关键词： 多年冻土   列车荷载   冻融循环   动力响应   路基稳定性  

摘要： 随着多年冻土区青藏铁路的建设和运营,路基下部地表温度条件发生改变,原天然地表下多年冻土水热状态失去平衡,致使路基下部多年冻土上限迁移,在长期列车荷载和冻融循环作用下,可能会影响路基稳定性。因此,应分析研究冻融循环作用下的路基水热状态,并进行路基热稳定性评价,在此基础上,研究分析长期列车荷载作用对路基稳定性的影响情况,给出未来路基稳定状态作预测。这对路基工程设计、施工及维护有指导性作用,并对铁路运营安全具有重要意义。 本文在国家自然科学基金(50778012)支持下,研究分析了冻融循环作用对冻土特性的影响,开展了室内冻土动三轴试验研究,结合现场调研和观测结果,建立模型计算分析了冻融作用下路基温度、水分分布情况,并基于上述研究结果,计算分析了列车荷载和冻融循环作用对冻土路基稳定性影响,取得了以下几个方面的研究成果： (1)开展了多年冻土区段青藏铁路的粉质粘土动三轴试验,给出不同温度、含水量、围压和振动频率条件下动弹性模量、阻尼比、动摩擦角和粘聚力等物理量的变化规律,为计算参数选择提供依据。 (2)总结了冻土常用的物理力学等各项表征量,并给出这些表征量对冻土工程性质的具体影响及相关规律。分析得出受冻融循环作用影响较大的几组物理量：干密度、含水(冰)量、弹性模量、抗剪强度、粘聚力等。分析了冻土特殊性质的主要形成过程,即土体的冻结融化过程发生的物理力学行为变化规律。基于已有的试验结果、理论研究和经验成果,给出数值计算可以参照的各项物理力学参数选取规则。 (3)基于路基试验段实地观测结果,结合土动力学、传热学、冻土物理学等相关理论建立了冻土路基计算模型,研究了冻融循环对路基温度和含水量分布的影响,提出了基于温度和含水量的路基稳定性评价方法,并对模型路基未来50年的路基稳定状态进行了评价。 (4)综合前述研究结果,以青藏铁路为研究对象,建立了车-轨-路基三维有限元计算模型,研究分析了列车移动荷载作用对处于冻结、融化和含冰等条件下冻土路基的影响,对长期列车荷载作用下冻土路基稳定性进行模拟计算并从土体强度和路基变形两个方面作出相应评价,为青藏铁路运营维护提供参考依据。

关键词： 预应力混凝土结构   耐久性   可靠度   冻融循环   氯盐侵蚀   损伤   数值模拟   相关随机变量  

摘要： 现代预应力混凝土结构以其良好的结构性能、经济节能的社会效益,成为工程应用最为广泛和最具潜力的一种结构。在长期恶劣侵蚀环境作用下,该结构会出现内部损伤、甚至承载性能与使用功能退化等耐久性问题。目前,国内外对多种侵蚀环境作用下预应力混凝土结构耐久性能研究相对较少。本文结合国家自然科学基金资助项目“双指标侵蚀环境作用下预应力结构耐久性试验与寿命预测研究(项目编号：50878098)”,通过试验分析与理论研究,探索氯盐侵蚀与冻融循环对预应力混凝土构件抗弯性能的影响与劣化规律。主要完成了以下工作： (1)完成了氯盐与冻融循环作用条件下预应力混凝土构件耐久性试验。通过对20根预应力混凝土构件进行正交侵蚀试验(先冻融后氯盐侵蚀,先氯盐侵蚀后冻融,冻融与氯盐侵蚀同时进行),找出最不利侵蚀工况；利用相对动弹性模量的衰减规律,分析了构件的损伤失效过程,测试不同侵蚀工况下氯离子含量,并对构件进行承载力试验,研究冻融循环与氯盐侵蚀作用下预应力混凝土梁的承载性能退化规律。 (2)建立了考虑氯盐与冻融循环耦合作用下预应力混凝土中氯离子二维扩散齐次模型。针对无限大的扩散介质,以综合正负峰值温度差、氯离子扩散系数的时间依赖性和环境温湿度等影响的实际预应力混凝土氯离子方程为基础,分别在常数边界条件和幂函数边界条件下,推导出二维氯离子扩散理论的齐次模型,且探讨了水胶比、应力水平与龄期等对预应力混凝土结构氯离子扩散的影响。 (3)对冻融循环与氯盐侵蚀条件下的预应力混凝土梁抗弯性能退化规律进行数值模拟。通过有限元方法,对不同腐蚀工况条件下的预应力混凝土梁承载力退化规律进行模拟,探讨了腐蚀条件对承载性能的影响；根据耐久性试验与数值模拟进行对比,拟合得出冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下预应力混凝土梁开裂荷载退化系数。 (4)提出了冻融条件下预应力混凝土结构氯盐侵蚀的可靠度分析模型。针对季节性冰冻地区的海工结构耐久性失效特点以及结构耐久性具体要求,从失效率与可靠度的关系入手,运用随机场理论,综合考虑正负峰值温度差、氯离子临界浓度与预应力的影响,提出了冻融条件下预应力结构氯盐侵蚀的可靠度分析模型。通过算例,讨论了离散数目对失效概率的影响,并对氯离子浓度、保护层厚度等相关随机变量进行了灵敏度分析。 (5)基于可靠度理论与Monte Carlo法对混凝土结构(RC/PC)进行了耐久性评估与寿命预测。考虑耐久性寿命预测中的不确定性因素,将影响耐久性寿命的参数作为随机变量,以现场实测数据推算出的结构耐久性参数为基准,确定了各参数的随机分布,建立了包括多个随机变量的概率型耐久性寿命预测模型。此外,对随机模拟产生的假设参数及预测参数的概率分布特征、统计分布参数及其灵敏度等进行了分析,得到了寿命预测模型中假设参数的变化对预测结果的影响程度。 研究结果表明：预应力水平对混凝土构件在冻融循环与氯盐侵蚀过程中相对动弹性模量的变化起着重要的影响,预压应力的存在抵消了一部分冻胀压力,延缓了混凝土内部裂缝的开展。本文主要研究内容为相关混凝土设计规范的修改与完善提供一定参考。

关键词： 冻融循环   预应力混凝土梁   预应力损失   受力性能   计算方法  

摘要： 自然环境中的混凝土结构承受各种各样的环境侵蚀作用,碳化、冻融、腐蚀等等。这些环境作用会使得混凝土构件发生劣化,导致结构的力学性能退化。在我国北方大部地区,冻融是混凝土结构耐久性不佳的一个主要因素。预应力构件在冻融循环作用下会发生预应力损失,从而降低构件的抗裂性能和极限承载力,进而影响预应力混凝土结构的耐久性。因此,研究冻融循环作用下预应力结构的受力性能,对于我国北方地区混凝土结构设计方法的改进,具有十分重大的理论意义和应用价值。 本文结合国家自然科学基金项目,在总结前人研究成果的基础上,选取轴心预应力构件与常见的单侧配置预应力钢筋的混凝土梁作为研究对象。设计制作了6根轴心构件及48根预应力混凝土梁,其中6根轴心构件仅进行冻融试验,不进行破坏试验,预应力梁在冻融后进行静载试验。通过试验研究分析冻融循环作用对于预应力构件预应力损失和受力性能的影响,为预应力混凝土结构的抗冻融耐久性研究提供依据。 本文围绕预应力构件在冻融循环作用下的劣化情况,主要探讨以下内容： 1.对实际工程中常用的轴心预应力构件、预应力梁的抗冻融性能进行试验研究,对轴心构件和不同混凝土强度等级、不同预应力筋配置形式、不同粘结情况的预应力梁在经历冻融循环后的预应力损失进行分析。 2.根据混凝土随着冻融循环弹性模量不断劣化的性质,提出预应力构件随着冻融循环预应力损失的计算方法,并与实测结果进行比较。 3.对冻融后的预应力梁进行静载试验,运用正交试验直观分析的方法,分析混凝土强度、预应力筋线形、粘结情况对于预应力梁抵抗冻融能力的影响程度,并提出预应力梁的优化设计方案。 4.对静载试验结果进行分析,研究冻融后预应力受弯构件的正常使用极限状态的计算方法,并提出曲线配置预应力钢筋的预应力受弯构件开裂后的刚度计算方法。 5.根据混凝上应力-应变曲线随冻融循环上升而趋于扁平的特点,考虑混凝土强度下降、塑性上升,提出冻融循环后预应力梁抗弯极限承载能力的计算方法,并整理得到常用混凝土强度等级在不同冻融循环次数下的系数α1 研究结果表明,预应力钢筋线形和混凝土强度对于构件抵抗冻融循环的影响较大。采用高强度的混凝土、曲线形的预应力钢筋,并且对孔道灌浆最有利于预应力梁抵抗冻融循环作用。本文提出的计算方法与实际结果吻合较好。

关键词： 岩石力学   极端冰雪灾害   冻融   组合试样   破坏准则   本构模型  

摘要： 选取2008年极端冰雪受灾地区灰色砂岩,制作岩石与C20喷射混凝土组合试样,通过冻融循环试验、单轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石-喷射混凝土组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。试验结果揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。在此基础上,建立冻融前后组合试样的损伤软化统计本构模型。经与三轴压缩试验曲线对比,该本构模型能较真实地反映破坏的全过程,可靠性较高。

关键词： 黄土   冻融循环   抗剪强度   黄土劣化  

摘要： 以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明：黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重;随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内;内摩擦角基本不变;反复冻融循环作用在3~5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。

关键词： 冻融循环   高温冻结粉土   循环动荷载   累积应变   应变速率  

摘要： 对经过10次冻融循环的青藏人工冻结粉土试样在-1℃恒温状态下进行了3Hz和5Hz两种加载频率、不同动应力幅值的单轴循环动荷载压缩试验。试验结果表明:冻融循环后高温冻结粉土的累积应变随着振动次数的增加呈增长的趋势,在相同的振次时,动荷载应力幅值越大,累积应变越大;频率越高,临界动应力越小;初始阶段应变速率随时间的增大而减小,但随着振动时间的增加,破坏型曲线的应变速率达到一个最小值后开始增大,稳定型曲线的应变速率则在一定幅度的范围内波动;在振动时间相同时,动应力幅值越大、动荷载振动频率越高,应变速率越大;动应力幅值越大,破坏应变越大,破坏时间越短;同一动应力幅值下,频率越高,破坏时间越短。

关键词： 路基   水泥改良土   冻融循环   动力特性   静力特性  

摘要： 针对季节性冻土区的特殊环境,对冻融循环后的水泥改良土进行系列动静试验,研究土体的物理性状、力学特性与冻融次数、冷冻温度的关系。结果表明,反复冻融作用改变了土体的性状,这一改变过程是使土体内部结构从不稳定态向动态稳定平衡状态发展的过程;其应力—应变关系呈应变软化型,表现为脆性破坏,存在明显的剪切面;动荷载作用下,水泥改良土试样存在一临界状态,其破坏过程分为3个阶段:微裂纹出现、裂纹扩展和整体错动;经历3次冻融作用后,其临界动应力随冻融次数下降趋势变缓;动应力和冻融作用对水泥改良土的回弹应变影响显著;回弹模量存在一临界值,其值随冷冻温度的降低而降低。

关键词： 混凝土   化学腐蚀   应力腐蚀   冻融循环   相对动弹性模量  

摘要： 在质量分数为5.0%的MgSO4溶液条件下,采用快冻法和常温腐蚀方法研究了高强混凝土(High Strength Concrete,HSC)、大掺量矿物掺合料混凝土(High-Volume Mineral AdmixtureConcrete,HVMAC)和综合运用引气剂、高效减水剂、混杂纤维和膨胀剂技术的高耐久性混凝土(High Durable Concrete,HDC)的应力腐蚀行为。结果表明:无论是常温条件还是冻融循环条件,混凝土在应力腐蚀作用下的相对动弹性模量要经历强化和劣化2个发展阶段,强化和劣化阶段的时间长度与实验温度条件密切相关。冻融循环作用显著加速了混凝土的硫酸盐应力腐蚀破坏进程,HSC在冻融循环作用下应力腐蚀的强化段和劣化段的时间长度比常温条件的相应时间长度分别压缩了96%和88%以上,HVMAC的劣化段时间长度则压缩了98%,而HDC压缩了71%。在冻融循环作用下,HDC发生应力腐蚀破坏的冻融循环次数分别比HSC和HVMAC延长了1.5倍和13倍,因此,在中国寒冷地区,HDC表现出更强的抗硫酸盐应力腐蚀能力。

关键词： 自密实混凝土   冻融循环试验   冻融-氯盐共同作用   冻融损伤  

摘要： 通过对自密实混凝土进行快冻法和3%NaCI溶液的冻融循环试验,测定不同冻融循环次数后的质量损失率和相对动弹模量及其变化特点以及冻融损伤对氯离子扩散能力的影响。结果表明:自密实混凝土随着冻融次数的增加,其表观质量、力学性能均呈现不同下降趋势。可为寒区桥梁工程设计、养护及寿命预测提供依据。

关键词： 再生沥青混合料   冻融循环   劈裂强度   劈裂强度比  

摘要： 依托实际工程就地热再生项目,研究了热再生沥青混合料劈裂抗拉强度随冻融循环次数的变化情况,结果表明:经过合理设计再生沥青混合料,抗冻融循环性能与新沥青混合料的劈裂抗拉强度都随着冻融循环次数的增加而明显减小,并逐渐趋于稳定。