关键词： 裂隙岩体   锁固段   冻胀变形   冻融损伤   边坡稳定性  

摘要： 我国将近60%以上的矿产资源储量分布在西部地区,随着西部资源的进一步开发,反复冻融作用诱发边坡出现滑坡、塌陷等地质灾害,严重威胁矿山生产和人民的生命财产安全。大量边坡坡体中赋存着强度较高且受力集中的岩桥段,其分布、发育程度及所受应力状态控制着边坡的变形,该岩桥段对边坡稳定性起到关键的锁固作用。在我国西部高寒地区的锁固型边坡,受到强烈的冻融循环作用而面临复杂的冻融灾害问题。因此,开展岩桥冻融劣化损伤特性研究,从细观力学角度深入揭示冻融作用下锁固型边坡破坏演化力学机制与滑移特征,是对寒区边坡灾害防控具有重要意义的关键问题和难点问题。本文以新疆备战铁矿工程为背景,采用室内试验、理论分析、相似模型构建及数值模拟等多种方法,深入研究了岩桥冻融损伤机理,探讨了寒区锁固型岩质边坡渐进性破坏机理及防治措施,主要内容如下:(1)通过开展不同长度和张开度的裂隙花岗岩在不同冻结温度下的反复冻胀力及冻胀变形监测试验,获得了冻融过程中冻胀力及冻胀变形演化过程,分析了冻结温度、裂隙几何尺寸对裂隙岩体冻胀损伤特征的影响规律。综合考虑裂隙扩展变形与岩石塑性应变特点,建立了低温裂隙岩体冻胀变形理论模型,得到岩石冻胀变形规律,揭示低温裂隙岩体冻胀损伤机理。(2)通过不同应力路径下的室内力学试验,分析冻融循环条件下岩桥力学性能及破坏机制,得到冻融次数、岩桥倾角及围压对岩体破坏形态的影响规律。对比分析冻融后裂隙试件的声发射参数,提出基于声发射参数的裂隙岩石冻融损伤演化方程。结合细观损伤理论与宏观统计损伤模型方法,构建冻融受荷共同作用下锁固型岩体宏细观损伤模型,揭示循环冻融下不同岩桥角锁固型岩体的细观损伤劣化机制。(3)基于锁固型边坡相似物理试验,采用数字相关技术系统采集边坡相似模型破坏过程中图像演变,研究冻融循环条件下锁固型边坡水平位移场、主应变场的演化特征,归纳了冻融循环与锁固段角度对边坡变形场的影响规律。分析冻融影响下边坡破坏过程中锁固段区域应变特征,获得了锁固型边坡裂纹扩展过程及破坏模式。并基于边坡滑移破坏过程多维信息采集,得到冻融影响下锁固型边坡破坏前兆信息。(4)将裂隙岩体冻胀变形理论模型嵌入PFC,编制FISH程序实现岩体裂隙冻胀扩展速率计算,成功模拟了裂隙冻胀破裂损伤过程,分析了冻胀损伤细观力学场变化。分别用颗粒体模型与节理模型对岩块与节理进行表征,建立锁固型边坡颗粒流模型,从细观力学角度深入分析锁固型边坡渐进性破坏过程中的力学机制,得到边坡锁固段的贯通破坏及滑移特征。基于细观力学参数弱化思想,得到寒区锁固型岩质边坡安全系数变化规律,并提出相应的加固措施。

关键词： 黄土   冻融循环   冻结特性   累积变形   强度特性  

摘要： 季节冻土区温度反复交替变化,路基土体会出现不同程度病害,给寒区工程建设和维护带来较多困难。因此,本文以兰州某路基黄土为研究对象,采用有压冻融试验装置和MTS-810冻土力学试验装置,开展一系列有压冻融循环试验和冻土动三轴试验,探索冻融对黄土路基温度、累积变形、冻胀融沉等的影响规律,及冻融循环对黄土强度特性的影响。以此综合分析实际工程中土体冻融灾害破坏机制及冻结黄土强度变化规律,利用数值软件COMSOL对黄土路基工程案例进行水分场及温度场分析,并与实测数据进行对比分析。具体研究结论如下:（1）有压冻融循环下黄土温度及变形特性。基于可加载冻融循环试验,发现:存在一临界初始含水率ω=20%,使得土体在相同深度位置处温度分布会随初始含水率增大而呈现先降后升的变化趋势;但冻融循环对土体内部温度分布影响略微较小。存在一临界初始含水率ω=20%,使得黄土冻结深度以及冻结速率均随初始含水率增加而呈现先增大后减小的变化趋势。在冻融过程中,黄土累积变形均会随压力增大、冷板温度降低、初始干密度增大及初始含水率增大而增大。不同压力和冷板温度条件下,在冻融过程中土体的冻胀率和融沉率变化曲线均表现出较为明显地三阶段变化:快速变化、缓慢变化、稳定变化;在冻融初期初始干密度的增大,会抑制土体冻胀融沉的发展,但在冻融后期,则表现出加剧土体冻胀融沉的现象;在初始含水率低于ω=16%时,土体在冻结过程中并不会发生冻胀,反而会产生较为明显地融沉效果。通过引入物理变量冻融循环稳定系数K和干密度修正公式,得出土体冻融、融沉与冻融循环次数三者之间的数学关系表达式,发现随冻融发展,土体冻胀与融沉变化量将会逐渐接近相等,但依旧无法避免冻融灾害对基建设施的损害,进一步从机理上揭示冻土区冻融灾害破坏机制。冻融后土体分层含水率沿试样深度方向呈现近似“S”型分布变化。（2）冻融循环下冻结黄土力学性质试验。基于冻结黄土单轴及动三轴试验,发现:冻融循环后,黄土的单轴应力-应变曲线为应变软化型,其单轴抗压强度均出现不同程度的降低,破坏形式以脆性破坏为主。在动三轴试验中,发现经历冻融后,黄土骨干曲线为应变硬化型,且试样破坏时主要以塑性破坏为主;在相同频率条件下黄土破坏时振动次数与冻融次数、冷源温度、初始含水率均呈现负相关变化趋势,但破坏振次却与初始干密度、围压呈正相关变化趋势。在冷源温度T

关键词： 重力坝   溶蚀作用   冻融循环   抗震性能   粘滞阻尼器  

摘要： 我国水工结构数量庞大,且服役年限较长,在长期的工作过程中,水坝发生材料性能劣化不可避免。以混凝土重力坝为例,坝面死水位以下部分常年浸润于库水中,易受溶蚀作用产生性能劣化。在我国寒区,坝面材料力学性能易受冻融循环影响而出现下降。本文同时考虑两者共同作用对水坝材料性能的影响进行了研究。在水坝长期服役过程中,混凝土重力坝的性能劣化往往只停留在坝面,其对结构极限承载能力的影响有限,而在地震荷载的作用下,水坝产生结构破坏后将会严重影响水坝的整体稳定性,造成不可估量的严重后果。本文将混凝土性能劣化与抗震研究相结合,探究混凝土重力坝在溶蚀作用与冻融循环双因素影响下水坝的抗震性能。地震的作用是持续的,在主震作用后,往往伴随若干次余震,其破坏性往往不亚于震级更高的主震。在连续的地震作用中,水坝结构往往会产生一定的损伤而不至于发生倒塌,而在余震作用下,主震即损结构的损伤将会加深,发生破坏的累积效应。粘滞阻尼器是实用性强且在建筑结构中应用广泛的减震措施,但其在混凝土重力坝中的应用较少,若能将其合理布置于混凝土重力坝中,或将有效改善混凝土重力坝的抗震性能。因此,本文对主余震作用下即损寒区混凝土重力坝进行抗震性能研究,并提出了相关解决方案。本文主要研究内容如下:(1)根据寒区混凝土重力坝服役的具体环境因素,充分考虑库水对水下坝面的溶蚀作用与混凝土冻融循环导致的性能劣化。根据已有文献资料确定混凝土力学性能衰减规律,计算得出混凝土性能劣化后各项力学性能参数与本构关系。基于本构模型建立混凝土重力坝塑性损伤模型,进行主震动力响应分析,研究水坝性能劣化前后坝体损伤情况、薄弱位置应力分布情况等。(2)构建若干条主余震序列,在主震的基础上对坝体施加余震,探究水坝在主余震序列作用下水坝塑性损伤、裂缝发展状况、抗震薄弱位置应力分布情况等。提出损伤面积比,分析不同损伤程度部位在主震与余震后的变化情况。通过损伤耗散能,分析混凝土重力坝在主震和主余震序列作用下塑性损伤的累积效应。(3)结合主余震作用下混凝土重力坝的动力响应分析结果,提出粘滞阻尼器-重力坝塑性损伤模型,即在坝体下游折坡处设置一组麦克斯韦粘滞阻尼器用于耗散地震作用产生的能量。通过对比分析设置阻尼器前后水坝在地震作用下的动力响应,分析其塑性损伤发展情况及损伤耗散能,研判其是否能够改善水坝整体抗震性能,为混凝土重力坝抗震性能研究提高参考。

关键词： 混凝土   冻融循环   孔隙率   热力耦合   随机骨料   数值模拟  

摘要： 混凝土作为一种多项复合材料,因其强度高、施工方便、价格低廉等众多优点,而被广泛应用于建筑结构中。研究表明,钢筋锈蚀、冻融作用、离子侵蚀、碱骨料反应等是影响混凝土耐久性的重要因素。在严寒地区,冻融循环是影响混凝土劣化的主要原因之一。目前,对于混凝土冻融研究,多数都集中在水灰比、掺和料、外加剂等抗冻性影响因素方面,而对于其组成的各项材料:骨料、砂浆、界面过渡区、缺陷(孔隙、微裂缝)关注较少,细观材料往往对宏观结构特性起着决定性的作用。因此,从细观尺度开展混凝土相关研究具有重要意义。孔隙结构作为混凝土的一部分,对混凝土抗冻性的有着重要影响。本文从孔隙角度出发,定量地研究了孔隙率对冻融环境下混凝土破坏的影响,进一步讨论了混凝土冻融损伤影响机理,为寒区混凝土结构生产改善和寿命预测提供了新思路。 本文主要研究内容及成果如下: (1)开展了孔隙、级配缺陷混凝土冻融循环试验。根据混凝土规范配合比要求,制作了0%和5%孔隙、均匀和非均匀级配的混凝土立方体试块,设计了冻融0次、15次、30次、45次、60次、75次和90次的冻融循环试验,对混凝土的表观形态、质量损失进行了观测,进行了混凝土试件宏观力学性能试验研究。试验数据表明:两种缺陷对冻融环境下混凝土都有较大影响,孔隙缺陷对冻融混凝土表观形态影响更为严重;级配缺陷对混凝土质量和强度影响更为严重。 (2)开展了骨料形状对混凝土抗压强度的数值模拟研究。通过Python语言编写脚本,对ABAQUS进行二次开发,建立了球形、椭球形、多面体三种随机骨料模型;并采用了映射网格法进行网格划分,在砂浆中随机选取单元的方法确定了孔隙缺陷,对于界面过渡区采用插入Cohesive的方式进行创建;讨论了混凝土破坏理论,为各项材料选取了较为合适的本构模型,以此进行了混凝土单轴压缩数值模拟研究。研究表明:骨料形状对混凝土抗压强度影响较小,椭球形骨料模型模拟与试验数据更吻合。 (3)通过直接温度-位移耦合的方式,对冻融循环作用下不同孔隙率缺陷混凝土进行了热力学研究。讨论了混凝土内部材料的传热理论和热力耦合方式,开展了混凝土热力耦合和单轴压缩数值模拟。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土的温度应力和温度应变越来越大;冻融15次时,孔隙缺陷对混凝土的冻融强度损失较小,当冻融次数超过75次,5%孔隙缺陷的混凝土强度损失较大,达到了44%。可以发现,孔隙缺陷对混凝土冻融损伤具有重要影响。

关键词： 玄武岩纤维   冻融循环   活性粉末混凝土   SHPB   力学性能  

摘要： 活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)是一种新型水泥基复合材料,具有超高强度、高耐久性等优点,现阶段被多次应用于复杂环境下建筑的结构设计和防护工程中。活性粉末混凝土制备过程中,通常掺入纤维以提高其性能。玄武岩纤维作为一种新型的增强、增韧和环境友好的无机纤维,具有良好的应用前景。因此,本文将抗拉强度高、抗裂耐磨性能好的玄武岩纤维作为改性材料掺入活性粉末混凝土中,并对在冻融循环作用下玄武岩纤维改性活性粉末混凝土(Basalt Fiber Reactive Powder Concrete,简称BFRPC)的力学性能进行研究,主要开展以下几方面研究工作:(1)研究了BFRPC的相对动弹性模量和质量损失随冻融循环次数的变化规律,分析了纤维掺量对活性粉末混凝土抗冻性能的影响。提出了基于相对动弹性模量的冻融损伤演化模型,较精确地描述了BFRPC相对动弹性模量与冻融循环次数的关系,分析了BFRPC微观结构与其力学性能间的关系。(2)探讨了玄武岩纤维掺量和冻融循环次数对冻融循环后BFRPC的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度等准静态力学性能指标的影响规律。研究了BFRPC在冻融循环后单轴受压的应力-应变关系,分析了玄武岩纤维掺量、冻融循环次数等因素对RPC各力学指标的影响机制,并利用多项式和有理分式分别拟合冻融后BFRPC的应力-应变曲线的上升段与下降段,确定了参数的方程曲线与试验结果符合较好。(3)揭示了玄武岩纤维掺量、冻融循环次数、应变率对冻融循环后BFRPC的动态冲击抗压强度、动态强度增长因子、韧性等动态力学性能指标的影响规律,构建了BFRPC动态受压本构模型。采用筛分设备统计了不同粒径颗粒在冲击破碎产物上的质量分布特性,利用分形维数表征了试样的破碎程度,对峰值强度与冲击应变率及分形维数之间的关系进行了分析,并用回归分析方法建立了方程,拟合效果比较理想。

关键词： 超高性能混凝土   湿接缝   粘结性能   抗弯性能   冻融循环  

摘要： 桥梁结构修建过程中,预制构件通常使用湿接缝进行连接。大量工程实践表明,普通强度混凝土(Normal Strength Concrete,NSC)之间的粘结强度较低,导致传统湿接缝界面区域在桥梁运营过程中极易出现裂缝、渗水等病害,对桥梁结构在服役过程中的正常运营产生严重威胁。超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,UHPC)作为一种具有超高力学性能和耐久性能的新型水泥基材料,与NSC间具有较好的粘结性能,为改善湿接缝界面区域的病害从根源上提供了解决途径,且目前横向UHPC湿接缝或纵向UHPC湿接缝都将受到弯矩作用,故有必要对其抗弯性能进行深入研究。然而,现有关于UHPC湿接缝抗弯性能的研究基本在自然环境下开展,忽视了 UHPC湿接缝在冻融环境下可能出现的安全隐患,造成部分研究成果缺乏工程价值与意义。为此,本文首先通过未配筋UHPC-NSC试件单轴拉伸试验得到最优钢纤维掺量,随后通过劈裂抗拉试验和四点抗弯试验研究最优钢纤维掺量下的UHPC-NSC界面粘结性能,并探究不同配筋参数下的UHPC-NSC界面粘结性能变化规律。在此基础上,通过四点抗弯试验研究不同界面粗糙度和界面接缝构造下的UHPC-NSC试件在冻融环境下的粘结性能演变规律,明确冻融循环对UHPC-NSC界面粘结性能的劣化机理。最后基于UHPC湿接缝梁四点抗弯试验,揭示不同参数下的UHPC湿接缝梁在冻融环境下的整体抗弯行为变化趋势,并提出适用于冻融环境下的UHPC湿接缝抗弯承载力计算公式,为冻融环境下的UHPC湿接缝应用提供理论支撑和科学数据。论文研究的主要结论包括: (1)未配筋UHPC-NSC试件破坏特征和应力-应变曲线与钢纤维掺量无关。随着钢纤维掺量增加,完整UHPC试件和未配筋UHPC-NSC试件单轴拉伸强度分别呈现出线性增加和先增加、后降低的发展规律,其中UHPC-NSC单轴拉伸强度在钢纤维掺量为2.0%最高。钢纤维掺量为2.0%的UHPC-NSC界面粘结性能优于NSC-NSC界面。钢纤维掺量为2.0%的配筋UHPC-NSC试件破坏模式分为钢筋脱粘破坏和UHPC基体破坏。随着钢筋直径、钢筋锚固长度增加以及当光圆钢筋转变为带肋钢筋时均有助于提高UHPC-NSC单轴拉伸强度,同时限制UHPC-NSC界面裂缝宽度扩展速率。 (2)自然环境下,提高界面粗糙度或设置界面接缝构造有助于提高UHPC-NSC试件粘结抗弯强度和抗弯刚度,并使得破坏面由粘结界面转变到NSC部分。冻融循环作用下,UHPC-NSC试件主要劣化部位为NSC和界面处,其粘结抗弯强度和抗弯刚度出现不同幅度下降。随着界面粗糙度提高,UHPC-NSC试件粘结抗弯强度平均下降速率逐渐降低。经历300次冻融循环后的UHPC-NSC界面抗冻性弱于NSC,而楔形接缝构造界面抗冻性较菱形接缝构造更强。 (3)自然环境下,矩形接缝构造的UHPC湿接缝梁初始裂缝和主裂缝均位于界面处,开裂荷载、极限荷载、裂缝宽度为0.2mm时对应的荷载及位移延性系数均小于NSC完整梁。随着湿接缝宽度增加,UHPC湿接缝梁开裂荷载和极限荷载略有提高。当湿接缝内钢筋长度≥80mm时,能够满足弯矩作用下的UHPC湿接缝受力要求。菱形和楔形接缝构造的UHPC湿接缝梁初始裂缝和主裂缝均位于NSC部分,开裂荷载与裂缝宽度为0.2mm时对应的荷载均高于NSC完整梁,极限荷载与NSC完整梁基本持平。 (4)冻融环境下,NSC完整梁和UHPC湿接缝梁整体抗弯性能出现劣化,UHPC湿接缝梁劣化程度较NSC完整梁更高,开裂荷载、极限荷载、裂缝宽度为0.2mm时对应的荷载及位移延性系数下降幅度高于NSC完整梁,且初始裂缝皆位于界面处。楔形接缝构造的UHPC湿接缝梁抗冻性能良好,破坏主裂缝仍位于NSC部分,同时裂缝宽度为0.2mm时对应的荷载也高于NSC完整梁。 (5)基于传统钢筋混凝土抗弯理论计算公式,通过引入特征参数在冻融环境下的函数关系式与湿接缝界面折减系数,构建适用于冻融环境下的UHPC湿接缝梁抗弯承载力计算公式。

关键词： 冻融循环   硫酸盐渍土   水盐迁移   盐冻融变形  

摘要： 南疆区域气候干燥,地下水矿化度高,属典型内陆干旱荒漠型气候环境,广泛分布的硫酸盐渍土其水盐在季节性温度变化作用下向地表发生迁移积聚,水盐相态因温度变化而发生相变,使硫酸盐渍土发生盐-冻胀变形,对工程结构安全造成重大损害,据此开展冻融循环作用下硫酸盐渍土水盐迁移及变形特性研究。运用水盐温耦合作用冻融循环试验系统,对阿拉尔地区粉砂土人工配制硫酸盐渍土,分别开展封闭系统无水盐补给、开放系统与封闭系统盐渍土补给工况下的冻融循环试验,研究硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性,分析对比不同工况水盐迁移及变形特性,针对硫酸盐渍土地基工程建设需求提出了阻断水盐迁移、防治盐-冻胀变形的工程措施。相关研究结论如下:(1)基质吸力作为测算水盐迁移的重要参数,研究不同含盐量、含水率、温度对基质吸力的影响。研究表明:低温下基质吸力大于正温时基质吸力,含盐量相同时,含水率对盐渍土基质吸力呈负相关,试验结果显示温度为-20℃时,含盐量8%、含水率1%的盐渍土基质吸力最大,为2600.49k Pa。(2)封闭系统无水盐补给的硫酸盐渍土冻融循环试验研究表明:在冻融循环作用下,硫酸盐渍土中的盐分随水分迁移积聚在表层;土体的变形随含盐量的升高呈先增后减的趋势,随冻融循环次数增加土体的变形呈线性累积。含盐量5%的硫酸盐渍土在第五次冻融循环时变形量最大为8.53mm。封闭系统盐渍土补给的硫酸盐渍土冻融循环试验研究表明:在冻融循环作用下土柱内水盐由高温侧盐渍土区向低温侧非盐渍土区迁移积聚,土柱整体变形受下部补给硫酸盐渍土含盐量变化影响,含盐量1%时变形量最大,为-1.35mm,其余硫酸盐含量下土柱变形在-0.3至-0.25mm之间。(3)开放系统的硫酸盐渍土冻融循环试验研究表明:在低温冻结期水盐迁移量与补给强度最大,且水分迁移受补给液含盐量的影响;土体的变形仅在5%时出现盐-冻胀变形,最大变形量为0.2mm,其余盐溶液补给下沉降值较蒸馏水补给低,硫酸盐溶液补给对土体变形有影响。(4)通过含盐量2%盐渍土封闭系统无水盐补给、封闭系统盐渍土补给与浓度2%盐溶液补给素土对比分析,其变形量分别为1.24mm、0.14mm、0.09mm,即变形按大小排序分别为封闭系统无水盐补给>开放系统>封闭系统盐渍土补给,水盐迁移变化趋势与变形变化一致。

关键词： 季节性冻土   隧道衬砌   三点弯曲梁冻融试验   数值模拟  

摘要： 多年冻土和季节性冻土分布范围无论是在全球还是我国都十分宽广,冻土主要分布在北半球,而我国冻土区域主要集中在西北、东北、华北、华中部分地区。大量隧道修建于冻土区,在西北地区,由于昼夜温差相差较大,冻融循环作用对隧道衬砌混凝土性能影响较大,同时也是混凝土材料劣化的主要根源。季节性隧道衬砌混凝土在服役期间往往是一侧受到冻融循环作用,因此研究混凝土材料在单面浸水条件下的断裂损伤性能,分析其在此条件下材料微观的断裂机理,通过采用室内试验的方式揭露单侧受冻融循环作用的衬砌断裂性能劣化机理为季节性冻土隧道的建设和管养提供理论指导意义。本文主要研究内容和结论如下:(1)根据对现场隧道附近的温度、湿度环境进行监测,并总结规律,制定室内试验冻融循环机制,然后进行室内冻融试验,分别从混凝土试件表观特征和质量等方面进行分析。冻融试验后混凝土试件经过冻融循环后,表面出现脱落,掉渣等现象。对试件进行质量测试,在冻融次数很少时,混凝土试件的质量出现小幅度增加,随着冻融试验的进行,混凝土试件出现质量降低的情况,在冻融50次循环后,混凝土试件质量损失了2%。(2)将经过冻融循环试验后的混凝土试件进行三点弯曲断裂试验,分别从荷载-位移,抗弯强度和断裂韧度等方面对混凝土试件进行断裂性能分析,随着冻融循环的增加混凝土试件极限荷载出现逐渐降低的趋势,50次冻融循环后极限荷载降低了16.3%。抗弯强度也随着冻融次数的增加而降低。在单面浸水条件下断裂韧度随着冻融循环降低值较小,两者存在线性相关的趋势。(3)裂缝扩展的方向影响着裂缝扩展时间及扩展长度,扩展方向影响着试件的受力状态。扩展角度较大时,裂缝扩展时间长,试件顶部和中部以受压为主,试件底部即预制裂缝尖端以受拉为主,扩展角度较小时,试件主要以受压为主。冻融循环对试件的受力状态有一定的影响,特别是冻融次数较大时影响效果明显。(4)采用数值模拟软件PFC2D对微观参数进行标定,模拟了三点弯曲梁在冻融次数为0次、10次、20次和50次条件下的断裂试验。通过和室内试验结果进行对比,PFC2D数值模拟结果和室内试验结果较为吻合。