关键词： 裂隙岩石   冻融循环   冻胀力   直剪试验   声发射  

摘要： 在寒区进行矿产资源开采普遍存在裂隙岩体冻胀引起地质灾害的问题,极易造成财产损失和人员伤亡。裂隙岩体冻胀主要是由于裂隙内水冰相变产生冻胀力,在外界反复的冻融循环作用下,持续破坏岩体内部结构,从而对岩石的物理力学特性产生劣化。因此,裂隙岩体的冻胀力演化过程及冻融循环对岩石物理力学的劣化作用一直是众多学者研究的热点。本文基于相关理论,建立了考虑初始含水率的冻胀力演化求解模型,在此基础上利用等效热膨胀系数法在COMSOL中对含水裂隙水冰相变作用下的冻胀力演化过程进行分析;此外,通过开展经历不同冻融循环的不同倾角裂隙岩石试样的直剪试验,分析了冻融循环及裂隙角度对岩石强度、声发射特性及破坏特征的影响。主要研究成果如下:(1)基于弹塑性力学、传热学理论、相变理论和引入冻结率函数。分别推导了考虑含水率椭圆裂隙各阶段(水冰相变自由膨胀阶段、冻胀力增长阶段、冻胀力稳定阶段)冻胀力的演化方程。通过构建Bost开展的冻胀力演化试验的数值计算模型,采用等效热膨胀系数法进行求解,计算结果与试验结果相吻合,验证了等效热膨胀法的可行性。(2)采用COMSOL中的固体传热与固体力学两个模块对比模拟了考虑岩石热膨胀效应与否两种情况的冻胀力演化过程,在此基础上对岩石弹性模量、岩石泊松比、冰的弹性模量、冰的泊松比、水分迁移率、裂隙饱和度进行敏感性分析,分析结果表明:水冰相变膨胀是冻胀力产生的主要原因,峰值冻胀力的大小随岩石的弹性模量、岩石的泊松比、冰的弹性模量、冰的泊松比的增大而增大,其中冰的力学性质对冻胀力的影响更大,且冰体泊松比对冻胀力的影响最大;相同条件下,峰值冻胀力与裂隙饱和度、水分迁移率均呈线性关系。(3)通过开展不同倾角裂隙类岩的冻融循环试验及剪切试验,分析了不同倾角试样在冻融循环作用下的剪切曲线、剪切强度及其相关参数、剪切破坏特征,得到了剪切强度及相关参数与裂隙倾角和冻融循环次数的变化规律。此外,利用PFC内置的平直节理模型对不同冻融循环次数的试样进行参数标定,并模拟了试样的直剪过程。结果表明:冻融循环对岩石的剪切特性具有显著劣化作用,且要集中在前10次冻融循环;破坏时的剪切位移不断增大,试样由脆性破坏逐渐转变为延性破坏。试样剪切强度、黏聚力、内摩擦角与裂隙倾角均成“V”字形变化规律;PFC能够较好的模拟不同裂隙倾角岩石试样经冻融损伤劣化作用的剪切力学行为特性。(4)在剪切试验过程中,采用声发射系统监测试样的声发射信号,分析了声发射计数、b值在剪切应力曲线各阶段的特点以及冻融循环对这些特征的影响。分析结果表明:剪切过程中各阶段的声发射信号特征的差异性随冻融循环次数的增加而减弱,裂隙岩石在低剪应力作用时,主要以拉伸破坏为主,并且随着剪应力增大逐渐向剪切破坏转变;裂隙倾角与剪切面的夹角越大,拉伸破坏的主导作用越强;随着冻融循环次数的增加,拉伸破坏作用增强,但仍以剪切破坏为主导。(5)采用数字散斑技术监测岩石的破坏过程,经后期处理得到试样剪切过程中的应变场,进而得出岩石的破坏特征,结果表明:剪应力作用下,试样主要为拉剪复合破坏,且总是向不产生爬坡效应的方向破坏。破坏时裂隙与剪切面夹角较小的试样(0°、30°、150°)裂纹数量较少,夹角较大的试样(60°、90°、120°)裂纹数量相对较多。冻融循环作用会加剧试样破坏程度,随着冻融循环次数的增加,试样表面产生大应变的区域面积增大,破坏模式由拉剪破坏向拉伸破坏转变。并与PFC模拟的裂纹演化过程进行对比,表明PFC能准确的模拟岩石在剪切载荷作用下的破坏特征。图55幅,表9个,参考文献87篇

关键词： 寒区   石膏岩   冻融循环   损伤劣化  

摘要： 我国领土幅员辽阔,各类矿产资源广泛分布于全国各地,其中石膏矿已探明储量达到984.72亿吨,主要集中于西北、西南和中南地区。然而我国冻土面积高达总领土面积的70%以上,且多集中于西部、北部地区,随着国家西部发展战略的持续推进,隧道工程施工中极有可能遇到穿越石膏岩层的场合,同时在这些地区存在露天石膏矿,昼夜气温差、季度气温差以及年气温差造成的冻融循环作用会导致石膏岩出现损伤,并且随着时间的推移而日益严重,进而在隧道围岩和矿区边坡的稳定性上暴露越来越多的问题。因此,本文以山西某隧道施工现场的天然石膏岩为研究对象,进行了冻融循环试验,结论如下: (1)物理效应方面,在石膏岩浸水试验中发现随着浸水时间的增加,试样质量持续上升,在浸水前期的上升速率较高;在经历0、15、30、45次冻融循环试验后,发现随着循环次数的增加,质量持续增加,密度表现为先增后减的趋势,高度明显呈线性规律增加,纵波速以线性规律降低。 (2)力学效应方面,发现石膏岩试样经历冻融循环后,抗压强度、弹性模量和变形模量均以指数规律下降。应力-应变曲线中的压密阶段占峰值应变的比例持续增长,线弹性阶段占比和曲线斜率明显降低,塑性屈服阶段比例先增后减,破坏阶段延长。随着轴向应变的增加,总输入能曲线以较快速率上升,弹性能曲线也随之上升,但上升速率在经历冻融循环后显著变缓,耗散能曲线逐渐由平滑上升演变为“S”型。 (3)在石膏岩冻融损伤机制的探讨中,结合此岩石特殊的化学特性,通过体积膨胀理论和分凝冰理论解释石膏岩的孔、裂隙发育扩展机制,冻融循环条件下石膏岩的损伤劣化是水-岩软化效应和冻融损伤耦合造成的,水-岩软化效应又是物理软化和化学软化相耦合的结果。 (4)定义了基于力学参数弹性模量、抗压强度和变形模量,基于物理参数密度和波阻抗的冻融损伤变量;发现冻融岩石在荷载条件下的损伤由冻融和荷载共同造成,随后探讨了石膏岩在冻融受荷条件下的损伤演化规律和本构关系并进行验证。 本研究成果对寒区含石膏围岩隧道的施工方案设计以及石膏矿区的冻害防治工作具有重大参考意义。

关键词： 矿产开采   岩石开挖   冻融循环作用   损伤演化   破坏特征   近场动力学   能量分析  

摘要： 为了满足我国资源需求日益增长的发展状态，寒区矿产资源开采必将是大势所趋,而寒区地下工程建设是开采过程中最关键的一环。岩石开挖作业是地下工程施工所面临的首要问题，其力学核心特质为多应力路径的岩石卸载力学响应。本文利用Fortran编程语言建立冻融岩石不同应力路径下的近场动力学模型，结合冻融等相关试验，从能量角度探究岩石在不同应力路径下的损伤力学响应及不同应力路径下冻融岩石的损伤演化规律与破坏特征。本文主要内容及结论如下　　（1）初始近场动力学模型针对与材料破坏相关的介观-微观混杂结构问题常采用均质化离散处理法，而本文采用表征岩体材料非均匀特性的偏移质点法建模，突破了均质离散模型在模拟破坏过程中存在的较大局限。针对岩石在压缩荷载条件下表现出的应力-应变曲线峰值前后变化特征，建立近场动力学微弹塑性模型，并分别开展数值模拟与能量理论、试验结果间对照进行所建模型准确有效方面的验证。结果表明，本文所建模型能够符合岩石材料裂纹扩展形态的实际情况，印证在模拟结构损伤断裂方面近场动力学理论具有超越其他理论的巨大优势。　　（2）本文依据近场动力学损伤概念定义的κ值曲线可直观明确的进行不同应力路径与常规三轴压缩对比，结果表明卸荷路径导致岩石材料破坏加快及岩石材料整体破坏情况加重。近场动力学中微裂纹扩展的能量准则指出:能量只积蓄在未断裂的键中。占比更多的键更早进入弹塑性状态，表明键积蓄能量的能力下降，更多的键将更早进入断裂阶段，并将能量释放。两方面结果表明，卸荷路径加快了岩样的破坏，且不同的卸荷路径加快程度不同。三种卸荷路径破坏时的峰值强度、损伤速度、破坏情况及剧烈程度为:加轴压卸围压路径＞恒轴压卸围压路径＞减轴压卸围压路径。　　（3）岩石材料经历冻融循环作用后，岩石材料的弹性模量与峰值强度随冻融循环次数增多而下降。各应力路径下冻融岩石的破环形态发展趋势发生了改变。不同冻融循环次数下岩石材料各路径的模拟能量曲线显示，弹性能最大值与峰前总能量值随冻融次数增加而降低。说明冻融作用下输入岩石材料的能量更多转化为耗散能，岩石破坏速度加快且冻融循环次数越多破坏程度越严重。根据各应力路径能量比曲线分析可知，冻融作用导致岩石的塑性硬化阶段变长;峰后能量比值曲线的斜率随冻融次数呈减小趋势，斜率越小表示岩石的破坏越剧烈。结合未断键占比变化情况可得，不同应力路径下岩石材料受冻融作用影响的大小遵循:加轴压卸围压路径＞恒轴压卸围压路径＞减轴压卸围压路径。

关键词： 双钢板-混凝土组合结构   冻融循环作用   界面抗剪性能   数值模拟  

摘要： 双钢板-混凝土组合结构具有良好的力学性能和可模块化建造性,目前已逐渐应用于核电厂、海洋平台、海底沉管隧道等。双钢板-混凝土结构在面外荷载作用下会引起沿着钢板与混凝土之间界面传递的界面剪力,钢板与混凝土之间良好的界面抗剪性能是在地震作用、飞机撞击等作用下发挥该种结构优势的重要基础,同时随着这种结构在北方寒冷地区的推广与应用,双钢板-混凝土组合结构可能遭受冻融循环作用的风险从而危害结构的服役性能,因此开展双钢板-混凝土组合结构在冻融循环作用下的界面抗剪性能研究具有重要意义。 本文围绕双钢板-混凝土组合结构在冻融循环作用下的界面抗剪性能展开研究。首先进行双钢板-混凝土组合试件的冻融循环作用试验,然后进行试件界面抗剪性能试验,考察试件的破坏模式和界面抗剪性能,在此基础上建立了冻融循环作用下双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能有限元分析模型,通过参数影响分析,考察混凝土强度等级、栓钉长度等参数对试件界面抗剪性能的影响,最后提出适用于冻融环境下以栓钉作为抗剪连接件的双钢板-混凝土组合结构界面受剪承载力计算公式。主要研究工作与研究成果如下: (1)设计并制作了45个双钢板-混凝土推出试件,对试件进行了冻融循环作用试验,测量了与双钢板-混凝土推出试件对应的核芯混凝土材料在冻融循环作用下的基本力学性能和抗冻性能。 (2)进行了双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能试验,获得了试件的破坏模式和荷载-滑移曲线。试验结果表明,冻融循环作用降低了双钢板-普通混凝土试件的界面抗剪性能,而对双钢板-超高性能混凝土试件影响不明显。在冻融循环过程中,双钢板-超高性能混凝土推出试件的界面抗剪性能要优于双钢板-普通混凝土推出试件,双钢板-超高性能混凝土推出试件的单个栓钉受剪承载力是双钢板-普通混凝土推出试件的2.02倍。 (3)系统开展了不同参数影响下双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能数值模拟,考察了混凝土强度等级、栓钉长度、栓钉横排间距和列间距对试件界面抗剪性能的影响规律,在此基础上,结合本文试验,提出了适用于冻融环境下以栓钉作为抗剪连接件的双钢板-混凝土界面受剪承载力计算公式。

关键词： 伊犁地区   黄土滑坡   冻融循环作用   冻结滞水   形成机理  

摘要： 伊犁地区地处我国天山西部,是典型的季节性冻土区,冻融黄土滑坡频发,对当地工程建设和人居安全造成严重威胁,因此亟待开展冻融黄土滑坡形成机理研究。本文依托“南疆兵团师市规划建设区资源环境综合地质调查”项目,以伊宁县喀拉亚尕奇乡地区典型冻融黄土滑坡为研究对象,开展了详细的野外实地调查、原位地温监测、室内测试试验以及数值模拟分析。依据野外调查结果与室内数据分析,系统总结了冻融黄土滑坡破坏过程,探讨了冻融黄土滑坡的形成机理。主要的研究内容和成果如下:1.通过资料收集、野外调查以及地温监测,进一步的分析冻融作用,总结研究区冻融黄土滑坡发育的主要特征并对黄土滑坡在冻融过程中地温变化规律进行分析,为后续的研究工作提供理论基础与数据支撑。2.采集研究区冻融黄土滑坡处原状黄土,对其进行不同次数的冻融循环作用,然后进行三轴剪切试验以及渗透试验,试验结果揭示了随着冻融循环次数的增加,黄土的极限破坏应力呈线性下降,黏聚力逐渐下降,最后趋于水平,内摩擦角呈现缓慢上升的趋势,变化程度不大;随着多次的冻融循环后,土体的渗透系数呈现先增大后稳定的发展趋势,试验结果确定了冻融循环作用对研究区黄土强度的劣化程度。3.采用Geo Studio软件中Sigma/w和Seep/w模块对研究区冻融作用下黄土滑坡的渗流场以及应力场进行模拟分析,渗流场模拟验证冻结滞水的存在,并确定滞水高度以及影响范围,应力场模拟确定黄土斜坡在冻融作用过程中不同时间阶段的位移情况,确定冻融过程中初始融化阶段坡体的位移达到最大。结合温度场、渗流场和应力场,通过有限单元应力法,分析黄土斜坡在冻融过程中不同阶段的稳定性,实现三场耦合分析斜坡的稳定性,模拟结果显示冻结期稳定性有所上升,融解期稳定性最低,随后上升,但较初始斜坡稳定性仍减小。4.分析冻融黄土滑坡形成过程,总结冻融作用诱发黄土滑坡的两种方式为坡体冻结层受冻融循环作用影响和坡体内部冻结滞水作用。冻结过程中坡面冻结层渗透系数急剧下降,导致地下水位升高,土体的软化范围增大,但由于冻结层强度较大,坡体稳定性不降反增,融解期地下水溢出带解冻,水头差较大致使滞水迅速排泄,产生较大的动水压力,并且此时冻结层已经历多次冻融循环作用影响,斜坡稳定性急剧下降。

关键词： 新型透水混凝土   暴雨内涝   疲劳荷载   冻融循环  

摘要： 近年来,极端暴雨的频率与强度逐渐上升,暴雨诱发的城市内涝灾害席卷全球,严重威胁人们的正常生活,铺装透水混凝土路面可有效降低暴雨内涝的风险。然而,传统透水混凝土普遍存在强度低、长期性能差、在暴雨作用下易堵塞且难修复等问题。且透水混凝土在使用过程中,必将承受荷载与环境因素作用,而这些作用必将影响其暴雨作用下的抗堵塞性能,这也是现阶段制约工程应用的所在。既有研究虽取得了新进展,但面临的主要问题是暴雨作用下易堵塞,且未探明疲劳与环境因素后,透水混凝土暴雨作用下的快速堵塞性能演化规律及机理。基于此,本课题制备了上下直通孔型新型透水混凝土(NSRPC)。探究了疲劳荷载与冻融循环单独及耦合作用对NSRPC抗暴雨内涝的影响及作用机理;获得了不同重现期暴雨作用下,NSRPC抗暴雨内涝的极限状态及性能经时变化规律。取得的主要结论如下:(1)研究了冻融循环对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,利用三种重现期暴雨试验检验了冻融循环后NSRPC的渗透性,获得了冻融循环后NSRPC抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,人工孔道削弱了NSRPC的抗冻性,但300次冻融循环后,NSRPC的质量损失率仍低于2%,相对动态弹性模量高于80%,抗压强度最高为55.4 MPa。随着冻融循环次数的增加,NSRPC的透水系数不断降低,且钢纤维的加入能抑制冻融后期NSRPC渗透性的下降。此外,所有NSRPC均能满足20或50年重现期暴雨作用下无积水的要求;更甚者,钢纤维体积掺量为2%的NSRPC能满足100年重现期暴雨作用后无内涝且排水时间远小于15 min的要求。(2)研究了疲劳荷载对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,同时考虑二级公路对应不同使用年限内疲劳循环次数的变化,得到了基于疲劳荷载的NSRPC抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,适当的疲劳循环次数(<5×10～4)可以增加NSRPC的抗压强度,2×10～5疲劳循环次数作用后,NSRPC的抗压强度下降了15.6%。NSRPC的透水系数几乎不随疲劳循环次数的增加而变化。随着钢纤维含量增加,NSRPC基体内部积累的损伤降低,塑性变形减小。在20年、50年和100年重现期暴雨作用下,疲劳荷载作用后NSRPC表面产生的最大积水深度分别为0.4 mm、0.9 mm和2.1 mm,降雨结束后积水可以通过自排水消散,满足疲劳荷载作用后暴雨期间无内涝的要求。(3)研究了疲劳与冻融循环耦合作用对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,依次通过疲劳-冻融试验检验了NSRPC在疲劳与冻融环境中抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,疲劳荷载加剧了NSRPC后期的冻融损伤。随着疲劳循环次数的增加,NSRPC的抗压强度和抗折强度损失率不断上升,透水系数先降低后增加。疲劳循环次数的增加促进了微观裂缝的产生与拓展,提供了更多水分侵入基体的通道。疲劳与冻融循环耦合作用后,NSRPC的质量损失最低仅为1.8%,相对动态弹性模量可以达到89.2%;NSRPC在20、50和100年重现期暴雨作用下,最大积水深度小于150 mm,排水时间小于15 min,满足二级公路的使用需求。综合考虑疲劳与冻融循环耦合作用后NSRPC的强度、耐疲劳性、抗冻性能、渗透性及抗暴雨内涝性能,将此种上下直通孔型新型透水混凝土用于缓解城市暴雨内涝问题是可行的。研究结果不仅可以为NSRPC在实际使用过程中提供方向,并可以为相关技术标准的制定提供相关的指导。

关键词： 盐冻融循环   ECC   既有混凝土   直剪试验   界面粘结性能  

摘要： 工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites,ECC）在拉伸荷载作用下,其极限拉应变可达到3%以上,具有应变硬化和产生多条细密裂缝的显著优点,研究表明ECC具有良好的抗拉、抗弯及耐腐蚀性能,因此被广泛的应用于混凝土桥梁的加固中。在严寒地区ECC与混凝土的粘结界面可能还会遭受盐冻融侵蚀,导致外围混凝土脱落、强度下降,进一步削弱ECC与混凝土界面的粘结性能,降低ECC修复或增强混凝土结构的耐久性。为了进一步研究盐冻融循环下ECC与既有混凝土的粘结面的耐久性能,本文通过推出式直剪试验和有限元模拟相结合的方法对其开展详细研究,研究内容如下:（1）通过直剪试验研究了ECC强度、粗糙度、界面处理方式等因素对普通环境下ECC与既有混凝土之间的界面抗剪性能影响规律,从试验现象、破坏模式及荷载-滑移曲线等方面探究在剪切荷载作用下ECC与既有混凝土最佳工作方式。（2）通过盐冻环境下复合试件的抗冻试验及界面抗剪性能试验,研究了在不同冻融循环次数下试件的质量损失率、冻融破坏模式及受力行为,揭示盐冻环境中在剪切荷载作用下ECC与混凝土界面粘结破坏机理及粘结性能退化规律。（3）对某试验梁进行有限元分析,模拟寒区桥梁使用环氧树脂粘结预制ECC板加固,探究考虑结构粘结性能退化对结构整体性能的影响,开展基于预制ECC加固梁的综合性修复分析。得出的主要结论如下:（1）普通环境下界面破坏模式有两种:界面破坏、界面破坏发展到基体材料破坏,其中界面处理方式及界面剂种类对试件破坏模式有影响,ECC强度对试件破坏模式没有影响,只对极限荷载有影响,且界面处理方式、界面剂材料对界面粘结强度的影响较为显著。（2）通过对普通环境下各试件界面粘结-滑移曲线进行分析,发现光滑处理、界面凿毛、UDC粘结的试件,在破坏过程中无法测量到下降段,破坏模式主要以脆性为主;对于螺栓连接、环氧胶粘结的试件,其破坏过程可以分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段,破坏过程中延性破坏较为明显。（3）冻融后试件破坏模式主要分为三种:界面破坏、界面破坏过渡到粘结材料破坏、界面破坏过渡到基体材料破坏,冻融环境、界面处理方式及界面剂种类对试件破坏模式有影响,ECC强度对试件破坏模式没有影响,只对极限荷载Pu有影响,且界面处理方式及界面剂种类对界面剪切强度退化有显著影响,界面越光滑,剪切强度退化越快,使用高性能的界面剂能够有效的抑制界面剪切强度的退化。（4）冻融环境中结冰产生的冻胀力实际上是一种单轴拉伸循环应力,这种力作用下的损伤实际上是一种低周期疲劳损伤,且基于其他学者关于冻融损伤的研究并结合试验结果,建立了盐冻融循环作用下环氧树脂胶接试件残余直剪强度预测模型,经验证模型预测值与试验值有较好的一致性。（5）通过有限元分析发现:界面粘结-滑移退化对结构整体的工作性能具有一定的影响但影响程度不大,而冻融循环对界面粘结滑移性能的影响程度较加固结构整体工作性能更大。

关键词： 陇东地区   石窟寺砂岩   北石窟寺   表层风化机理   冻融循环作用   水-热-盐耦合作用  

摘要： 石窟寺在世界文化遗产中是最具中国特色的文化遗产类型之一,在我国文化遗产中也占有重要的地位。石窟寺遗址完整地体现了佛教文化从传入我国到本土化的过程,具有传承脉络清晰、关联性密切、体系完整的特征。此外,我国石窟寺沿着沿丝绸之路由西向东、向南在我国境内传播,是中西方文明交流的重要见证。这些价值极高的石窟寺遗址是前人留给我们的宝贵财富,民族智慧的结晶,体现了中华民族的经久不衰的生命力与创造力。石窟寺遗产的保护、传承与利用在社会的物质文化与精神文化建设中起到了重要的作用,对传承发展中华优秀传统文化,建设社会主义文化强国,高质量共建“一带一路”和促进文明交流互鉴具有重大意义,因此其保护研究也引起了广泛地关注。在数千年的自然营力及人类活动的影响下,我国石窟寺普遍面临着岩体及洞窟的结构失稳、渗水病害及风化等关键问题。历经70余年的保护研究,我国石窟寺的保护现状已经得到了有效的改善,但中小型石窟寺所面临的关键问题仍旧突出。特别是风化问题,其是石窟寺保护所面临的最普遍、最直接、危害最大、治理工作最为迫切的问题。依据全国石窟寺专项调查结果,我国石窟寺及摩崖造像共计5986处,其中石窟寺遗址2155处,约80%的石窟寺开凿于砂岩崖体之上,这些砂岩石窟寺均发育了不同程度的表层风化病害。本文基于陇东地区石窟寺砂岩的表层风化现状及特征,从区域角度出发对陇东砂岩石窟寺的赋存环境及风化病害进行了详细的现场调查与梳理,并通过取样分析对陇东地区石窟寺砂岩的风化程度进行了定量评估。以北石窟寺为例对赋存环境及风化病害之间的关系进行了进一步的精细化探索,通过原位取样及分析测试对北石窟寺砂岩在真实赋存环境下的风化机理进行了研究。在此基础上,选择洞窟内外部环境下温度变化梯度为变量,对北石窟寺白垩系砂岩展开了冻融劣化的研究。并依据北石窟寺水样的可溶盐含量及洞窟赋存微环境,开展了水-热-盐耦合作用下的砂岩风化试验研究。本文的主要研究结论如下:(1)首次利用区域性研究方法对陇东地区砂岩石窟寺的区域风化特征进行了分析研究。依据分布特征可将陇东地区砂岩石窟寺划分为4个主要区域:合水区域(A1)、西峰与镇原区域(A2)、泾川区域(A3)和华亭区域(A4)。其中A1与A4区域砂岩石窟寺的主要表层风化病害为片状剥落与鳞片状剥落,A2与A3区域砂岩石窟寺的主要表层风化病害为表层盐霜与颗粒状剥落。(2)通过现场调查及取样分析对陇东地区石窟寺砂岩的风化程度进行了定量评估。结果表明4个区域石窟砂岩的抗风化能力依次为:A1>A4>A2=A3。由A1、A4向A2、A3区域过渡的过程中,石窟寺砂岩的抗风化能力发生了显著地下降。其中尤以A2区域的北石窟寺砂岩表层风化最为典型,因此选择以北石窟寺为典型代表开展石窟寺砂岩表层风化的研究。(3)对北石窟寺砂岩表层风化病害进行了精细化调查,将其划分为裂隙、剥离与脱落、材料损失形貌、变色与堆积、生物侵蚀5个大类,浅表性裂隙(风化裂隙)、鼓包胀裂、层状剥落、片状剥落、颗粒状剥落、鳞片状剥落、表面凹窝、差异侵蚀、盐霜、植物侵蚀、动物侵蚀、微生物侵蚀共计12个小类。并基于温湿度监测数据发现洞窟内外部环境最大的差异为温湿度变化梯度,内外部环境下最大的温度变化梯度分别为±8℃/h与±4℃/h。(4)采用原位取样和室内试验的方法对北石窟寺砂岩水平方向由表及里的风化特征及机理进行了探究,查明了崖体内可溶盐分的迁移动力学过程。结果显示:盐霜与次表层盐霜分别是北石窟寺崖体岩屑砂岩地层和长石岩屑砂岩地层的主要盐风化病害;砂岩表面之下存在一个显著的“蒸发平面”,该平面是盐分累积的主要区域,岩屑砂岩地层表层之下的1cm深度处与长石岩屑砂岩地层表层之下的3cm深度处为蒸发平面的位置;长石蚀变反应也在砂岩由表及里的风化过程中起到了重要作用,与盐分累积特征不同,长石趋向于在表层率先蚀变,导致表层高岭石与伊利石矿物含量的增加。(5)通过以温度变化梯度为变量对饱和条件下北石窟寺砂岩的冻融循环风化进行了室内实验研究,室内试验再现了北石窟寺砂岩表层的真实风化病害。结果发现洞窟外部环境下冻融循环所引起的砂岩样品风化更为严重。样品的层理面是浅表性裂隙发育的优势面,这主要是因为层理面处砂岩的孔径较大,而大孔径孔隙内的液态水首先冻结则使其遭受了更大的冻结压力。随着冻融循环的进行,抗压强度、抗拉强度与纵波波速均呈指数形式衰减,此外本文在已有研究的基础上加入了初始完整度参数使拟合方程与实际情况更加吻合。冻融循环会使得砂岩内部小孔径孔隙转变为大孔径孔隙,砂岩结构变得疏松。(6)依据北石窟寺水样的可溶盐含量及洞窟内外部环境差异对北石窟寺砂岩在水-热-盐多因素耦合作用下的风化机理进行了探究。结果显示:(1)在水-热-盐多因素耦合作用下,样品的主要表层风化病害类型为浅表性裂隙、颗粒状剥落以及差异侵蚀。(2)从洞窟环境的角度

关键词： CA砂浆   粘弹性能   冻融循环作用   疲劳荷载作用   热力学参数  

摘要： 水泥乳化沥青砂浆（CA砂浆）是一种粘弹性材料,其变形依赖于时间、温度、应力等多重因素。CA砂浆层作为CRTS I型无砟轨道的关键结构层,其粘弹性行为的改变将直接影响着轨道结构整体的服役性能。然而,目前针对于CA砂浆粘弹性的研究还不够充分,关于CA砂浆粘弹性随作用历史变化的研究鲜有报道。因此,开展CA砂浆粘弹性试验和理论研究,为轨道结构的服役性能研究提供材料参数。基于粘弹性原理,开展不同温度及不同应力水平下的压缩蠕变试验,研究CA砂浆的蠕变方程,并应用时温等效模型、时间-应力等效模型、时间-温度-应力等效模型建立不同温度及应力条件下的蠕变柔量主曲线,进一步考虑冻融循环及疲劳作用历史对其粘弹性能的影响;同时对砂浆热力学参数开展试验测试;基于温度循环试验,探究CA砂浆与混凝土的层间粘结性能。本文主要研究内容及结论如下:（1）基于粘弹性原理,对室内制备的CA砂浆试件开展-30℃～60℃不同温度及0.1MPa-0.4MPa不同应力水平的单轴压缩蠕变试验,基于试验数据,建立蠕变方程及蠕变柔量主曲线方程,结果表明:在不同温度及应力水平下,CA砂浆蠕变变形存在一定差异,蠕变变形量随着温度的升高或者应力的增加而增大。选用“四单元五参数”的修正Burgers模型能够较好地描述CA砂浆的蠕变行为。同时根据时间-温度-应力等效原理,对不同温度及应力水平的蠕变柔量曲线族进行移位,构建了某一参考应力和温度条件下的蠕变柔量主曲线,获得了CA砂浆的C1、C2和D1、D2,D3、D4等效模型参数,实现了对CA砂浆在任意温度、应力水平和荷载作用时间的蠕变变形预测。（2）基于蠕变试验,探究冻融循环作用及短期疲劳劣化作用对CA砂浆粘弹性能的影响。在经历冻融循环及短期疲劳劣化作用后,CA砂浆仍具有一定的粘弹特性。随着冻融循环次数的增加,CA砂浆的蠕变累积变形量有所增加;而随着疲劳作用次数的增加,CA砂浆的蠕变变形量逐渐降低。通过SEM观察CA砂浆微观形貌发现,冻融循环作用后,CA砂浆内部孔隙贯通,沥青成分对水泥水化产物的包裹能力减弱;而在较小应力水平下,疲劳作用次数的增加使得砂浆结构变得密实,粘弹性变形能力降低。选用“四单元五参数”模型仍然能够较好地对冻融及疲劳作用后的CA砂浆蠕变性能进行表征。根据拟合结果可知,随着冻融循环次数的增加,CA砂浆的抵抗瞬时弹性变形的能力和抵抗蠕变变形的能力逐渐下降,而随着疲劳作用次数的增加,CA砂浆的瞬时弹性变形的能力和蠕变变形的能力逐渐降低。（3）类比于沥青混合料的热力学参数测定方法,获得了CA砂浆比热容、导热系数以及热扩散系数结果。基于温度循环试验,探究了CA砂浆与混凝土的层间粘结性能,在温度循环作用下,混凝土-CA砂浆-混凝土复合试件各深度处的温度传递存在着滞后性;由于CA砂浆和混凝土的热力学系数不同,各结构层产生不协调变形,导致CA砂浆与混凝土界面粘结性能逐渐减弱,最终出现脱粘现象。

关键词： 冻融循环   灰砂岩   物理力学特性   SMP准则   损伤劣化模型  

摘要： 随着我国经济的持续发展,寒区资源的开发和利用显得尤为重要,然而随着寒区岩土工程数量和规模的增加,冻融灾害问题也随之出现,这对寒区建设的稳定及安全造成严重影响。因此,本文结合西藏甲玛矿区的水文地质和气象调查结果,以不同含水状态灰砂岩为研究对象,在冻融循环试验基础上进行物理力学性质、微观结构和物相分析试验,结合冻融力学和损伤力学等理论,从宏细观角度对不同含水状态的冻融灰砂岩物理力学特性及损伤劣化机制展开了系统研究,取得的主要研究成果如下:(1)冻融循环试验前,灰砂岩的纵波波速随含水率的增大而增大;冻融循环试验后,不同含水状态灰砂岩的质量、纵波波速的损失率随冻融循环次数的增加而增大,此外,冻融循环次数越多,不同含水状态灰砂岩的损失率曲线差异越明显,其变化也趋于平缓。在冻融循环作用下,干燥状态的灰砂岩孔隙率基本无明显的变化,但对于自然及饱和状态的灰砂岩,随冻融循环次数的增加孔隙率逐渐增大,且随冻融次数的增加其差异越显著。(2)冻融循环试验前后,灰砂岩的峰值强度、弹性模量等都会随含水率或冻融循环次数的增加呈指数函数变化,具体表现为:峰值强度及弹性模量呈指数型减小,而峰值应变随含水率的增大呈指数型增大。此外,不同含水状态灰砂岩随着冻融循环次数的增加,抗冻系数逐渐减小。其中,自然及饱和状态岩石的抗冻系数下降较为明显,同时,当冻融循环次数相同时,随着含水率的增加,抗冻系数的降低速率也逐渐增大。(3)通过电镜扫描试验结果,发现干燥状态的灰砂岩形貌结构在冻融作用下整体结构变化不大,其表面较为平整且排列紧密,受冻融作用影响较小;自然状态的灰砂岩表面较为粗糙,产生部分片状颗粒物,同时伴有微裂纹的产生,大孔隙出现较少,主要以小孔隙为主;饱和状态灰砂岩出现较多蜂窝状区域且矿物颗粒较为松散,并出现明显的断裂痕迹,岩石结构发生更为显著的破坏。(4)根据X射线衍射试验,发现灰砂岩主要含有氧、铝、硅、钙、钾和铁6种含量较多的元素,形成的主要物质有石英、云母、高岭石及绿泥石,其中粘土矿物含量由未冻融时干燥状态下的22.5%降低到了16.3%,其稳定性较差,容易受到水和冻融作用的影响,导致灰砂岩发生劣化损伤。(5)为探究冻融灰砂岩的损伤演化规律,对冻融岩石弹性模量、纵波波速及单轴抗压强度的损伤因子进行对比分析,结合损伤力学和冻融力学等理论,建立了单轴压缩下不同含水状态灰砂岩的冻融损伤演化模型;在此基础上,基于SMP准则建立了考虑残余强度特征的冻融-受荷岩石损伤软化模型,对模型进行验证发现不论是单轴或是三轴压缩条件下,此模型均能较好的反映冻融岩石损伤劣化过程,其损伤力学特性曲线符合一般规律。