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。

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： 钢筋混凝土   冻融循环   黏结应力   最大滑移值   黏结滑移曲线  

摘要： 随着西部高原地区交通设施建设的不断推进,对隧道工程的建设需求不断提高,而大部分高原地区日温差较大,由此而引起的冻融循环对隧道衬砌钢筋混凝土结构造成的损伤破坏也越来越严重。为探究冻融循环作用下钢筋与衬砌混凝土黏结性能的变化规律,本文主要考虑在隧道二次衬砌的钢筋混凝土结构中,在不同冻融循环次数、不同钢筋直径、不同钢筋埋深条件下,通过钢筋混凝土的拉拔试验,分析钢筋混凝土黏结应力和最大滑移值的变化规律,并通过数值模拟,分析总结钢筋混凝土在不同影响因素下的黏结滑移曲线和演变规律,研究的主要内容和结论如下: (1)通过钢筋和衬砌混凝土的基本性能试验得出:衬砌混凝土的质量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后降低的趋势;衬砌混凝土的抗压强度、劈裂强度随着冻融循环次数的增加而降低,且劈裂强度比抗压强度的下降趋势要快;钢筋抗拉强度随着冻融次数的增加基本保持不变,可以有效剥离钢筋混凝土拉拔过程中因钢筋达到抗拉强度对钢筋混凝土间黏结应力的干扰。 (2)通过设置冻融循环次数、钢筋直径、钢筋埋深为变量的钢筋混凝土拉拔试验,结果表明:衬砌混凝土与钢筋的黏结应力随着冻融循环次数的增加而减小。通过增加钢筋的直径可以增大钢筋混凝土之间的黏结应力,随着冻融循环次数的增加,通过增加钢筋直径来增大钢筋混凝土之间黏结应力的作用越来越明显;通过增加钢筋埋深也可以提高钢筋混凝土之间的黏结应力,但通过增加钢筋埋深来增大钢筋混凝土之间黏结应力的作用越来越微弱。 (3)应用ABAQUS有限元软件对不同冻融循环次数、不同钢筋直径、不同钢筋埋深条件下的钢筋混凝土黏结性能进行数值模拟,通过试验结果与有限元模拟结果进行比对,验证了钢筋混凝土拉拔模型的合理性。且通过有限元模拟软件绘制出了各变量条件下的损伤因子云图,通过损伤云图看出,直径10mm的钢筋混凝土拉拔试件的破坏形式均为拔出破坏,直径为16mm、20mm钢筋混凝土试件的破坏形式均为劈裂破坏。

关键词： 冻融循环   裂隙砂岩   物理特性   力学特性   破坏模式  

摘要： 自然状态下岩石内部普遍存在着不同产状的裂隙结构面,工程岩体受环境及季节影响易发生冻融损伤现象,引发崩落和滑坡等不良地质灾害的概率增加。本文为探究含走向非一致结构面砂岩在冻融循环下的物理力学劣化特征和破坏模式,以灰白砂岩为研究对象,设置了0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七种不同结构面差异角。通过冻融循环试验探究试样在冻融循环下表观劣化特征、质量损失率、饱和含水率和孔隙率的变化情况;通过常规单轴和三轴力学试验研究砂岩的应力-应变曲线、抗压强度、抗剪强度、弹性模量和变形模量等力学劣化特征,并总结砂岩在受压破坏后的破坏模式。论文主要研究内容及成果如下: (1)砂岩在冻融循环试验后的表面特征、质量损失量、饱和含水率和孔隙率均发生变化。在30次冻融循环后试样的端部和预制裂隙附近出现剥落掉块现象,随冻融循环次数的增加劣化现象愈发明显。砂岩的质量损失率随冻融循环次数的增加而增加,饱和含水率和孔隙率变化曲线随冻融循环次数的增加在0～30次冻融阶段缓慢增长,在30～45次冻融阶段快速增长,在45～60次冻融阶段再次平缓增长。 (2)含走向非一致结构面砂岩在单轴压缩和三轴压缩下的应力-应变曲线的变化规律相似,曲线变化大致可分为微裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,与三轴压缩下的应力-应变曲线相比,砂岩在单轴压缩下塑性变形阶段和破坏阶段分别出现了由应力重分布引起的应力跌落和应力回弹。整体上峰值强度随围压的增大而增大,随结构面差异角的增大先增大后减小再增大,随冻融循环次数的增加而减小。 (3)砂岩在单轴压缩下的峰值强度小于三轴压缩下的峰值强度。通过对比分析砂岩峰值强度变化量在冻融循环次数、结构面差异角和围压影响下的变化规律可知,围压和结构面差异角对峰值强度的影响程度大于冻融循环次数对峰值强度的影响程度。冻融循环次数对粘聚力的劣化效应较小且整体规律较差,结构面差异角对抗剪强度的影响作用较大,整体上砂岩的粘聚力与内摩擦角随结构面差异角变化呈现出相反的变化规律,粘聚力随结构面差异角的增大而增大。 (4)整体上砂岩的弹性模量在单轴压缩和三轴压缩下随冻融循环次数变化的增加而降低,随结构面差异角的增加而增加,随围压的增大而增大,单轴压缩下的弹性模量小于三轴压缩下的弹性模量。砂岩的变形模量在冻融循环次数和结构面差异角下的变化规律离散性较大,在围压的影响下变化规律明显,围压增大,变形模量也随之增大。 (5)砂岩在单轴压缩和三轴压缩作用下的主要破坏模式为拉-剪混合破坏,裂纹的发育受控于预制结构面。通过对单轴压缩作用下的破坏过程进行观察分析发现砂岩首先在裂隙尖端起裂,裂纹和损伤区域随应力增大不断扩展贯通,试样最终整体破坏。含不同结构面差异角试样在压缩破坏后表现出不同的裂隙发育特征,含相同结构面差异角试样在单轴压缩和三轴压缩下具有一定共同特征,但同时也存在着一些差异,围压的存在会影响裂隙的发育情况和岩石的破坏特征。

关键词： 单向冻融循环   结构强度   水分迁移   微细观损伤   强度劣化  

摘要： 膨胀土在我国西南、华南、东北等地区广泛分布,其中东北地区膨胀土边坡极易在春融期发生破坏。季节性的冻融循环是膨胀土边坡灾变问题的关键诱因。膨胀土具有显著的水敏性和胀缩性,伴随着冻融过程的水冰相变和水分迁移,土体微细观结构也会损伤劣化,威胁土体安全与寒区工程稳定。因此,明确春融期膨胀土边坡失稳机制,建立冻融循环作用下膨胀土微细观损伤与宏观力学强度劣化的关系,对于解决季冻区膨胀土工程问题有重要的现实意义。 本文以黑龙江省绥化地区典型膨胀土为研究对象,基于研究区膨胀土反常“超固结”现象,探究了膨胀土强度特征,明确了冻融循环对强度效应的影响;以初始含水率、单向冻融循环次数为变量开展单向冻融循环试验模拟季冻区土体自上而下的冻结过程;厘清单向冻融循环作用下膨胀土温度场、水分场、微细观结构及力学性能的变化规律,建立了微细观损伤与宏观力学强度劣化的关系。主要开展了以下几方面工作: (1)判定绥化地区膨胀土为典型结构性土,分析了土体强度特征及影响因素。不同于固结历史原因产生的超固结现象,取样地膨胀土“反常超固结”特征来源于结构强度,其胀缩性增强了原状土在黏粒自身填充胶结和结合水连结两方面的优势。通过对原状样和重塑样进行有侧限高压固结试验及无侧限抗压强度试验,提出应力灵敏度.、应变灵敏度.、结构屈服应力灵敏度.和压缩指数灵敏度.四个参数联合讨论不同基本性质及侧限条件下土体强度特征,可知原状样在结构强度角度的优势与原生损伤角度的劣势之间的强弱关系是决定膨胀土强度特征的关键。研究区膨胀土强度指标受基本性质、颗粒排列、结构连结等内因及侧向限制、历史作用等外因影响。其中,冻融循环是季冻区不可避免的强烈风化作用,其对土体结构带来的损伤劣化显著影响了强度特征。 (2)获取了单向冻融循环条件下膨胀土温度场及水分场,讨论了温度势与基质势驱动下的水分迁移特征与机理。利用温度监测、核磁共振(NMR)、切片含水率测试等手段,监测试样各位置温度与含水率,计算未冻水含量及含冰量。可知初始含水率越大,膨胀土试样升温与降温速率越慢,各位置与试样最上端温度差、未冻水差越大。结合激光粒度试验(LPSA)和扫描电子显微镜(SEM)试验可知,温度势与基质势驱动下的水分迁移现象受冻融循环次数、初始含水率及粒度成分等因素影响,其中水分迁移量与黏粒含量呈强相关。单向冻融循环作用使膨胀土颗粒先团聚后分散,黏粒含量的变化影响持水性能,进而导致水分迁移量随冻融循环次数增加出现先升高后降低再回升趋势。同时,试样的初始含水率越大,试样水分迁移量越大,颗粒团聚与分散速度越慢,水分迁移及粒度变化拐点出现的越晚。 (3)从细观、微观及宏观角度明确了单向冻融循环作用下膨胀土冻胀损伤过程,提出了损伤参数并量化了损伤程度。水分迁移和水冰相变使得试样内部出现不均匀损伤。通过计算机断层扫描(CT)、压汞试验(MIP)及试样高度监测,测试断面孔隙率、中值孔径、孔径分布及冻胀融沉量等参数。可知冻融循环对膨胀土微细观结构的影响主要体现在断面孔隙率扩张和大孔隙(>4μm)含量升高。参考水分和粒度成分对冻胀损伤的影响,可将孔隙扩张和孔径分布变化分为三个阶段:第一阶段以原位冻胀为主,大孔隙内首先出现冰晶并伴随颗粒移动;第二阶段分凝冻胀增多,颗粒团聚现象利于大孔隙扩张;第三阶段团聚体分散限制大孔隙继续发育。同时量化膨胀土各位置冻胀损伤程度,基于断面孔隙率得到土体二维损伤变量D,并积分计算各试样三维总体损伤变量Sα。结果显示试样内损伤最严重区域位于水分迁移导致的水分积聚区(13.5-16.5 cm高度),且初始含水率越大,试样冻胀损伤越严重。 (4)揭示了单向冻融循环作用下膨胀土强度劣化规律,验证了原状与重塑土强度特征差异。冻胀损伤的累积降低了颗粒间连结能力,最终将表现在宏观强度的劣化。通过三轴剪切试验测定上端及下端试样主应力-轴向应变曲线、黏聚力、内摩擦角及弹性模量等指标,可知含水率对膨胀土黏聚力影响较大,对内摩擦角影响较小。单向冻融循环作用下,试样黏聚力发生劣化,而内摩擦角无明显变化规律。上端试样劣化程度较下端严重,19.6%、21.6%和23.6%含水率上端试样强度劣化转折点分别为5次、10次和20次,下端试样转折点均出现在20次～50次之间。基于Pearson相关系数法探究了初始含水率、水分迁移量、冻融循环次数、损伤变量与各强度指标的相关性。同时,可将原状土视作冻融循环无数次的重塑土,膨胀土单向冻融循环前后试样微细观结构及宏观性质的区别也验证了前文原状样与重塑样的相关特征差异。 (5)从数学模型和离散元模拟两方面建立了研究区膨胀土微细观结构损伤与宏观力学性能劣化之间的关系,并探讨春融期绥化地区膨胀土边坡滑塌机制及防治策略。基于损伤力学,考虑冻融循环与试验荷载对膨胀土试样的共同损伤,应用二维损伤变量D和三维总体损伤

关键词： 重塑黄土   冻融循环   动力特性   震陷系数   微观结构  

摘要： 季节性的温度变化常常会引起位于季冻区的黄土地区受到冻融作用,对黄土结构稳定性产生影响,由于黄土本身弱胶结的结构特点,在经历反复的冻结与融化后,土体强度损伤。目前在冻融循环作用下黄土的动力特性仍需要大量学者研究。本文为了研究重塑黄土经过长期冻融循环作用条件下的动力特性、震陷变形特征以及细观机理,依托冻融循环试验、动单剪试验及扫描电镜试验,揭示重塑黄土的动应力应变、动剪切模量、阻尼比等动力学参数随冻融循环次数的影响规律,分析不同冻融循环次数下重塑黄土的震陷变形特征并探究震陷系数与振次的关系,通过微观图像分析土体微观变化特征并结合宏观动力变形阐明其机理。 (1)基于动单剪试验结果,表明冻融循环作用对重塑黄土动应力应变曲线影响显著,黄土的骨干曲线经过5次冻融循环后逐渐趋于稳定且受压缩应力影响作用较大;动剪切模量基本随着冻融循环期数的增加而减小;在低水平压缩应力下,随着冻融循环次数的增加阻尼比不断变大,最大阻尼比对应土体最大能量变化。 (2)对冻融循环下震陷系数特征分析研究得出以下试验结果:冻融循环次数的累积使得动变形增大,震陷系数变化趋势增大。震陷系数曲线随动剪应力出现先缓后陡的特征。即震陷系数曲线在不同的冻融循环次数下随着动荷载的发展,表现出初期增长缓慢的特点,表明在动荷载发展的过程中可能存在一个近似临界动应力,为震陷系数发展速度的节点。 (3)冻融循环作用下重塑黄土震陷系数随振次的增大而逐渐增大但增大过程中急缓程度不一,在冻融作用的影响下,当振次较小时,震陷系数曲线增速较快,土体残余应变快速发展。在同一振次下,冻融循环次数的增加会使震陷曲线逐渐靠上,震陷变形随着冻融循环次数的增多而不断累积变大,试样的残余应变发展越大。 (4)冻融循环作用下重塑黄土结构劣化通过分析微观结构定量参数发现,土中大量新生裂隙引起土体孔隙率改变,土体结构稳定性降低,多次冻融循环后,在长期冻融循环作用下,土体内部颗粒组成新的稳定结构。

关键词： 湿陷性黄土   三轴试验   本构模型   干湿作用   冻融作用  

摘要： 新疆伊犁地区某输水明渠工程部分渠段横穿大面积的湿陷性黄土区域。自运行以来，在夏季高温、冬季低温的气候环境以及季节性供/停水的运行工况共同影响下，明渠渠坡湿陷性黄土力学性质发生劣化，导致渠坡经常发生滑动破坏等现象，严重影响明渠的安全运行。因此，本文从湿陷性黄土力学性质劣化的角度研究输水明渠的渠坡滑动破坏机理，通过对湿陷性黄土进行不同排水条件下以及干湿-冻融循环条件下的三轴试验和SEM微观电镜扫描试验，从宏-微观角度研究研究其力学特性的变化规律和机理。最后，提出适合湿陷性黄土的改进邓肯-张模型和双屈服面弹塑性模型。研究结论如下：　　（1）对黄土进行不同排水方式条件下的三轴试验，研究排水方式对黄土三轴试验曲线和抗剪强度的影响。试验结果表明：在固结排水三轴试验中，随着围压升高，黄土的应力-应变曲线由弱软化型转变为硬化型，体变曲线剪胀现象变弱，在低围压条件下试样破坏形式为剪切破坏，高围压条件下为鼓胀破坏;在固结不排水三轴试验中，黄土的应力-应变曲线均呈现出较弱的硬化现象，随着围压增大，硬化现象明显孔压曲线均呈出明显的剪胀现象，试样破坏形式均为鼓胀破坏;固结排水三轴试验得到的黄土有效黏聚力和有效内摩擦角均大于固结不排水三轴试验得到的黏聚力和内摩擦角。　　（2）对黄土进行干湿-冻融循环条件下的固结排水三轴试验和电镜扫描试验，研究循环作用对黄土三轴试验曲线和抗剪强度的影响，并揭示其机理。试验结果表明：随着干湿-冻融循环次数的增加，应力-应变曲线下降，体变曲线上升，黏聚力和内摩擦角呈现出指数函数减小的变化趋势;黄土试样出现了三种破坏形式，剪切破坏对应的应力-应变曲线为软化型，鼓胀破坏对应的应力-应变曲线为弱硬化型，压密破坏对应的应力-应变曲线呈强硬化型;在干湿-冻融循环作用下，大的颗粒和团聚体被分裂，颗粒间的胶结物质减少，面接触增加，大孔隙面积占比减少，小、中孔隙面积占比、三维孔隙率和孔隙圆形程度增加，分形维数下降。　　（3）采用二次函数对双曲线模型公式进行修改，提出符合黄土的应力-应变曲线公式，并通过修改的数学公式对泊松比进行拟合，提出符合体变曲线的公式，以此提出改进邓肯-张模型，用改进后的模型对循环作用下的黄土三轴试验进行拟合。研究结果表明：改进邓肯-张非线性本构模型可较好地反映各种形态的应力-应变曲线和体变曲线;随着循环次数的增加，改进邓肯-张模型的应力-应变模型参数a和c以及体变模型参数t呈指数函数下降的趋势，应力-应变模型参数b与体变模型参数r、s呈指数函数上升的趋势，且均在循环次数大于3次时基本保持稳定。　　（4）由于没有确定改进邓肯-张模型参数物理意义，从而建立弹塑性本构模型。以修正剑桥模型为基础，分析黄土的压缩曲线，通过添加黏聚强度对屈服面进行修正，在屈服面内建立下加载屈服面，采用非相关联流动法则对塑性势函数进行修正，以此提出双屈服面弹塑性本构模型，对黄土的三轴试验曲线进行拟合。研究结果表明：双屈服面弹塑性本构模型有初始孔隙比e、泊松比v、弹塑性段压缩参数λ、回弹参数k、临界状态应力比M、结构屈服应力py、塑性势函数的形状系数ψ、初始黏聚强度pn0、黏聚强度演化参数A共9个参数;对不同循环次数下的黄土三轴试验曲线进行拟合，模型能够较好的反映黄土试样应力-应变曲线的软化和硬化现象以及体变曲线的剪胀和剪缩现象。