关键词： 水盐迁移   盐渍土   冻融循环   多物理场耦合  

摘要： 随着中国交通工程的不断发展完善,在中国西北地区修建铁路、公路、机场等构筑物和建筑物的需求不断增大,而中国西北地区地处大陆性季风气候区,昼夜温差大,季节性冻土和盐渍土在此广泛分布,影响工程寿命期安全运维,制约地区经济。对含盐黄土中水盐迁移规律的研究是解决此问题的基础,掌握含盐黄土中水盐迁移规律有助于进一步了解含盐黄土区的土体性质,为减少工程病害等提供可靠理论依据。 本文以陕西杨凌黄土为研究对象,以室内模型实验和数值模型相结合的形式进行研究,对西北地区含盐黄土在单向冻结和冻融条件下的水盐迁移规律及冻融循环过程中抗剪强度、细微观结构的演变进行研究,得到以下研究结果: （1）通过室内基本实验,对研究区土样进行土粒比重、颗粒级配、液塑限、塑性指数、矿物成分、最大干密度和最优含水率以及室温下毛细水上升高度的测定; （2）研究了冻融循环过程中多种因素对于研究区土体强度和微观结构的影响和改变,包括不同盐种类、不同含水率和不同的冻融循环次数。发现不同种类的盐渍土的抗剪强度均随着冻融次数的升高而降低,冻融循环作用使得土样内部孔隙数目持续增多,进而导致孔隙贯通,削弱土样强度; （3）对研究区土样在单向冻结情况下的水盐迁移规律展开研究。通过对土样进行单向冻结试验和数据监测,发现土体的冻结过程主要分为降温阶段、冻结阶段和束缚水缓慢冻结阶段三个阶段;在冻结过程中土体会在某一深度范围内发生冻结,吸引土中的水盐成分向着冻结区迁移聚集; （4）利用COMSOL Multi-physics软件建立二维水-热-盐-力耦合模型,引入固液比和Na2SO4的溶解度函数,在模拟的过程中动态考虑土体水盐成分的变化。结果表明:冻融循环过程中,冷端温度的变化使得土体内部存在温度梯度,进而导致土中未冻水的冻结,致使结晶盐析出,土体内部水盐成分在冻融循环的过程中发生重分布,土体结构和物理性质因此发生改变;冻融循环作用引起的盐-冻胀量与冻融循环次数、冻结温度及持续时间有关;降低冻结温度和提高冻结温度持续时间,均可使土体的冻结范围和盐结晶的分布范围变大;提高冻结阶段的降温速率,可以在一定程度上抑制冻融过程中的盐胀。

关键词： 麦秸秆纤维水泥土   抗压强度   干湿循环试验   冻融循环试验  

摘要： 随着我国经济社会的快速发展,绿色建筑材料逐渐应用于各种基础工程建设。水泥土因为取材方便、韧性高、防渗效果良好等优点常用于土方加固、基坑支护和坡面防护,但环境侵蚀使水泥土工程出现老化和损伤现象,对水泥土的耐久性造成严重影响,并降低了工程的使用寿命。而麦秸秆纤维作为一种可再生资源,具有一定的强度和韧性,掺入水泥土中,加强其力学性能和耐久性能的同时,减少农业废弃物的排放,有利于环境保护。 为了研究麦秸秆纤维水泥土的耐久性能,以肥西县淤泥土为研究对象,通过无侧限抗压强度试验、干湿循环试验和冻融循环试验,得到三种变量(纤维掺量、纤维长度、循环次数)对试样外观和抗压强度的影响,揭示麦秸秆纤维水泥土在干湿及冻融循环作用下强度变化规律。主要研究结果如下: (1)基于无侧限抗压强度试验,研究四种水泥掺入比和三种养护龄期对水泥土抗压强度的影响,得出水泥土的抗压强度随水泥掺入比、养护龄期的增加而增大,并在水泥掺入比为25%,龄期为28d时取得最大值。在此条件下,探究三种纤维掺量和四种纤维长度下水泥土抗压强度的变化规律。结果表明,麦秸秆纤维水泥土抗压强度随纤维掺量和长度的增加均呈现出先增大后减小的趋势,在纤维掺量为0.2%、长度为10mm时抗压强度达到最大值,相较于素水泥土提高了21.8%,同时,此纤维配比下水泥土的破坏应变、残余强度及变形模量分别提高了36.8%、78.9%和72.8%。 (2)通过干湿循环作用下的无侧限抗压强度试验,研究三种纤维掺量、四种纤维长度下麦秸秆纤维水泥土抗压强度的变化规律。结果表明,干湿循环次数相同时,随着纤维掺量和纤维长度的增加,试样的抗压强度先增大后减小,在纤维掺量为0.2%、长度为15mm时抗压强度达到峰值。随着干湿循环次数的增加,麦秸秆纤维水泥土抗压强度先增大后减小,循环次数10次时抗压强度最大。纤维掺量0.2%、长度15mm的水泥土和素水泥土在各循环次数下抗压强度分别提高了5.7%、10.1%、5.0%、-0.7%和3.2%、5.6%、-1.2%、-7.1%,纤维水泥土的抗干湿性能优于素水泥土。 (3)利用冻融循环试验,探究三种纤维掺量、四种纤维长度对麦秸秆纤维水泥土抗压强度的影响。结果表明,同一冻融循环次数下,麦秸秆纤维水泥土抗压强度随纤维掺量和纤维长度的增加先增大后减小,在纤维掺量0.2%、长度15mm时,抗压强度达到峰值。随着冻融循环次数的增加,纤维水泥土的抗压强度逐渐减小。纤维掺量0.2%、长度15mm的水泥土抗压强度降低了5.4%、9.7%、13.8%、17.8%,素水泥土抗压强度降低了9.5%、21.4%、28.2%、32.9%,说明麦秸秆纤维可以提高水泥土的抗冻融循环性。

关键词： 伊犁河谷   黄土滑坡   冻融循环作用   强度劣化   促滑效应  

摘要： 伊犁谷地集中全疆80%以上地质灾害,严重威胁着广大农牧民生命财产安全,影响着当地农牧业健康持续发展。黄土蠕动变形及长期累积渐进性失稳破坏是伊犁黄土滑坡的典型地质表观,岩土体结构、气象、水文特定条件影响区内黄土滑坡多发、频发。本文在伊犁河谷黄土滑坡资料综合分析、典型滑坡现场调查、野外原位测试及室内冻融循环试验分析的基础上,总结了伊犁河谷典型黄土滑坡的发育特征和分布规律,探讨了黄土劣化机理。并以加朗普特滑坡为例进行数值模拟计算,综合分析降雨、冻融循环、地震及耦合作用下伊犁河谷黄土强度劣化机理及促滑效应。本研究得出以下主要结论: 1.伊犁谷地黄土滑坡发育特征 伊犁谷地每年3～5月随着气温逐渐上升,山区冰雪消融,斜坡土体含水率逐渐升高,处于浸润状态;黄土坡面的植被仍处于休眠,蒸腾作用较弱,导致滑坡带处地下水富集,使得黄土湿陷、蠕变、拉张形成裂缝,加之地表水渗流侵蚀坡脚、软化岩体,从而诱发滑坡。此外,在春季白天气温零上,夜间气温零下,昼夜温差大,遇到气温骤升加剧土体融沉、强度锐减;同时2、3月伊犁谷地昼夜温差大,昼融夜冻或气温变化大,导致冻融循环周期短、频率高,甚至一天经历3～5个冻融循环作用,土体力学强度降低,诱发融雪型滑坡。 2.黄土斜坡强度劣化机理 (1)在正冻期形成的冰霜晶体膨胀及冻结锋面隔挡水分迁移,破坏了土体胶结结构,形成各种界面。在正融期土体的冰-土与霜晶-土两类界面出现,土体中垂向渗流减弱,加之部分团簇大颗粒转化成小颗粒,土体接触紧密,宏观上表现出粘聚力降低,内摩擦角增大。在冻融循环过程中土体颗粒级配、颗粒间作用力与接触类型发生变化,导致颗粒之间有效接触面积与粘结力发生改变,土体经历反复冻融循环后结构变化、水的相态转变导致强度损伤劣化。 (2)黄土在冻融循环过程中含水率影响水分运移和土体结构改变,随着含水率的增大,土体中土颗粒之间的水仅为双电层提供结合水时,土体的粘聚力随着含水率的增大而上升。当含水率继续上升,土颗粒之间出现自由水时,水分己经破坏了土体的胶结结构,在冻融循环过程中,这部分水容易形成冰霜晶体出现冰胀现象,该过程中土体宏观表现为粘聚力与内摩擦角降低。 (3)在加朗普特滑坡坡脚处土样塑性指数较大、冻胀效果明显。粉黏粒含量高则土颗粒间的毛细作用力大,有利于冻结过程中水向冻结面迁移、结冰,形成一定厚度的聚冰层,引起冻胀。冻融循环作用过程中水的相态变化引起水分补充和迁移,导致土体结构变化,黄土细粒持水后的团聚作用对土体强度的影响较大,土颗粒的结构和孔隙性变化改变了土体的孔隙率和密度,使得黄土斜坡发生变形、失稳。 3.黄土滑坡强度劣化后的促滑效应 (1)选取典型的加朗普特滑坡,采用FLAC3D软件,考虑降雨、冻融循环、地震、降雨+冻融、冻融+地震作用下,计算得出斜坡最大剪切应力、最大剪应变增量与塑性区发展较为一致,综合应力应变发展趋势可得出斜坡变形、失稳、破坏的动态发展与最大剪应变增量与X方向最大位移出现的范围较为一致,即在第四级、第三级、第二级斜坡坡底向坡内一定范围内,先出现剪应力增大的集中带。 (2)降雨、冻融循环、地震作用下坡体大主应力出现在第四级斜坡坡底向坡内一定范围内,并向第三级斜坡坡底发展、范围扩大,结合现场调查与钻孔、物探剖面揭示出黄土和泥岩结构面处大主应力最大、小主应力则是越向坡体内部越大;在第三、四级斜坡坡底出现剪应力增大的集中带、在坡顶向坡体一定范围内出现拉应力增大的集中带,坡体处于变形失稳阶段;在斜坡受地震作用下动态发展演化过程中剪应力增大的集中带、拉应力增大的集中带范围均逐渐扩大,当剪应力增大的集中带和拉应力增大的集中带贯通时出现潜在滑移面,坡体失稳、破坏。塑性区向下第三、第二级斜坡体中发展、范围逐渐扩大。在降雨、冻融工况下斜坡稳定性系数降幅大、X方向位移较大,斜坡冻融循环作用下土体强度劣化后坡体变形、失稳长期累积渐进性破坏,在冻融、暴雨、短时强降雨季需预防滑坡-泥石流等链生灾害。 (3)降雨、冻融循环、地震耦合作用下斜坡中水与土相互作用过程中X向位移、剪应力、剪应变增量、塑性区发展表明反复冻融后土体中水的相态转化、迁移改变土体结构,促使土体强度损伤劣化、变形不断累积增大。长期反复振动作用导致斜坡土体中应力重分布或改变斜坡局部应力状态,对黄土斜坡有促滑效应。冻融作用后,加之拉矿的卡车振动作用致使伊犁河谷山区公路出现冻胀、融沉、翻浆、冒泥等冻害。 4.伊犁河谷黄土滑坡形成机理 黄土型滑坡为伊犁谷地的主要滑坡类型,在昼夜交替、季节性冻融循环、振动作用下冻土层水的相态转变、土体结构变化,使得土体疲劳损伤、力学强度降低,蠕变长期累积,降雨、冻融等诱发滑动突变。伊犁河谷黄土滑坡模式为“大气降水+冰雪融水→地表水下渗→坡脚侵蚀→冻融循环强度劣化→累积渐进性破坏→坡体蠕变、失稳→诱发突

关键词： 含细粒土砂   抗剪性能   颗粒级配   冻融循环   损伤模型  

摘要： 多年冻土区在我国分布广泛,占我国陆地面积21.5%左右。多年冻土区活动层,随季节温度变化进而引起工程中的地基发生周期性的冻结和融化。冻融过程中土体中水分的运动和水相变成冰都会引起土体内部孔隙率发生变化,进而造成土体内部结构变化,影响土体的物理性质与力学性质。因此探究土体在冻融循环作用下抗剪性能的影响因素与变化规律,在寒区工程建设中具有重要的意义。同时级配也会影响土体的抗剪性能。因此在寒区土木工程研究与实践中,进行土颗粒级配与冻融循环作用之间关系研究也具有重要的现实与应用价值。 本文依据黑龙江省大兴安岭地区塔河县含细粒土砂为研究对象,通过室内直接剪切试验与室内三轴剪切试验,探究级配与冻融循环次数对其抗剪性能的影响规律,并根据含细粒土砂在经历冻融循环作用下的三轴剪切试验结果,建立损伤模型。研究发现:不均匀系数或曲率系数的增加均导致含细粒土砂应变软化程度增加,含细粒土砂的抗剪强度与内摩擦角均随着不均匀系数与曲率系数的增加呈现先上升后下降趋势,曲线最高点对应的不均匀系数与曲率系数分别为5.5与1.0。分析冻融循环次数对含细粒土砂抗剪性能的影响时发现:含细粒土砂试样的破坏强度、弹性模量与内摩擦角随冻融循环次数的增加呈降低趋势,在低围压下,未经历与经历1次、2次冻融循环的试样的应力-应变曲线为应变软化型;低围压情况下经历大于2次冻融循环与高围压下的试样的应力-应变曲线呈现应变硬化型。建立的损伤模型能较好地反映冻融循环作用下试样的应力-应变关系,可以为工程结构在寒冷地区的安全设计提供可靠的理论依据。

关键词： 高频冻融循环   力学性质   冻胀融沉   冻胀力   SSA-BP神经网络  

摘要： 近年来我国高寒高海拔地区交通基础设施建设规模仍在扩大。由于高寒高海拔地区特殊的地理位置使得当地具有高频次的冻融循环现象,导致新建线土工构筑物的冻融劣化效应十分明显,病害多发。而目前对于此类现象的研究仍存在一些不足。为此本研究采用现场试验与室内试验相结合的方式,对研究项目所在地区现场边坡土体的高频冻融强度和变形特性展开研究,旨在揭示高频冻融循环作用下土体的强度劣化及冻胀规律,研究成果可为高寒高海拔地区工程设计提供参考。主要研究结论如下: （1）通过开展现场试验及分析,本研究项目所在地区土体为砂砾土,天然密度约1.79 g/cm3,天然含水率约为8.3%,现场土体密实程度较低;通过开展室内基础物性试验,得到了现场土体最大干密度约为2.12 g/cm3,最优含水率约为10.4%,不同含水率条件下土体冻结温度范围约为-0.34℃～-0.42℃。 （2）通过高频冻融循环和力学加载试验探究了高频冻融循环作用对砂砾土的强度影响。随着高频冻融循环次数和初始含水率的增加,试样的应力-应变曲线由应变软化型逐渐过渡为应变硬化型;试样的力学参数与高频冻融循环次数和初始含水率呈负相关;经历高频冻融循环作用后,重塑砂砾土试样的破坏强度先减小后趋于平稳的临界高频冻融循环次数为15～20次,最终的强度劣化范围在30%～40%之间;可采用指数函数拟合高频冻融循环次数与试样力学参数间的变化规律,拟合效果较好。 （3）通过一维冻胀融沉试验装置和自制的冻胀力试验装置开展了砂砾土的冻胀特性研究。得到现场砂砾土冻胀率约为3.69%,为第Ⅲ级冻胀土;砂砾土产生的冻胀力取决于支挡结构产生的变形,且与土体含水率呈正比,可采用指数函数拟合砂砾土冻胀力随轴向应变值的变化,不同变形条件下试验测得砂砾土的冻胀力范围约为20.2 k Pa～165.9 k Pa。 （4）可采用SSA-BP神经网络模型预测不同含水率、围压、高频冻融循环次数条件下砂砾土的强度劣化规律,其训练误差大约是普通BP神经网络模型的1/4,准确性更高;将SSA-BP神经网络模型预测值与试验数据对比验证了模型的准确性;同时利用该模型预测了不同围压和含水率条件下砂砾土经200次高频冻融循环作用后的强度值。

关键词： 离散元法   水泥稳定碎石   冻融循环   细观力学   损伤机理  

摘要： 水泥稳定碎石广泛应用于道路、机场、港口和堤坝等工程,更是铁路基层结构的主要组成材料,其在寒冷地区或冻融环境下的抗冻融性是一个关键问题,经冻融循环效应后的结构稳定性直接影响铁路使用周期与服务能力。因此深入研究其细观损伤机理,有助于深入理解其在不同加载时刻和环境条件下的变形、破坏和失效过程,对于预测水泥稳定碎石的长期性能,评估其在复杂工况下的可靠性具有重要意义。因此本文引入离散元理论,利用PFC软件分析其经冻融循环效应后的细观损伤与力学行为。 首先,水泥稳定碎石作为一种由骨料、胶浆与空隙组成的多相非均质性材料,内部结构随机且复杂,为充分模拟其非均质性,将64种骨料轮廓导入PFC软件中,利用内置Fish语言填充形成Clump单元,基于Weibull分布将随机骨料填充水泥稳定碎石离散元模型,提高模型的还原精度。 其次,水泥稳定碎石被认定为一种线性弹体,其在单轴压缩时存在空隙压缩阶段,在模拟过程中添加非线性控制函数,使模拟得到的应力-应变曲线与试验曲线具有高度重合度。将经冻融循环试验后的试件进行实验室内无侧限抗压强度试验,与非均质离散元模型进行单轴压缩试验得到的数据进行分析比对,验证模型的可行性,利用“试错法”进行参数标定,确定模型所设立接触的细观参数,得到数据误差均不超过规定的5%,认为该模型具有可行性。 再次,为研究冻融循环损伤机理,确立宏细观损伤因子,根据其损伤本构关系,建立冻融损伤与荷载损伤的耦合损伤本构模型,计算出经不同次数冻融循环作用下的总损伤数值。发现随着冻融次数的增加,水泥稳定碎石基础损伤数值不断增加,且随着荷载的进行,试件于空隙压缩阶段结束后,总损伤数值不断增加,当应变达到0.025时所有试件损伤数值达到1,说明试件完全破坏。对比宏观与细观力学行为,发现试件峰值应力与颗粒间接触面积呈正相关,冻融损伤即为逆向增长过程。 最后,探究不同加载阶段离散元模型细观力学行为分析,研究发现,Clump单元随着循环次数增加团簇位移逐渐增大,试件上下两端团簇速度大于中部导致试件受拉破坏,团簇接触力也因此减小;接触力链于215°数量最多,265°数量最少,各个冻融循环次数下变化规律一致;切向应力于30°、150°、210°与330°左右(±15°)较大,水平与垂直方向较小,而法向接触力于90°与270°左右(±15°)较大,且于加载高峰期增速较大;试件裂缝累积量随着加载的进行从缓慢增长转变为线性增长,裂缝角度也从初期集中于50°～70°与110°～150°之间分布逐渐向90°分布。