关键词： 硫酸盐侵蚀   冻融循环   耐久性能   水工混凝土  

摘要： 为解决北方寒区长期受盐离子侵蚀及冻融循环造成的水工构筑物服役年限衰减问题,将室内加速试验与工程实践相结合,通过耐久性试验探讨了不利因素耦合作用下混凝土抗压强度、质量和动弹模量等指标变化规律。结果表明:在冻融循环—硫酸盐侵蚀下混凝土的抗压强度、质量及其动弹模量显著减小,为有效抵抗这种耦合破坏作用设计水胶比不宜>0.32;试验结果可以准确反映工程实际状况,为改善水工混凝土特别是复杂环境下的耐久性能提供数据参考。

关键词： 纤维混凝土   冻融循环   气孔结构   宏细观关系   抗压强度   冻融损伤  

摘要： 为探究冻融循环下混杂纤维混凝土宏细观特性的关联性,开展以冻融循环周次及纤维体积掺量为变量的快速冻融循环试验。试验结果表明,不同冻融循环周次下,抗压强度与含气量、气泡间距系数及气泡平均弦长呈正相关关系、与气孔比表面积呈负相关关系,而冻融损伤量与气孔参数则呈相反规律,且均呈近似线性变化;冻融循环周次越大,抗压强度越低、冻融损伤量越大、含气量、气泡间距系数及气泡平均弦长也越大,而气孔比表面积越小;混杂纤维的掺入,优化了气孔结构,提高了抗冻性。

关键词： 粉煤灰砂浆   冻融循环   动弹性模量   抗压强度  

摘要： 冻融大气环境下粉煤灰砂浆的力学性能对砖砌体结构具有重要的影响。在不同冻融循环次数作用下,通过改变粉煤灰掺量,研究粉煤灰砂浆试块的质量损失率、动弹性模量及抗压强度等指标的变化。结果表明,随着冻融循环次数的增加,不同粉煤灰掺量的砂浆试块质量均减小;冻融循环次数相同情况下,粉煤灰砂浆的动弹性模量比水泥砂浆的小,且随着粉煤灰掺量的增加,其动弹性模量降低的愈明显;各砂浆试块的抗压强度均随冻融循环次数的增加而降低,但掺入适量粉煤灰,有益于砂浆的抗压强度。

关键词： 道路工程   橡胶颗粒   冻融循环   应力-应变曲线   切线模量   切线泊松比  

摘要： 在季节性冻土区,冻融作用将改变桩周土体的强度,并诱发桩基发生病害,研制桩周土体置换材料,探明温度及冻融循环对其力学特性的影响机理,对于季节性冻土区桩基冻融与冻胀病害的防治非常必要。利用橡胶颗粒、砂和聚氨酯胶黏剂制作试样;开展不固结不排水三轴压缩试验,获得不同条件下橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线;并通过非线性拟合和回归分析,建立试样切线模量和切线泊松比与轴向、径向应变之间的拟合关系式;据此分析了橡胶-砂胶结材料试样在不同的冻融循环次数、温度及围压等条件下的力学特性。结果表明:橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线没有峰值点,为典型的应变硬化型材料;橡胶-砂胶结材料的切线模量介于2.0~9.0 MPa之间,温度对试样破坏强度和切线模量的影响较大,而冻融循环次数和低围压对试样破坏强度和切线模量的影响相对较小;橡胶-砂胶结材料试样的切线泊松比介于0.50~0.75之间,径向应变越大,切线泊松比也越大。相对而言,切线泊松比受冻融循环次数、温度及低围压的影响并不明显,可忽略不计。橡胶-砂胶结材料有望为季节性冻土区桩基冻融与冻胀病害防治提供支撑。

关键词： 冻融循环作用   岩桥   力学参数   数字图像相关方法   应变能  

摘要： 为研究寒区锁固型岩质边坡的破坏机制,对岩桥试件开展冻融循环试验和单轴压缩试验。以数字图像相关方法为观测手段获得加载过程中的全局应变场,分析冻融循环作用对岩桥变形破裂演化特征的影响。引入能量特征指标,探究冻融岩桥加载过程中的能量耗散和释放规律。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件抗压强度和弹性模量逐渐劣化;冻融循环作用未改变最终破坏模式,均表现为剪切裂纹贯穿中部岩桥造成的失稳破坏。冻融循环作用促进应变集中带的出现和扩展,加剧裂隙周边的应变集中程度。随着冻融循环次数的增加,试件储能极限和应变能峰后转化率逐渐降低,说明冻融循环作用减缓能量耗散和释放;试件最终破坏与能量转化密切相关,储能极限和应变能峰后转化率越大,试件脆性破坏越显著。

关键词： 多次冻融循环   粉砂   螺旋锚   冻拔位移  

摘要： 目前螺旋锚基础在寒区电力工程中得到初步应用,然而季冻区螺旋锚的冻拔稳定性研究有限,尤其缺少针对输电线路基础受力工况的冻融循环试验研究。因此,针对粉砂中螺旋锚冻拔性能进行了室内封闭系统单向冻融循环模型试验,探讨锚几何尺寸、锚顶约束条件、冻融循环次数及冻结边界温度对螺旋锚冻拔位移发展规律的影响。结果表明,锚盘埋于冻深线以下时,冻拔位移量与锚的抗拔承载力基本相关,未冻土中锚的上拔承载力越大,其冻拔位移越小;承载力相近时,锚盘间距小对抗冻拔有利。锚顶自由时,升温锚顶位移部分恢复;而锚顶作用上拔荷载时,升温过程中上拔位移仍持续发展。大盘径锚和小间距多盘锚抗冻拔效果好,在第3次冻融循环后位移增量趋于稳定。在封闭系统下,相同的冻结时间,冻结边界温度降低会增大锚杆切向冻拔力,从而加剧冻拔位移的发展。所得结论可为季冻区螺旋锚基础设计提供一定参考。

关键词： 冻融循环作用   高掺量石粉-混凝土   玄武岩纤维  

摘要： 为了研究冻融循环作用对玄武岩纤维增强高掺量石粉-混凝土力学性质的影响,通过冻融循环试验、无侧限抗压强度试验以及非线性超声波测试,研究了高掺量石粉对混凝土无侧限抗压强度的影响,在此基础上探讨了养护龄期、纤维掺量、纤维长度、冻融循环次数等参数对玄武岩纤维增强高掺量石粉-混凝土力学性质的影响。研究结果表明:冻融循环作用对混凝土的强度影响较大,而添加玄武岩纤维可以有效缓解混凝土在冻融循环条件下的强度损失,提高其抵抗冻融破坏的能力;在试验条件下,最优纤维掺量为5 kg/m^(3),最佳纤维长度为12 mm;另外,养护龄期的延长有助于提高混凝土的无侧限抗压强度,且同一冻融循环次数下,养护龄期为76 d的试块强度要高于养护龄期为28 d的试块;通过非线性超声波测试,得到试块的声波交流有效值随着冻融循环次数的增加而大幅度衰减,同一冻融循环次数下,掺入玄武岩纤维的试块的交流有效值略高于未掺入纤维的试块。对玄武岩增强高掺量石粉-混凝土在严寒地区的工程应用提供一定参考。

关键词： 红黏土   冻融循环   三轴压缩试验   电镜扫描试验   分形维数  

摘要： 随着我国城镇化与现代化的不断发展,越来越多的地基项目遭受着酸溶液侵蚀与冻融循环作用的危害。为研究酸性环境与冻融循环耦合作用对红黏土力学强度与稳定性影响,通过室内力学试验测定出红黏土的基本物理参数,同时制备水化学溶液与三轴试样,对不同水化学浓度和不同冻融循环次数的三轴试样进行常规三轴压缩试验(CU),分析酸蚀-冻融循环耦合作用下红黏土力学性质损伤劣化过程,通过扫描电子显微镜(SEM)试验从微观角度研究酸蚀-冻融循环耦合作用下红黏土内部结构破坏,通过MATLAB软件对微观图像进行处理,分析红黏土孔隙变化规律,并结合分形理论从微观角度分析红黏土损伤劣化机理。得到以下主要结论: (1)红黏土未与酸溶液反应时,其应力-应变曲线为应变硬化型,在与盐酸溶液反应后,应力-应变曲线逐渐转变为应变软化型,同时随着酸溶液浓度的增大,应力-应变曲线中的软化特性更为突出。而酸溶液试样在冻融循环作用后,应力-应变曲线重新转变为应变硬化型。 (2)酸性溶液与冻融循环作用都会使土体的抗剪强度降低,在冻融1次之后,红黏土试样的抗剪强度就出现了较大幅度的下降,而在冻融循环5次之后,下降幅度变缓;变形模量与黏聚力随着冻融循环次数的增加而减小,而内摩擦角随冻融循环次数的增加变化规律不明显。 (3)通过电镜扫描试验(SEM)发现,在酸溶液侵蚀与冻融循环耦合作用下,红黏土内部裂隙与孔隙会增长变大,同时内部颗粒间的联结形式受到破坏,颗粒之间的接触方式从面与面接触逐渐变为点与面的接触。 (4)基于MATLAB分析软件的图像处理技术对红黏土试样的微观结构图像进行了数字化处理,提取并分析了酸溶液侵蚀及冻融循环作用下红黏土的微观结构特征参数。红黏土平面孔隙度随着冻融循环次数的增加而增加,酸溶液的侵蚀与冻融循环作用都会使红黏土试样的分形维数逐渐增高,说明红黏土试样在这两者耦合作用下内部结构变得更为复杂。 (5)结合抗剪强度、平面孔隙度与分形维数进行综合分析,酸性溶液对土体胶结物和矿物成分的侵蚀与冻融循环作用产生的冻胀力会破坏土体内部结构,增大土体的孔隙面积,从而影响土体强度。冻融循环作用是土体孔隙度增大的主要因素,酸溶液对平面孔隙度的影响程度相对较小;且在前5次冻融循环时,土样结构孔隙增长最快,5次冻融循环后,孔隙增长幅度变缓。

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。