关键词： 轨道板试件   冻融循环试验   静态力学性能   数值模拟   高速冲击  

摘要： 高速列车在冰雪天气运行时,吸附在车体表面的雨雪极易凝结成冰,随着列车的振动和周围温度的变化,附着在车底的冰块极容易脱落,由于冰块的速度基本上等同于车速,产生的冲击可能会引起底部轨道板裂纹的出现。且我国北部地区冬季时间较长,最低气温达到-15℃～-30℃,在季节交替变化作用下,轨道基础结构经历冻融循环过程,冻融循环低周作用促使轨道板内部孔隙水反复结冰膨胀,导致微裂缝逐渐发展。这些损伤的累积会对铁路运营造成极大威胁,严重影响轨道结构使用寿命。因此,开展高速列车脱落冰块对冻融轨道板的冲击动力作用及损伤特征的研究,具有一定的工程意义和实用价值。 本文采用室内试验研究与数值模拟相结合的方法,分析冰块对冻融轨道板试件的冲击作用。主要研究工作包括:对干燥和饱水状态下轨道板试件进行0、30、60以及100次冻融循环试验,研究冻融循环次数对轨道板试件表面形貌、质量、相对动弹模量以及波速的影响;对冻融轨道板试件进行静态力学性能测试,分析了干燥和饱水条件下轨道板试件静态力学性能随冻融循环次数的衰减规律;提出了高速列车脱落冰块对轨道板试件冲击作用的室内模型试验方法,使用轻气炮驱动冰块冲击冻融轨道板试件,分析了干燥和饱水条件下轨道板试件冲击动力响应和损伤随冻融循环次数的影响规律;利用有限元分析软件LS-DYNA,建立了高速列车脱落冰块对轨道板试件的冲击动力分析模型,结合室内模型试验结果,验证了高速列车脱落冰块冲击冻融轨道板有限元模型的准确性,在此基础上分析了冰块冲击速度对冻融轨道板试件表面冲击动力响应和损伤特征影响规律。研究结果表明: (1)随着冻融循环次数的增加,干燥和饱水状态下轨道板试件损伤指标呈衰减趋势。在冻融循环初期,轨道板试件的质量、相对动弹性模量和波速随着冻融循环次数的增加而出现小幅降低的趋势。当轨道板试件冻融循环次数达100次时,质量损失率、相对动弹性模量和波速下降幅度较为明显。冻融次数相同时,干燥后轨道板试件质量损失率、相对动弹模量以及波速都比饱水状态下出现小幅的下降。 (2)随着冻融循环次数的增加,干燥和饱水状态下轨道板试件力学性能损失率呈指数趋势增加。 (3)在冰块冲击作用下,干燥和饱水状态下轨道板试件的峰值应变、峰值加速度随着其冻融循环次数的增加而增大。 (4)在试验和数值模拟中,损伤主要发生在冰块轨道板的圆形接触区,裂纹则呈环状分布于接触区边缘,试验和仿真结果呈现良好的一致性。轨道板表面凹陷深度、内部损伤以及峰值冲击力均随着冰块的冲击速度和质量的增大而增大,轨道板表面凹陷深度与内部损伤随着轨道板的冻融次数和含水率的增大而增大,峰值冲击力则基本上没有变化。

关键词： 红砂岩   冻融循环   三轴压缩   损伤演化   颗粒流模拟  

摘要： 西部大开发、“丝绸之路经济带”是我国重要的发展战略,因此越来越多的岩土工程出现在寒区。寒区具有昼夜温差大、低温持续时间长、四季交替明显等特点,这使得工程岩体易受到冻融循环作用的影响。岩石是天然地质作用的产物,内部存在微裂隙、粒间空隙、晶格边界等缺陷,在冻融循环作用下,这些缺陷会不断发育,最终导致岩石力学性能的下降,从而威胁到岩土工程的稳定性。因此,本文以红砂岩为研究对象,运用室内试验和数值模拟的方法,探究冻融循环作用对红砂岩物理力学特性的影响,并运用电子扫描电镜（SEM）从微观角度分析冻融损伤机理。主要研究内容如下:（1）对不同冻融循环次数下的红砂岩的表观特征和体积的变化进行了研究,分析了冻融循环对红砂岩物理特性的影响,并结合电镜扫描技术,从微观角度揭示冻融循环损伤机理。（2）通过对不同冻融循环次数下的红砂岩开展常规三轴力学试验,分析了冻融循环作用对红砂岩强度、变形以及破坏特性的影响,并基于力学试验结果,以弹性模量为损伤因子,建立了冻融与荷载共同作用下岩石的损伤演化方程,分析了冻融与荷载共同作用下红砂岩的损伤演化规律。（3）在颗粒流软件PFC2D中引入水颗粒,建立了饱水红砂岩数值模型,通过赋予水颗粒膨胀系数,来模拟冻融循环作用对岩石的影响,得到了多次冻融循环过程中试样内部微裂纹的发育情况,模拟了试样经历冻融循环作用后的变形特征和强度特征,并分析了试样加载过程中裂纹随轴向应变的演化规律。该论文有图59幅,表6个,参考文献90篇。

关键词： 冻融循环   土石混合体   含石量   颗粒运动   数值模拟  

摘要： 随着我国高速铁路“以风为速,以轨为尺”的快速发展,线路所涉及到的工程地质、水文和气候条件愈加复杂,尤其在冻土区域。一直以来,冻土工程建设都是工程技术上的难点,而土石混合体冻胀对结构物的作用又正是冻土工程的研究核心,掌握土石混合体冻融循环条件下的力学特性与应变规律是进一步推动冻土工程建设大力发展的前提。目前,虽然前人对冻融作用下颗粒运动规律进行了初步探索,然而受观测手段限制,冻融循环驱动下土石混合体颗粒的空间运移规律及机制尚不够清晰。因此,本文通过室内试验与数值模拟相结合的方式,对冻融循环作用下土石混合体的细观颗粒运动规律进行了初步探究,旨在为冻土工程勘察、设计和运维提供参考。主要得出以下结论:(1)土石混合体重塑试样冻融试验中,含石量为90%的试样经历冻融循环,其块石的可视面积增加,即随着冻融循环,块石在试样内部的位置发生改变,则产生了运动。并且,土石混合体试样的含石量在邻近80%存在一个最优含石量,趋近这一含石量过程中,含石量的增加可显著体现块石的骨架作用,从而抵抗冻融循环引起的变形;当含石量继续提高时,土不能完全填充块石间隙,则在冻融循环作用下形变更甚。(2)基于人工神经网络的深度学习方法,建立能够预测冻融过程中土石混合体的形变。以部分土石混合体重塑试样冻融数据为训练集,其余为测试集,将预测数据与试验数据对比,可得LSTM模型对于冻融循环作用下土石混合体的形变预测具有较高准确度,则验证了LSTM模型在土石混合体冻融形变预测上的适用性。(3)块石冻融循环试验中,根据对冻融前后的图像进行块石数量、面积分数、颗粒运动轨迹追踪等方面的分析可知,冻融前后各分区块石的数量产生变化,即块石在冻融循环过程中产生了方位变化;块石面积分数的增加则充分体现了块石颗粒在冻融循环过程中产生了水平和垂直方向的位移。且在水平方向上,块石分布较密的区域的块石运动状态更加活跃;垂直方向上,块石更倾向于向表层运动。则块石冻融循环试验在土石混合体重塑试样冻融试验基础上,进一步展现了块石的运动方式。(4)基于CT扫描技术对冻融循环过程中块石的方位变化进行可视化跟踪,验证在冻融循环作用下,土石混合体内部块石的运动状态。选取特征断面的切片图像对比分析,试验结果表明,块石在冻结过程中会被抬升,孔隙率也会减小,即更直观地表现冻融循环试验中块石在土石混合体内部的运动状态。(5)以基于CT扫描技术的块石冻融试验为依据,且考虑到土石混合体内部块石的形态特征及空间分布对其力学特性与形变有决定性影响,故简化块石形状为圆,构建了冻融循环作用下二维颗粒运动水热耦合模型。通过模拟得到冻融循环过程中温度场、水分场的变化特征以及块石的位移,再与实际试验进行对比,探索多场耦合模型对冻融循环作用下土石混合体颗粒运动模拟的可行性,可为冻融循环作用下土石混合体颗粒运动规律的进一步研究提供参考。

关键词： 裂隙灰岩   冻融循环   物理特性   力学特性   劣化机理  

摘要： 本文以川藏线沿线寒区工程为背景,灰岩为研究对象,采用预制裂隙的方法,设置了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7组不同倾角裂隙灰岩试件,并以1组完整灰岩试件作为对照,首先通过查阅资料、预实验等方法确定了冻融循环试验参数,然后通过冻融条件下的物理力学试验,结合冻融损伤力学、冻土学、岩石力学等理论分析,系统研究含裂隙灰岩在冻融循环作用下的物理力学特性变化及劣化机理,主要成果如下:(1)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的质量、吸水率等物理性质的分析,发现裂隙灰岩的质量损失率和吸水率随着冻融循环次数的增大而增大,但增加速率不同,质量损失率在40～60次冻融循环后的增长速率快于20～40次和60～80次,吸水率则相反,并因此定义了冻融循环作用下裂隙灰岩的两个劣化阶段:孔隙发育阶段和物质剥落阶段。(2)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的物理特性劣化特征,对试件的剥落和新孔隙形成情况进行了研究,并通过岩石冻融循环后新形成的开口孔隙率表示岩石孔隙劣化特征,实现了动态描述单个试件在冻融循环过程中所新形成的开口孔隙,避免了吸水率只能通过对比不同试件,不同冻融循环次数后的吸水情况来描述整体变化情况的不足。通过对裂隙灰岩试件表观劣化特征分析,发现裂隙灰岩在裂隙尖端和试件的端面出现由外向内、由浅到深的层进式剥落现象,并将其定义为冻融循环导致的灰岩局部层进式劣化机理。(3)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的强度参数、变形参数、抗冻性系数等力学参数的分析,发现预制裂隙对灰岩试件强度的影响大于冻融循环作用,冻融循环作用对裂隙灰岩试件新孔隙的形成作用大于预制裂隙,且预制裂隙的存在会促进冻融循环对裂隙灰岩新孔隙的形成。试件的强度参数和变形参数都随着冻融循环次数的增大而减小,裂隙对试件强度参数的影响大于变形参数,冻融循环作用对试件变形参数的影响大于强度参数。本次冻融循环试验后裂隙灰岩试件的抗冻性系数R任然大于0.75,表明本次试验所用试件抗冻性较好。(4)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的力学特性劣化特征,对裂隙灰岩力学参数的劣化情况进行了分析,发现各力学参数的劣化度和阶段劣化度都随冻融循环次数的增加而增大。第一、第二冻融循环阶段,劣化影响序列为变形模量>弹性模量>峰值强度,第三、第四冻融循环阶段,劣化影响序列为弹性模量>变形模量>峰值强度。然后根据体积膨胀理论和水迁移原理对裂隙灰岩冻融循环后力学损伤机理进行了分析,发现冻胀力犹如在岩体内部进行循环加载,最终使裂隙灰岩力学参数出现劣化。最后运用宏观损伤力学方法,推导了本次试验灰岩在冻融循环作用下的损伤劣化方程,并用试验所得结果进行了验证。

关键词： 黄土地基   冻融循环   抗压强度   微观结构   力学性质  

摘要： 新疆伊犁河谷地区位于我国西北季冻区，且广泛分布第四系黄土，冻融循环过程会影响土体物理力学特性，对该地基础设施建设造成巨大危害。本文以伊犁河谷黄土作为研究对象，通过基础物理指标试验、无侧限抗压强度试验、扫描电子显微镜试验，对冻融循环下土体的力学特性及微观结构进行研究，利用灰色关联方法,建立力学强度与微观参数间的关联分析，基于力学试验数据建立冻融黄土破坏强度的预测模型，深入研究冻融作用对土体力学性质的影响。主要研究成果如下:　　（1）伊犁黄土经历冻融循环后，土体表面碎土屑增多，冻融循环一定程度后,出现凹槽、小土块掉落等现象;试样冻融前后，含水率存在不同程度的降低，但降低幅度较小，认为由冻融循环过程造成含水率变化对后期试验无影响。　　（2）冻结温度的降低和初始含水率的增加，会导致冻融土体的弹性模量和无侧限抗压强度表现出衰减的趋势;而冻融循环次数的增加，则会导致弹性模量和无侧限抗压强度表现出先降低再增大后继续减小至趋于稳定波动变化趋势。对影响因素进行显著性分析，得出:初始含水率的影响最为显著，冻融循环次数、冻结温度的影响次之;交互作用中，初始含水率和冻融循环次数两两交互作用影响较显著，其它交互作用影响较弱或影响不显著;基于BP神经网络，利用力学试验结果，建立了冻融循环下伊犁河谷黄土的弹性模量和无侧限抗压强度预测模型,计算模型决定系数R2,分别为0.9921和0.9806,证明建立的模型预测效果良好，可以利用该模型对伊犁地区黄土力学强度进行预测。　　（3）采用扫描电镜测试及数字图像处理技术，定性分析在冻融作用下黄土微观结构变化规律，定量研究颗粒和孔隙的平均直径、丰度、圆形度、形态分布分形维数、各向异性率和定向概率熵等微观结构参数，认为在冻融循环作用中土体颗粒结构逐渐变得简单、均匀，而微观孔隙特征则变得更加复杂。　　（4）基于灰色关联分析方法理论，进一步探讨冻融循环作用下无侧限抗压强度与微观结构参数之间的关联度，得出颗粒圆形度、颗粒平均直径、孔隙平均直径、孔隙平均丰度、颗粒定向概率熵和颗粒各向异性率6项微观参数对无侧限抗压强度的关联度较高。

关键词： 冻融循环   玉米秸秆纤维   抗弯性能   混凝土损伤  

摘要： 随着科学研究的进步,新兴技术的发展,世界格局发生翻天覆地的改变,不再以牺牲环境为代价来换取经济的腾飞,我国强调绿水青山就是金山银山,强调可持续发展.如今更是禁止焚烧秸秆,随之而来的问题就是大量秸秆如何处理的问题.本文的创新点就在于研究玉米秸秆纤维和混凝土共同工作的性能.本文立足于可持续发展的中心思想,研究玉米秸秆纤维材料,符合绿色发展的道路,也来自古人的智慧,现如今需要将秸秆材料做成纤维状,以期在微观世界中起到抑制混凝土裂缝的作用.由于玉米秸秆纤维属于植物纤维,其耐久性饱受质疑,基于前辈研究材料的基础上,进行纤维的预处理,而后掺入混凝土材料中,研究其对混凝土梁的增强程度以及在冻融循环作用下对混凝土梁的改善程度.本文主要试验内容及研究结论如下:(1)本文利用吉林省本地材料制作玉米秸秆纤维混凝土,考虑纤维掺量和冻融循环的影响,再根据前人得到的掺率区间,确定了最优配合比;(2)用快速冻融法进行冻融,分析经过不同冻融循环情况下试块的表观形态、质量损失率以及相对动弹性模量,其次分析不同冻融循环次数对混凝土力学性能的影响.然后制作玉米秸秆纤维混凝土梁进行四点抗弯试验与普通混凝土梁进行对比;(3)观测冻融后的玉米秸秆纤维混凝土与未冻融的玉米秸秆纤维混凝土的抗压强度损失率、相对动弹模量、质量损失率;(4)通过控制位移加载梁后得出的数据,导入Origin软件,输出荷载位移曲线,对比各组试件,发现从整体来看,不管是未冻融,还是冻融50次、冻融100次,综合能力最好的都是1%纤维掺率的玉米秸秆纤维混凝土;(5)在梁抗弯加载的过程中,使用DIC设备进行裂缝的观测.发现玉米秸秆纤维的掺加,有效提高了混凝土微裂缝的开展.裂缝宽度的发展得以抑制改善;(6)最后使用Abaqus软件进行了冻融循环模拟温度应力的分析,使用输出后的温度应力场,再进行梁的抗弯加载,其破坏方式、裂缝分布及荷载位移曲线和试验数据误差在10%以内,总体趋势不相上下.

关键词： 风积沙   水泥固化土   冻融循环   三轴试验   FLAC3D  

摘要： 风积沙作为一种特殊土体,由于其级配特性不良、颗粒分布特性较为松散、黏聚力较低的力学特性等,使得风积沙作为天然路基土时强度较低且难以稳固,吉林双辽地区分布着大量此类风积沙天然路基,造成一定工程危害,有必要对其进行固化研究。同时,由于当地位于季节性冻土区,受到冻融作用的影响,路基填料在自然环境的暴露中,每年至少经历一次冻融作用,导致路基出现强度降低、沉陷等病害现象,影响道路的行车安全及正常运营。因此,对于固化风积沙在冻融循环作用下的路用工程性质进行研究具有重要的意义。本文结合国家自然科学基金“寒旱区复杂环境下苏打型盐渍土水盐迁移机理研究”（42207209）、吉林省教育厅科学研究项目重点课题“干湿冻融循环作用下吉林省延边地区路基膨胀土灾变演化机制及改良研究”（JJKH20230345KJ）,对吉林双辽地区路基风积沙进行水泥固化研究,并对冻融循环条件下水泥固化风积沙试样开展力学特性分析。根据试验结果,基于有限软件FLAC3D对不同改良条件下、不同冻融循环条件下固化风积沙建立填筑路基模型,并对其进行变形特性分析。研究结果可为冻融地区固化土路基施工提供一定的借鉴作用。本文的主要研究内容和相关成果分为以下几个方面:（1）通过现场调查并取样,取得吉林双辽地区路基风积沙土样,对路基风积沙进行天然含水率、粒度成分、比重等物理力学指标测试,并通过击实实验确定天然土体的物理特性。通过试验结果可将吉林双辽地区风积沙归类于含细类土砂,风积沙的最佳含水率为7.65%,最大干密度约为1.816g·cm-3;（2）对路基风积沙进行水泥固化试验,分别掺入2%、4%、6%、8%、10%的水泥配比,分析了水泥掺量对风积沙压实特性的影响规律。试验结果表明,6%水泥掺量后固化风积沙剪切力学特性趋于稳定;（3）开展路基风积沙的室内冻融循环试验,对天然风积沙以及2%、4%、6%、8%、10%水泥掺量的固化风积沙进行0、1、3、5、7、10、15次冻融循环试验,并对不同条件下路基风积沙进行力学特性分析,查明冻融循环作用下不同水泥掺量对吉林双辽地区路基风积沙的改良效果。试验结果表明,同一水泥掺量下,随冻融循环次数增加,试样峰值偏应力、黏聚力、内摩擦角都呈现下降趋势,0～5次下降幅度最大,5次后趋于稳定;（4）以室内试验结果为依据,利用FLAC3D有限元软件建立风积沙路基模型,分析其在不同水泥掺量及不同冻融循环次数下的变形规律。模拟结果显示:随着水泥掺量的增加,路基位移显著降低,且6%水泥掺量后位移趋于稳定。随着冻融循环次数的增加,沉降位移先增大后趋于平缓,7次冻融循环后沉降位移趋于稳定,在冻融循环作用下,固化风积沙路基的侧向变形较小。

标准号: GB/T 41931-2022

摘要： 本文件描述了聚合物分散体和合成橡胶胶乳的冻融循环稳定性的试验方法本文件适用于聚合物分散体和合成橡胶胶乳。本文件不适用于天然橡胶胶乳。