关键词： 膨胀土   聚丙烯纤维   冻融循环   无侧限抗压强度   数值模拟  

摘要： 膨胀土因其具有极强胀缩性的特点,极易使所在地区的边坡造成坍塌或者形成路基下陷等病害,素有“工程癌症”之称,这就需要将膨胀土运用适当方法进行改良后才能被运用到工程实践当中去。随着生产力的发展,纤维加筋技术是近些年来发展起来的一种新型复合材料,各种纤维逐渐被运用到土体改良研究中,并且取得了很好的效果。尝试运用土体加筋技术对膨胀土进行改良以改善其工程性质,本文研究使用三种纤维对膨胀土进行改良。考虑到在北方的冬季,作为路基填料的膨胀土会受到冻融循环以及荷载的作用,膨胀土强度变化受冻融循环影响显著,对纤维改良膨胀土在冻融循环作用下的强度变化规律及增强效果进行研究是很有必要的。本文将不同种类、不同掺量以及不同长度的纤维掺入膨胀土中,通过测定各个配合比下纤维改良膨胀土的有荷载膨胀率、无荷载膨胀率以及膨胀力,确定纤维的最佳配合比。再通过素膨胀土冻融循环试验、抗剪强度试验、无侧限抗压强度试验进行研究,与最佳配合比下的聚丙烯纤维改良膨胀土冻融循环试验、无侧限抗压强度试验进行对比,并利用有限元数值模拟技术分析纤维改良膨胀土的力学强度增强效果,并得出如下结论:（1）掺加聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维均可以有效改善膨胀土胀缩性能,并且聚丙烯纤维改良效果更好,确定聚丙烯纤维的最佳掺量为0.3%,最佳长度为12mm。最佳配合比下聚丙烯纤维改良膨胀土比素膨胀土的无荷载膨胀率、400k Pa有荷载膨胀率、膨胀力分别降低了38.8%、118.2%、17.2%。（2）聚丙烯纤维的掺入对膨胀土的无侧限抗压强度改良效果显著,由153.5k Pa提升到212.7k Pa,增幅达到38.6%,其应力应变关系曲线呈软化型;冻融循环会使素膨胀土和改良膨胀土产生冻融损伤作用并导致其力学性能劣化,对土体的影响显著,纤维膨胀土具有抵抗冻融作用的能力,当聚丙烯纤维长度为12mm,掺量为0.3%时,其冻融损伤度最小,抵抗冻融的作用效果最好。（3）运用有限元数值模拟方法对聚丙烯纤维改良膨胀土在冻融循环后的力学性能进行数值模拟,结合纤维增韧理论分析纤维和土体的应力应变变化情况,发现长度为12mm,掺量为0.3%的聚丙烯纤维改良膨胀土强度比素改良土的强度提高33.95%,对土体增强效果最佳,其余长度或掺量均以增韧为主。模拟不同纤维参数下改良膨胀土冻融后的强度劣化规律,建立聚丙烯纤维加筋膨胀土的强度预测函数,结果表明素膨胀土和纤维改良膨胀土均符合冻融强度劣化函数Y=a-bcx。

关键词： 黄土状盐渍土   冻融循环   应力路径   微观试验   数值模拟  

摘要： 青海地区广泛分布着氯盐渍土和硫酸盐渍土。由于特殊的气候环境该地区盐渍土每年都会经历冻融循环的过程。为了研究冻融循环与不同应力路径作用下盐渍土的力学特性,本文选取青海西宁地区黄土状盐渍土为研究对象利用SLB-1型三轴剪切仪与冻融循环试验箱通过冻融循环试验、应力路径试验得出盐渍土在不同条件下的宏观力学性质,结合扫描电镜微观试验从微观层面定量和定性分析盐渍土宏观力学性质发生变化的原因,并通过PLAXIS 3D有限元分析软件模拟三轴试验与室内试验结果进行对比分析。主要结论如下: （1）对于青海西宁黄土状盐渍土而言,相同条件下其主应力差峰值从大到小依次为常规三轴、等压三轴和减压三轴应力路径,三种应力路径的主应力差峰值均随着冻融循环次数的增大而减小。相同冻融循环次数下三种应力路径下的黏聚力的大小排序为CTC>TC>RTC,而内摩擦角的排序为RTC>TC>CTC。 （2）相同条件下,RTC下的黄土状盐渍土初始卸荷比R0要大于等压三轴应力路径下的R0,相同卸荷应力路径下,随着围压的增大初始卸荷比R0有所降低。随着冻融循环次数的增大盐渍土破坏时的结构性参数Mnp呈现先增大再减小的趋势,相同的轴向应变不同应力路径下盐渍土的结构性参数大小排序依次为RTC>TC>CTC。 （3）冻融循环前土颗粒间的接触较为紧密,土样内部孔隙分布均匀。卸荷应力路径下土颗粒较破碎少量土颗粒保持完整,粒间孔隙较大,排列较为松散。冻融循环作用下土体内部变得疏松多孔,并且冻融后卸荷应力路径下颗粒破碎程度较高。常规三轴应力路径下盐渍土颗粒平均形状系数ff要高于卸荷应力路径下的平均形状系数。常规三轴应力路径下土颗粒的定向概率熵Hm大于卸荷应力路径下的定向概率熵。 （4）利用土体硬化模型可以较好的模拟出黄土状盐渍土的力学性质,数值模拟下的抗剪强度小于室内试验的抗剪强度,破坏强度的大小排序为CTC>TC>RTC。将土体硬化模型参数进行优化,得出的孔压曲线与不同应力路径下的破坏形态与室内试验结果相似。

关键词： 冻融循环作用   矽卡岩   分形维数   本构方程   边坡稳定性分析  

摘要： 新疆地区矿产资源丰富,为国家经济可持续发展提供了充足力量。然而,由于新疆的严寒气候、季节性温差变化大等原因,矿山岩体工程建设长期受到了冻融风化的影响,对岩体工程的稳定性和矿山工作人员的安全造成了威胁。因此,探究冻融作用下岩石的损伤特性,对长期处在冻融环境下岩体工程安全稳定性具有重要指导意义。通过开展室内试验、理论分析和数值模拟等手段,主要完成的研究工作和成果如下:(1)开展了不同循环次数下矽卡岩的冻融试验和单轴压缩试验,得到了岩样的质量变化率、峰值抗压强度、变形模量等物理力学参数随冻融次数的增大而逐渐减小的趋势;且试样单轴压缩破坏的模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,冻融周期越长,破碎块数目越多。(2)开展不同冻融周期下矽卡岩的P波试验和SEM试验。随着冻融次数的增大,岩石的P波速逐渐降低,试样内部细观结构损伤演化明显,裂纹增加并相互贯通,且试样的SEM裂纹分形维数随冻融循环次数的增大而逐渐增加;对矽卡岩宏观力学性能劣化与细观损伤进行了关联分析,分析了矽卡岩冻融作用下的损伤机理。(3)基于连续介质理论和Weibull统计分布函数,引入以分形维数为基础的系数γ=fn/fs,(fs为岩样SEM图像中的最大的分形维数),建立了冻融作用下矽卡岩单轴压缩的损伤本构模型。并结合室内试验数据对模型的合理性进行了验证。(4)基于广义Hoek-Brown准则的岩体力学参数选取的方法,得到了不同循环次数下矽卡岩体的弱化参数。通过FLAC3D数值模拟对边坡稳定性进行分析评价,发现了边坡稳定性系数随循环次数的增大而逐渐降低,探究了边坡冻融作用下失稳的内在机理。

关键词： 冻融循环   冻融循环次数   冻结温度   冻融-蠕变模型   砂质泥岩  

摘要： 我国超80%露天煤矿分布于北纬38°以北的高寒地区,昼夜及季节性温差使得边坡岩石发生显著的冻融现象。特别是露天煤矿软岩边坡,岩石冻融损伤效应更加明显。在边坡覆岩静载的长期作用下,极易发生大规模滑坡灾害。本文从寒区露天煤矿软岩边坡的长期稳定性这一工程需要出发,以露天煤矿边坡常见的砂质泥岩为研究对象,考虑冻融循环次数和冻结温度两个因素,通过开展冻融循环试验、电镜扫描试验、单轴压缩试验和单轴蠕变试验,研究冻融损伤对砂质泥岩细观结构、物理力学特性和蠕变特性的影响规律,并基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型。得到的主要结论如下:(1)测试了冻融前后砂质泥岩质量和纵波波速,并通过电镜扫描试验分析了砂质泥岩的细观结构特征。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩质量损失率和纵波波速损失率均呈非线性指数型增大,增长幅值逐渐减小;砂质泥岩细观结构由致密变为松散,细观表面由平整变为粗糙,微裂纹和孔隙缺陷逐渐发育,冻融损伤逐渐增大。(2)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了单轴压缩试验,分析了砂质泥岩单轴力学特性和破坏特征变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩单轴抗压强度和弹性模量均呈非线性指数型减小,减小幅值逐渐降低;峰值应变呈非线性指数型增大,增大幅值逐渐降低;同时,砂质泥岩单轴破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,裂纹数量与破裂程度明显增大。(3)基于声发射试验分析了单轴压缩过程中砂质泥岩裂纹演化特征。结果表明:声发射振铃计数峰值、声发射累计振铃计数、裂纹起裂应力和裂纹损伤应力均随冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而减小,砂质泥岩整体由脆性逐渐表现出延塑性破坏特征;而裂纹起裂应力和裂纹损伤应力与峰值应力的比值基本不随冻融循环次数和冻结温度的变化而变化。(4)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了蠕变试验,分析了砂质泥岩蠕变特性和破坏特征变化规律。结果表明:相同应力水平下,砂质泥岩瞬时应变、蠕变应变和等速蠕变速率随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而增大;长期强度与单轴抗压强度之比基本不受冻融循环次数和冻结温度影响,整体维持在一定水平波动,与裂纹起裂应力有着较好的一致性;同时,砂质泥岩蠕变破坏模式由剪切破坏逐渐向复杂的张拉-剪切复合破坏转变,主裂纹数目有着明显增加,岩样完整性明显降低。(5)基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型,并对冻融-蠕变模型中的参数进行了识别和验证。结果表明:基于冻融-蠕变模型得到的拟合曲线与试验数据具有较高的一致性,可以较好地反映不同冻融循环条件下砂质泥岩的蠕变变形特征。本文研究成果可为高寒地区露天矿软岩边坡稳定性研究提供理论基础及工程指导。

关键词： 冻融循环   ECC   PVA纤维   微观分析   压缩性能   SHPB  

摘要： 我国超过一半的地区属于季节性冻土区,在这些地区内,气温正负的反复交替会给混凝土结构造成冻融损伤,降低其安全性和耐久性。工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)因具有韧性高、多裂缝开展、极限拉应变大等特点,在国内外得到广泛应用。然而,现有研究主要集中于正常环境下的ECC材料力学性能,冻融环境下的研究还相对较少,因此开展冻融循环后PVA-ECC压缩性能试验研究具有重要工程意义。本文基于快速冻融循环试验,对冻融循环后的PVA-ECC试件进行了静态压缩试验和SHPB动态压缩试验,主要研究内容如下: (1)对4种纤维体积掺量下的PVA-ECC试件进行0～200次的快速冻融循环试验,研究试件外观损伤、质量损失、相对动弹性模量和孔隙率的变化规律。结果表明:随着冻融次数增加,试件冻融损伤逐渐加重,抗冻融能力逐渐下降;随着纤维体积掺量增加,试件冻融损伤逐渐改善,抗冻融能力得到提高;在本试验所有的纤维体积掺量中,掺量为2%试件的抗冻融能力较好。 (2)采用扫描电子显微镜对冻融循环前后的试件进行微观结构观测。结果表明:冻融前基体较密实,PVA纤维可良好嵌入基体中;冻融后基体疏松多孔且微裂缝增多,PVA纤维可跨裂缝连接基体;此外冻融后PVA纤维会出现与基体剥离甚至被拔出的冻融劣化现象,使得PVA-ECC试件力学性能显著下降。 (3)对4种纤维体积掺量和5种冻融次数下的PVA-ECC试件进行单轴压缩试验。结果表明:冻融循环次数越多,冻融劣化效应越明显,试件的抗压强度衰减越严重;掺入PVA纤维可明显改善冻融循环后试件的单轴压缩性能,减缓抗压强度的衰减;在本试验所有的纤维体积掺量中,掺量为2%试件冻融后的单轴压缩性能较好。 (4)对纤维体积掺量为2%、5种冻融次数下的PVA-ECC试件,进行4种应变率下的SHPB动态压缩试验。结果表明:相同冻融次数下,随着应变率增大,动态峰值应力、动态峰值应变、动态增长因子(DIF)和冲击韧性均呈现上升趋势,表现出明显的应变率效应;相同应变率下,随着冻融次数增加,动态峰值应变逐渐增大,动态峰值应力、DIF和冲击韧性均呈现下降趋势,表现出明显的冻融劣化效应。 本文共有图40幅,表18个,参考文献93篇。

关键词： 红砂岩   冲击压缩   冻融循环   力学特性   本构模型   数值模拟  

摘要： 我国在东北、中西部地区的交通工程建设不断加强,矿山资源开采蓬勃发展。由于东北寒区和中西部高原地区岩体微裂隙中的水受到冻融作用而产生相变,岩体产生冻融损伤,其物理力学性能发生劣化,易对隧道围岩、建筑地基等产生安全危害。另外,在隧道开挖和资源开采过程中,岩体还会受到爆破产生的冲击荷载。因此,研究冻融循环作用下岩石的动态力学特性劣化情况、能量耗散规律以及分形特征,并建立考虑冻融损伤的岩石动态本构模型,最后通过数值模拟完善试验结果,以期为寒区工程建设和工程灾害防治提供参考。本文以甘肃九龙坡红砂岩为研究对象,采用SHPB试验系统对红砂岩进行冲击试验,分别研究应变率和冻融损伤对红砂岩动态力学特性、能量耗散规律以及分形特征的影响。结果表明:在相同冻融循环次数下,动态抗压强度、峰值应变、耗散能、单位体积耗散能及破碎分形维数均与应变率呈正相关,具有明显率效应,而弹性模量随应变率的变化规律不明显。动态抗压强度和单位体积耗散能的应变率敏感性随着冻融损伤的增加而降低,峰值应变的应变率敏感性随着冻融损伤的增加而增加。在相同冲击气压下,动态抗压强度、弹性模量和单位体积耗散能与冻融循环次数呈负相关,峰值应变和破碎分形维数与冻融循环次数呈正相关。动态抗压强度、弹性模量、峰值应变和单位体积耗散能对冻融损伤的敏感程度随着冲击气压的增大而增大。基于组合元件模型理论和统计损伤理论构建了冻融红砂岩的损伤黏弹塑性动态本构模型,并验证了模型合理性及适用性,分析了模型参数对应力应变曲线的影响。研究发现:F0反映岩石平均强度,影响应力应变曲线屈服阶段;E1和E2对应力应变曲线峰前阶段有影响并且影响规律相同,在低应变率下E1影响较明显,在高应变率下E2影响较明显;η1和η2对曲线整体有一定提升,但影响很小。在应变率效应和冻融损伤耦合作用下,参数m随应变率（冻融次数）增大而减小,F0与应变率呈正相关,与冻融次数呈负相关,随着冻融次数增加,二者均对应变率的敏感性减弱;η1和η2随着应变率（冻融次数）增大而减小。选用能很好地描述岩石动态力学行为的HJC模型,以混凝土HJC本构模型参数为基础,结合试验数据确定了各冻融循环次数下红砂岩的HJC模型参数,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对冲击压缩试验进行模拟。研究发现,模拟曲线与试验曲线吻合度较高,模拟的破坏状态与实际的破坏状态也较为相似,本文所确定的HJC模型参数能够很好地表征不同冻融次数下红砂岩的动态力学行为和破坏过程,验证了模型参数确定方法的合理性。

关键词： 季冻区   水泥稳定碎石   冻融循环试验   橡胶粉   基床表层   疲劳耐久性   数值仿真  

摘要： 我国冻土地区辽阔,温度的不断变化使基床内部水分发生冰-水相变,加大了路基结构发生病害的可能性,影响列车安全运行。橡胶粉具有较好的变形能力,在基床表层中使用橡胶粉替换细颗粒,可有效地减弱内部冰-水相变带来的冻胀力,增加其延性,并实现工业废料的循环再利用。本文以季冻区高速铁路路基橡胶粉改性复合基床表层为研究对象,通过室内试验模拟掺橡胶粉水泥稳定碎石基床表层在长周期冻融循环后的无侧向抗压强度变化规律,依据试样的无侧限抗压强度综合分析其抗冻性,同时确定了掺橡胶粉水泥稳定碎石刚度的表征方式及在冻融循环作用下刚度劣化规律。通过有限元数值仿真模拟,分析了不同季节温度的强化层模量、不同橡胶粉替换水平的基床表层模量和不同冻融劣化等级的基床表层模量对高速铁路路基结构力学响应的影响。提取强化层下表面纵向最大拉应变值、基床表层竖向最大压应变值,结合疲劳耐久性计算公式计算得出强化层和基床表层的疲劳耐久性,最终提出一种满足疲劳耐久性指标且具有较好抗冻性的橡胶粉复合基床表层结构。主要研究工作如下:(1)考虑冻融循环作用的掺橡胶粉水泥稳定碎石力学强度劣化规律。分析橡胶粉替换量和不同周期冻融循对试样无侧向抗压强度的影响。随着橡胶粉替换量增多和冻融次数的增加,无侧向抗压强度均逐渐降低。同时从抗冻性评价、强度劣化规律及破坏能量多角度认为,1.7mm以下水泥稳定碎石细颗粒替换量为30%或45%时试样抗冻性较好。(2)总结了ABAQUS软件动力分析以及列车荷载处理方式。确定使用集中激振力荷载形式来模拟列车竖向荷载。动力特性分析时采用的力学指标为竖向动应力、竖向加速度、竖向动变形、强化层层底面拉应变。通过使用ABAQUS软件建立的三维无砟轨道路基结构模型进行动力响应计算,计算结果与实测结果相符,验证了模型的可靠性。(3)考虑不同季节温度变换、不同基床表层橡胶粉替换水平和不同基床表层冻融劣化等级对强化层及基床表层的疲劳耐久性的影响。以强化层底面纵向拉应变和基床表层竖向压应变为控制指标,计算得出强化层及基床表层疲劳耐久性。不同工况下基床表层和强化层疲劳寿命均随着基床表层橡胶粉替换量或冻融劣化等级的增加而减少,其中基床表层疲劳耐久性虽有所降低但均远高于60年的使用要求;强化层疲劳耐久性受橡胶粉替换量影响较大,但基床表层橡胶粉替换量在30%时,仍然满足60年使用要求,因此从疲劳耐久性角度出发,认为1.7mm以下水泥稳定碎石基床表层细颗粒替换量最大值为30%。