关键词： 冻融循环   物理性质   力学特性   破坏特征   损伤模型  

摘要： 高海拔寒区气候变化剧烈,岩体冻融循环劣化效应显著。随着季节性冻土区域各类基础设施建设的规模扩大,岩质边坡、地基等构筑物冻害问题日益凸显,因此,明确岩石冻融损伤演化规律及内在机理,在工程和理论方面有重要意义。本文选取隧道进出口处3种岩石(砂岩、片岩、花岗岩),通过室内试验方式,以冻融循环次数为变量,开展基本物性试验和单轴、三轴力学试验。基于测试结果,探究冻融循环作用对岩石力学参数的劣化规律,建立冻融循环作用下的岩石损伤演化方程。主要结论如下: (1)冻融循环作用造成岩石试样出现微裂纹萌生、裂缝扩展、颗粒脱落,龟裂、片落等形式的劣化现象。冻融循环90次后,3种岩性的质量增长范围为0.23g～0.95 g,孔隙率增长0.19%～0.74%,波速降幅为6.61%～13.16%,其中片岩孔隙率、纵波波速变化幅度最高,砂岩次之,花岗岩最小。 (2)冻融循环次数增加,应力-应变曲线的孔隙压密阶段延长、弹性变形阶段缩短、斜率降低,岩石破坏形式由剪切破坏转变为劈裂破坏,破坏程度增加,裂缝数增多。3种岩石破坏形式分别为:砂岩沿胶结薄弱处剪切,片岩沿层理方向劈裂,花岗岩整体碎裂。 (3)3种岩性的峰值抗压强度、弹性模量、黏聚力等力学参数值随冻融循环次数增加呈现降低趋势,其中抗压强度变化规律随冻融循环次数增加的关联性最好。90次冻融循环后,单轴抗压强度损失率为42.97%～54.12%,三轴抗压强度损失率为20.17%～53.14%。相同冻融循环次数下,高围压的力学参数损失率更低,围压增加具有抑制冻融循环劣化作用。 (4)根据力学试验测试结果,选取弹性模量作为损伤变量,结合Lemaitre应变等价原理和Weibull分布参数,建立考虑冻融荷载耦合本构模型,模型着重考虑冻融循环次数及应力条件,确定本构方程中的两个待定参数变化规律。通过试验数据对冻融损伤本构方程进行验证,结果表明该本构模型能够较好地描绘冻融荷载作用下试样的峰值强度、峰值应变、弹性变形阶段的特征。

关键词： 粉质黏土   冻融循环   模量   预测模型  

摘要： 季节性冻土在我国分布广泛,因季节性温度变化的影响,土体长期经受冻融循环作用,导致土体内部结构及变形与强度等物理力学性质发生改变,由此产生了一系列工程问题,如地基冻胀、融沉等。其中,模量是评价土体受力变形的重要指标,直接反应土体在外力作用下的变形与应力间关系,对于评估土体的稳定性、承载能力以及数值分析等方面具有至关重要的作用,故本文以典型季节性冻土区广泛分布的粉质黏土为研究对象,通过室内试验,探究在冻融循环作用下不同温度、含水率时,压缩模量及剪切模量的变化规律,并基于试验数据通过回归分析的方法对各影响因素条件下的模量进行预测,主要研究成果如下: (1)通过直剪试验,得到冻融循环作用时不同温度及含水率条件下土样的应力-应变曲线。得出冻融循环作用、含水率及温度对粉质黏土的应力-应变曲线有显著影响。同一温度与含水率下,经历冻融循环后的粉质黏土应力-应变曲线主要为应变硬化型;同一冻融循环次数与温度下,随含水率增加,粉质黏土的应力-应变曲线从应变硬化向应变软化过渡;同一冻融循环次数与含水率下,随温度降低,粉质黏土的应力-应变曲线呈现应变硬化特征。 (2)基于冻融循环作用下不同温度及含水率的应力-应变曲线,得出粉质黏土剪切模量随冻融循环次数增加呈先衰减后趋于稳定的变化趋势,当经历7次冻融循环后稳定,首次冻融循环作用对粉质黏土剪切模量影响显著,剪切模量损伤率随冻融循环次数增加先快速增加后减缓。该粉质黏土剪切模量与含水率呈反相关关系。该粉质黏土剪切模量随负温绝对值的提高而逐渐减小,剪切模量损伤率随温度降低而增大。 (3)基于冻融循环作用下的压缩试验,得到不同温度、含水率条件下的压缩系数、压缩模量。得出压缩模量随冻融循环次数增加逐渐减小,且损伤率逐渐增加。压缩模量越小、粉质黏土的含水率越大,土体越松软,承载能力越弱。粉质黏土的压缩模量与温度呈正相关。粉质黏土的压缩系数与压缩模量的变化规律相反。 (4)基于室内试验数据,采用指数函数拟合各影响因素条件下粉质黏土的剪切模量、压缩模量与冻融循环次数的关系。得出粉质黏土的剪切模量、压缩模量与含水率及温度有较强的线性关系。由此构建出冻融循环次数与含水率、冻融循环次数与温度的模量三维预测模型,并对模型的可靠性进行验证,研究成果可为季冻区粉质黏土地层上的工程设计和建设提供参考和指导。

关键词： 道路工程   沥青混合料   冻融损伤   多尺度研究   分子动力学   三维有限元  

摘要： SMA-13沥青混合料因其具有优异的路用性能,被广泛用作道路结构的上面层材料。然而在季节性冻土地区,上面层结构直接受到冻融循环作用的影响,出现性能劣化及开裂病害,对行车的安全性和路面的使用寿命产生不利影响,同时增加道路的运维成本。为了改善季冻区路面的服役现状,明确沥青混合料性能演变规律及损伤机理至关重要。本文依托国家自然科学基金项目“季冻区沥青混凝土冻融循环损伤模型及细观特性研究”,以SMA-13沥青混合料为研究对象,采用分子动力学计算、理化特征表征、流变学分析、力学分析、X-ray断层扫描以及三维有限元分析等方法,揭示冻融循环作用下沥青混合料多个材料尺度性能(沥青及胶浆流变性能、沥青混合料力学性能)以及结构特征(沥青-集料/矿粉界面交互、沥青混合料孔隙结构)的演变规律和损伤机理。主要研究内容包括以下几个方面: (1)通过分子动力学计算,分析了沥青-石英/碳酸钙界面粘附作用的形成机理,并揭示了水温作用及荷载作用下沥青-石英/碳酸钙界面粘附劣化及失效机理。同时,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)及扫描电镜(SEM)试验,分析了冻融循环作用下沥青、沥青胶浆及沥青砂浆的微观理化特征,进一步揭示了冻融损伤机理。结果表明:在冻融循环作用下,沥青-矿物界面粘附功下降显著,沥青-碳酸钙界面抗水温损伤能力较差,沥青重组分含量相对增加,沥青材料表面出现了微观裂缝,矿物颗粒表面的沥青膜剥落。 (2)通过多重应力蠕变恢复(MSCR)试验、频率扫描(FS)试验、线性振幅扫描(LAS)试验及弯曲梁流变(BBR)试验,结合黏弹性理论与模型,对冻融循环作用下沥青及胶浆的流变性能进行了研究。结果表明:随着冻融循环次数的增加,沥青的抗弹性变形能力显著增强、流动性显著降低、抗永久变形能力增强,沥青胶浆的抗弹性变形能力、流动性及抗永久变形能力的变化趋势在10至15次冻融循环时存在拐点,且整体上均与沥青的变化趋势相反,体现了沥青-矿粉界面黏附损伤对沥青胶浆流变性能的影响。沥青及胶浆的抗疲劳损伤能力下降显著,抗车辙能力提升幅度较大,低温抗裂能力下降。 (3)基于沥青及胶浆的流变性能参数,并结合Palierne模型与Einstein模型,分析了冻融循环对沥青-矿粉界面交互作用的影响。同时,运用定量水煮法、光电比色法及界面斜剪试验,对冻融循环作用下沥青-粗/细集料界面交互作用及界面力学行为进行了分析。此外,通过X-ray断层扫描技术,讨论了沥青混合料孔隙结构特征随冻融循环次数的演变规律。结果表明:冻融循环作用下,沥青-集料/矿粉界面交互作用及力学行为出现了损伤,粗集料粒径越大,粘附界面损伤程度越大,沥青混合料孔隙结构出现了连通现象,并呈现出由表及里以及加速扩张的特征。 (4)通过常规力学试验、单轴蠕变试验、动态模量试验以及间接拉伸疲劳试验,结合Hopman能量比等理论与方法,分析了冻融循环作用下沥青混合料的静力与动力特征。随后,运用灰色关联度(GRA)算法和GM(1,N)模型,分析了沥青及胶浆流变性能、沥青-集料界面交互作用及沥青混合料孔隙结构特征对沥青混合料力学性能的影响,并进行了性能预测。结果表明:冻融循环作用下,SMA-13沥青混合料的高温抗压缩破坏能力、抗弹性变形能力、抗黏滞变形能力、抗疲劳损伤能力及抗长期蠕变变形能力下降明显,微小疲劳裂缝出现时间显著提前,更易发生黏性变形与疲劳损伤失效。从材料性能及结构特征方面,针对性地提出了改善季冻区沥青混合料力学行为的建议。 (5)通过半圆弯曲(SCB)试验及数字图像关联分析(DIC)技术,对冻融循环作用下沥青混合料弯拉断裂的力学特征及全场应变特征进行了研究。随后,基于X-ray断层扫描、数字图像处理及三维重构技术,结合冻融循环作用下材料性能及结构特征的演变规律,构建了沥青混合料三维异质有限元模型,并揭示了冻融损伤对沥青混合料抗裂能力影响的细观力学机理。结果表明:冻融循环作用下,SMA-13沥青混合料在断裂时表面水平应变下降,韧性降低,带裂服役能力显著下降,更易出现突然的脆性断裂失效行为,这是由于沥青材料的抗变形能力及集料颗粒间的应力传递效率下降导致的。使用高模量沥青材料、改善沥青-集料界面黏附能力及增强孔隙排水能力是减少季冻区沥青路面开裂病害的有效途径。 本研究将为冻融循环作用下沥青混合料的损伤机理分析与性能预测提供试验及理论参考,同时为季冻区沥青路面性能的评价、预估与维养提供针对性建议。

关键词： 粉质黏土   干湿-冻融循环   抗剪强度   Logistic劣化模型   直剪试验  

摘要： 季节性冻土区的粉质黏土受气候条件影响,经历由温度变化引起土中水分发生相变的冻融作用和由湿度梯度引起土中水分发生迁移的干湿作用,其抗剪性能在干湿、冻融作用前后发生较大变化。基于此,本文以重塑粉质黏土为研究对象,通过干湿、冻融和干湿-冻融循环试验,对直剪试验中获得的试验数据进行分析、拟合和验证,主要成果如下: 一、通过直剪试验得到干湿、冻融和干湿-冻融循环作用下的剪应力-剪切位移曲线,按照曲线特征将其划分为急剧软化型、渐进软化型、递减硬化型和持续硬化型四种类型。对剪应力-剪切位移曲线类型在循环作用下的演变过程进行分析得到:剪应力-剪切位移曲线类型的演化规律受循环次数、土体含水率和竖向应力的影响。干湿、冻融和干湿-冻融循环作用促进粉质黏土产生应变软化现象,竖向应力的增加能减弱土体的应变软化现象。冻融循环作用下粉质黏土的剪应力-剪切位移曲线类型的演变主要体现在高含水率（22%、26%）的土体上,干湿循环和干湿-冻融循环作用下曲线类型的演变主要体现在低含水率（10%、18%）的土体上,干湿冻融耦合循环作用下土体更易发生应变软化。 二、根据剪应力-剪切位移曲线得到粉质黏土的抗剪强度,在干湿循环、冻融循环和干湿-冻融循环作用下,粉质黏土的抗剪强度随着循环次数的增加逐渐减小并趋于稳定,在8次循环作用内,各含水率、各竖向应力下粉质黏土的抗剪强度均能达到稳定;粉质黏土的抗剪强度随着含水率的增加呈现先增后减的变化趋势,在最优含水率（17%）附近达到峰值。与干湿循环和冻融循环作用下粉质黏土的抗剪强度进行对比分析,干湿-冻融循环作用下的抗剪强度曲线在循环次数-抗剪强度坐标系内的位置最低;随着竖向应力的增加,循环次数与抗剪强度的关系曲线趋于平缓,三种循环作用的曲线更接近。 三、由莫尔-库伦理论得到粉质黏土的黏聚力和内摩擦角。粉质黏土的内摩擦角和黏聚力随着干湿、冻融和干湿-冻融循环次数显著减小。在循环次数-抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）的坐标系内,对于低含水率（10%、14%）的土体,干湿循环和干湿-冻融循环的曲线更接近,当含水率大于22%时,冻融循环作用和干湿循环作用下粉质黏土的曲线接近,且略低于干湿-冻融循环作用。 四、为统一比较和分析不同循环状态下粉质黏土强度及其指标的劣化行为,使用劣化度作为量化标准。以循环次数和含水率为变量建立干湿、冻融和干湿-冻融循环作用下抗剪强度指标的Logistic劣化模型,模型参数mA代表最大劣化度,N0代表达到半劣化度时对应的循环次数。随着含水率的增加,粉质黏土的抗剪强度指标的最大劣化度在干湿循环和干湿-冻融循环作用下逐渐减小,在冻融循环作用下逐渐增加;粉质黏土的抗剪强度指标达到半劣化时的循环次数随着含水率的增大而逐渐增加。