的峰值应力和极限韧性达到最大,此时试件内部的裂纹和孔隙数量较少,试件破坏时碎块数量减少,抗冻融性能得到明显提升。 （5）微观试验结果表明,稻壳灰和硅灰的大比表面积可以优化水泥砂浆的孔隙结构,发挥填充效应,减少了试件内部的裂缝和气孔数量。同时,稻壳灰中大量的高活性Si O2可以与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应,降低了Ca2+浓度,促进了水泥水化反应,形成的C-S-H凝胶提高了水泥砂浆的致密程度,气孔和裂纹数量减少,抗冻融性能明显提升。 图53表6参考文献88

关键词： GFRP管   组合柱   冻融循环   轴压试验   滞回性能  

摘要： 玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)是一种强度高、重量轻、耐腐蚀、绝缘性能好的复合材料,将玻璃纤维与树脂进行混合制成的GFRP管作为建筑材料与钢筋混凝土相结合,既能作为浇筑模板,也可以对混凝土起到较好的保护作用,极大提高了混凝土的极限承载能力。但当处于长时间冻融循环的情况下,GFRP管约束钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)组合柱的稳定性以及承载能力还需进一步探索。 为了研究冻融循环作用对GFRP管约束RC组合柱力学性能的影响,设计并制作了8根GFRP管约束RC组合柱,针对不同混凝土强度(C30和C60)分别开展50次、75次、100次的冻融循环试验,通过与未冻融试件的对比,得到不同冻融循环次数对GFRP管约束RC组合柱的轴压力学性能影响规律。结果表明:混凝土强度等级对GFRP管组合柱极限承载力的影响呈正相关。随着冻融次数的增加,组合柱的极限承载力不断降低;相比于未经历冻融循环的试件,C30混凝土试件的承载能力分别下降2.41%(50次)、3.11%(75次)、4.62%(100次),C60混凝土试件的承载能力分别下降1.75%(50次)、2.80%(75次)、4.20%(100次);在相同冻融循环次数下,相比于C30试件,C60试件极限承载力下降幅度更小。 利用ABAQUS软件对GFRP管约束RC组合柱进行建模,对组合柱轴压下的力学性能进行有限元分析。通过与试验数据的对比,验证了本构选取的合理性以及模型建立的正确性。在此基础上,以GFRP管厚度、混凝土强度作为拓展参数,开展试件在不同冻融次数下轴压性能的模拟分析,结果显示:增大GFRP管厚度、提高混凝土强度均能较好的改善组合柱的承载能力,组合柱受冻融循环的影响随着混凝土强度的提高而逐渐减弱;不同GFRP管厚的组合柱在经历100次冻融循环后,其极限承载力下降幅度基本相近。 基于GFRP管约束RC组合柱轴压有限元模型,对组合柱受水平低周往复荷载作用下的力学性能进行分析。以冻融循环次数、轴压比和混凝土强度作为控制参数,对29根GFRP管约束RC组合柱进行了滞回性能的有限元分析,结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件骨架曲线的水平荷载峰值逐渐降低,延性系数也随之降低;随着轴压比的增大,试件的滞回曲线饱满程度逐渐缩减,塑性变形能力呈下降趋势;随着混凝土强度的提高,试件的滞回曲线逐渐饱满,滞回环面积不断增大,塑性变形能力随之提升。

关键词： 危岩体   冻融循环   断裂韧度   冻胀力   损伤变量  

摘要： 随着川藏铁路等重点工程持续向寒区推进,更多的岩体工程面临冻融循环与荷载次序作用的工程环境,沿线存在大量危岩体,在该环境下岩体累积损伤易引起崩塌灾害。危岩体崩塌失稳的实质是主控结构面尖端应力强度因子超过岩桥段岩石的断裂韧度,从而导致断裂扩展。在寒区危岩体的断裂韧度常因冻融循环作用而逐渐劣化。首先,将岩体的宏细观损伤视为对无损岩石面积的削弱。通过耦合宏细观初始损伤、冻融损伤与荷载损伤,建立了裂隙岩体的宏细观复合损伤模型。其次,将岩石的细观孔隙抽象为无数椭圆形裂隙,分析岩体细观孔隙在冻胀作用下的破坏过程。基于这一过程得到了冻融循环作用下岩体细观损伤变量的计算方法。再次,考虑到岩桥段岩石的I型和II型断裂韧度的劣化以及结构面间的冻胀力,构建了冻融循环作用下的危岩体稳定性评价模型。最后,通过工程算例分析了冻融循环作用下危岩体稳定性的劣化规律。研究结果表明: (1)危岩体在冻融环境下的稳定性劣化趋势与岩石的内摩擦角、弹性模量、初始抗拉强度密切相关。 (2)坚硬且颗粒粗糙的危岩体在冻融环境下的长期稳定性更差,而岩桥段岩石的抗拉强度更高则更有利于危岩体的长期稳定。随着冻结温度的降低,危岩体稳定性劣化速度呈现先快后慢的趋势。 (3)当岩屑残留比m大于0.25时,危岩体稳定性劣化幅度明显更小。因此,控制岩屑流失或者往孔隙中注入充填物有助于危岩体保持长期稳定。