关键词： 危岩体   冻融循环   极限平衡   冻胀力   冻结深度   稳定性系数  

摘要： 为了揭示冻融循环对寒区危岩体稳定性的劣化作用机理,根据极限平衡理论分析了不同类型寒区危岩体的受力特性,明确了冻融循环作用对寒区危岩体稳定性的影响,在结构面贯通段产生冻胀力荷载,在非贯通段弱化岩石物理力学性能及岩石冻结深度持续下探。综合运用极限平衡理论、原位冻胀理论和圆孔扩张理论,系统地研究了长期冻融循环作用下寒区压剪破坏型危岩体和拉剪破坏型危岩体稳定性的劣化规律,推导了寒区两类危岩体稳定性系数与冻融循环次数间的理论解析式。以甘肃某滑移式危岩体工程为算例,分析了寒区危岩体稳定性系数的劣化规律及部分参数的影响效果。主要研究结论如下:(1)冻融循环作用下岩石物理力学性能劣化满足初期衰减迅速后期衰减缓慢的规律,岩石物理力学性能劣化程度与冻结温度呈负相关关系,不同冻结温度仅会影响性能劣化幅度而不改变劣化规律;与岩石初始孔隙率和岩屑流失比呈正相关关系,降低岩石初始孔隙率能减缓性能劣化速率,降低岩屑流失比能减缓性能劣化范围。(2)最冷月份温度不改变岩石冻结深度演化规律,不同温度下的岩石冻结深度可视为基准深度与放大系数的乘积;低含水量岩石的初始冻结深度和冻结深度增长幅度更大,在冻融循环次数一定时冻结深度随含水量增加呈减速衰减变化趋势,随初始孔隙率增加呈加速增长变化趋势。(3)工程算例分析表明,寒区滑移式危岩体稳定性系数在前15次冻融循环作用后的下降幅度是后15次的4.5倍,稳定性系数劣化曲线随冻融循环次数增加表现出先快后缓并趋于稳定的下降趋势;在相同冻融循环次数条件下,稳定性系数随冻结温度的降低几乎呈线性下降,随岩石初始孔隙率和岩屑流失比的增加呈加速衰减趋势;当岩石初始孔隙率超过3.8%或岩屑流失比高于0.83时,稳定性系数下降速率急剧增加。

关键词： 橡胶-砂胶结材料   弹性模量   泊松比   ABAQUS   p-y曲线  

摘要： 季节性冻土在我国长江以北分布广泛,随着季节更替,季节性冻土势必会经历冻融循环作用,从而影响桩土相互作用特性。冬季土体冻结后,桩周土体的强度将显著提高,降低桩基侧向变形性能,在地震等水平荷载作用下极易导致桩基发生断桩等脆性破坏。为消除或降低冻融循环对季节性冻土区桩基承载性能的不利影响,提出采用具有抗震性、保温性和低温稳定性的废旧轮胎橡胶颗粒材料置换桩周一定冻深范围内的土体,并分析其与桩基的相互作用机理。本文首先利用橡胶颗粒、石英砂以及聚氨酯胶水,按一定质量比进行混合制作橡胶-砂胶结材料试样;再通过室内土工试验和电镜扫描分别测试其物理力学性质指标和微观结构;然后,通过数值模拟对比分析橡胶-砂胶结材料置换前后对桩基受力与变形的影响;最后,通过影响因素分析建立经橡胶-砂胶结材料置换后的桩基p-y曲线模型,并给出相应的参数取值方法。本文主要工作及成果如下:(1)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得到橡胶-砂胶结材料应力-应变本构关系式,建立切线泊松比与轴、径向应变之间的拟合关系式;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;温度对试样破坏强度和弹性模量的影响较大,而冻融循环次数和低围压对试样破坏强度和弹性模量的影响较小,电镜扫描发现橡胶-砂胶结材料的主要受力骨架为橡胶颗粒。(2)采用ABAQUS软件建立季节性冻土区桩基有限元模型,并采用橡胶-砂胶结材料置换桩周土体。置换前,冬季土体冻结后浅层土体的强度和刚度显著增大,在水平荷载作用下,塑性铰区域减小,弯矩剖面形状变窄,从而导致桩基的塑性变形能力减弱,桩身最大弯矩位置接近地面(约0.15m);置换后,在水平荷载作用下,塑性铰区域扩大,最大弯矩位置距地面约1.1m,侧向位移能力远大于冻土桩基。(3)通过分析置换后桩基的p-y曲线,发现土抗力与位移基本呈线性关系,这与橡胶-砂胶结材料近似为弹性材料有关,因此采用理想弹塑性模型进行修正,得到适用于橡胶-砂胶结材料的p-y曲线模型。最后将数值模拟所得桩基p-y曲线与本文所提出的桩基p-y曲线进行对比分析,验证了本文橡胶-砂胶结材料桩基p-y曲线的合理性。

关键词： 冻融循环   含水率   损伤劣化   抗压强度   能量分析  

摘要： 我国寒区分布广泛并且拥有着极其丰富的资源,而岩石作为大部分工程建设的载体,受到冻融循环作用后会引起内部结构产生损伤,导致承载能力下降。并且在自然界中,大多数岩石的含水状态都不相同,在水冰相变的过程中体积会增大约9%,导致内部裂隙和孔隙进一步发育,对相关工程建设造成一定的安全隐患。因此为保证寒区工程建设的稳定、安全,对不同含水状态下冻融后岩石力学性质的研究是非常有必要的。通过对饱水砂岩以及不同含水率的砂浆进行吸水率、纵波波速、冻融系数和破碎形态等物理性质的分析,进行了静态的单轴抗压试验和动态的SHPB试验,分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的静动态力学特性,并结合SEM试验和XRD试验从宏观和微观两方面分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的损伤劣化机理。主要研究内容如下:(1)四组不同含水率砂浆试样与饱水砂岩试样经历过冻融循环之后波速都有所下降。对于干燥状态试样来说,在经历第一次冻融循环之后,波速的降低幅度比较大。各组试样波速随着冻融次数的增加呈现出不同程度的下降,但下降的趋势越来越平缓。(2)在单轴压缩试验中,试样的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而降低。饱水砂岩、干燥砂浆、含水率为1%的砂浆和含水率2%的砂浆强度曲线都有减缓的趋势,含水率为3%的砂浆在最后一阶段强度损伤较大,经历过30次冻融循环之后,强度降低最明显。(3)在单轴冲击试验中,试样经过冻融循环作用后,动态应力-应变曲线呈现3个阶段,分别为弹性阶段、非线性变形阶段和破坏阶段。在冲击气压相同的条件下,冻融次数越多,试样的抗压强度越小。在相同含水率的条件下,试样的峰值应力和冲击的气压呈正相关变化。对于试样的峰值应变来说,随着冲击气压的增大,试样的峰值应变也在变大。相同含水率状态下冻融循环次数较多,试样破碎后的的小尺寸粒径所占的比例就越多。(4)相同的冻融循环次数作用下,试样破碎时所吸收的能量与冲击气压呈正相关,冲击气压越大,试样所吸收的能量就越多。在冻融循环次数较少的情况下,砂浆的内部孔隙较少,力学性能也较好,所以在冲击荷载作用时,较多的能量被吸收用来扩展砂浆内部的裂缝直至试件破碎。在冻融次数不断增长的情况下,砂浆内部的裂纹越来越多,破碎时吸收的能量就较低。(5)从SEM图像可以看出干燥状态下砂浆内部结构排列紧密,裂纹和孔隙的数量相对较少。随着砂浆含水率的增加,内部结构变得越来越松散。经历15次冻融循环之后,可以明显的看出试样的表面已经出现了裂纹。经历30次冻融循环之后,砂浆表面的裂缝已经形成贯通,颗粒间的粘结力较小,颗粒脱落,最终导致承载能力的减小。(6)冻融循环过程中,高岭石、凌铁矿和伊利石的占比降低,石英的含量占比增加。高岭石和伊利石吸水后会产生不均匀的膨胀,从而产生微小的孔隙。水进入微裂隙与亲水矿物结合,形成水化粘土,水化粘土具有膨胀性、流变性、分散或絮凝性等特点,因此冻融作用加速了黏土矿物的崩解,岩石孔隙率也进一步增大。图49表5参考文献82

关键词： 废弃轮胎橡胶   橡胶混凝土   冻融循环   性能   SEM微观  

摘要： 我国西北地区存在着较大的昼夜温差,冻融循环易对混凝土材料性能产生不利影响,而废弃轮胎的成分复杂、自然条件下分解时间漫长,不当的处理方式对环境有着较大污染,造成“黑色污染”。本文设计将废弃轮胎加工成橡胶颗粒(10目、20目、30目),以20%掺量加入混凝土中制备橡胶混凝土,对冻融循环0、25、50、75、100和125次时橡胶混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和动态压缩性能进行了测试,观察了质量损失率和相对动弹性模量的性能参数变化,并与普通混凝土进行对比。最后基于SEM电镜扫描技术从微观角度揭示了橡胶改善冻融循环环境下混凝土性能的作用机理,研究结果包括以下几个方面:(1)基于对冻融循环后普通混凝土和橡胶混凝土质量损失率和相对动弹性模量性能参数变化发现:橡胶颗粒能够提高混凝土抗冻性能,在一定程度上延缓质量和相对动弹性模量的损失,30目橡胶对混凝土抗冻性能影响最佳。(2)随着冻融循环次数不断增加,普通混凝土和橡胶混凝土强度均逐渐降低,但橡胶有效减缓了混凝土强度降低率,且30目橡胶对减缓混凝土强度降低最为有效。(3)利用SHPB试验装置对不同循环周期时普通混凝土和橡胶混凝土在0.3、0.45、0.6MPa气压进行了冲击。结果表明:橡胶能提升混凝土的动态压缩性能,同种橡胶混凝土随着冻融循环进行动态抗压强度逐渐降低,且随着冲击气压的增大,应变率逐渐变大,呈现出一定的应变率效应。(4)根据试件宏观破坏形态并基于SEM微观测试综合分析可知,由于橡胶填充了混凝土内部的密实度且增强了混凝土的和易性,减轻了混凝土内部冻融破坏,增加了混凝土韧性,试件破坏后整体性优于普通混凝土。综上所述,橡胶的加入有效改善了混凝土的性能,本文的研究可为废弃橡胶轮胎的再利用和西北地区橡胶混凝土的实际工程运用提供较大参考。

关键词： 混凝土   粉质黏土   界面   双曲线模型   剪切性能   冻融循环   细观损伤  

摘要： 土与结构接触面的剪切性能是决定基础工程中结构的安全性和整体稳定性的一个重要因素。在季节性冻土区,冻融循环作用会导致环境土体与结构物的力学性能劣化,进而影响结构的整体稳定性。因此,针对冻融循环作用下土与结构物接触面的力学性能研究必须加以重视。依托国家自然科学基金项目(42072296,41627801,41430642),中国博士后科学基金项目(2015M581403)以及冻土工程国家重点实验室开放基金项目(SKLFSE201514)的资助,本文针对冻融循环作用下粉质黏土-混凝土二元体界面剪切性能的劣化规律这一课题,进行了以下研究工作:(1)通过对吉林省季节性冻土区实地取样,针对粉质黏土-混凝土二元体所处的实际环境设计了冻融循环试验及冻融循环作用下的粉质黏土-混凝土二元体界面直剪试验。(2)基于不同冻融循环次数条件下的粉质黏土-混凝土二元体界面直剪试验,探究了冻融循环次数对界面剪切性能及强度参数的影响,并考虑了100k Pa-400k Pa等4种不同的法向应力及18.7%、20.7%及22.7%等3种不同的土体初始含水率对粉质黏土-混凝土界面剪切性能影响。试验结果表明,界面的抗剪强度与法向应力正相关,与冻融循环次数及土体初始含水率负相关。(3)将制作完成的粉质黏土-混凝土二元体试块定义为未损伤状态,通过电子显微镜对经历不同冻融循环次数后的粉质黏土上表面细观形态进行观测并利用MATLAB软件对观测图像进行二值化处理,探究了冻融循环作用对粉质黏土表面形态的影响。(4)通过扫描电子显微镜(SEM)分析了粉质黏土与混凝土接触面区域土体的细观形态变化。结果表明,在冻融循环作用下,界面区土体孔隙率逐渐增加,界面区土体单元间由完整结构的面-面接触向点-面接触及点-点接触转化。(5)以双曲线模型为基础,结合冻融循环作用下的粉质黏土-混凝土界面的抗剪强度损伤规律,建立了冻融循环作用下粉质黏土-混凝土界面的剪切模型,并通过室内直剪试验的结果验证了改进的双曲线模型。本文建立的冻融循环作用下粉质黏土-混凝土二元体界面剪切模型,为季节性冻土区粉质黏土与混凝土接触面的剪切性能研究提供了理论基础,为土-混凝土接触面的耐久性设计提供了研究依据。

关键词： 冻融循环   硬石膏岩   损伤劣化机理   声发射   本构模型  

摘要： 当今,随着社会经济的发展以及人类对自然资源的深度开发利用,大量的岩土工程建设在寒区兴起。硬石膏岩是广泛分布于地壳中的蒸发岩,在我国西北、华北、东北和西南等地区均有分布。位于寒区的硬石膏岩层,由于遭受冻融循环作用,引发诸如岩体承载力下降,原生孔隙、裂隙扩展等一系列不利于工程建设和运营的安全问题。为此,本文以“冻融循环作用下硬石膏岩损伤劣化机理”为研究主题,采用室内试验、理论模型推导和数值模拟分析相结合的方法。从细观、微观和宏观尺度,揭示了硬石膏岩在冻融循环作用下的损伤劣化机理;基于声发射特征,初步提出了荷载作用下冻融硬石膏岩的破坏前兆信号;结合最大拉应变准则,建立了冻融岩石的损伤本构模型;采用离散元数值模拟方法,探讨了冻融循环作用和预制裂隙对硬石膏岩裂纹扩展、力学行为及应力场分布的影响规律。本文主要研究内容及成果如下:(1)采用核磁共振和电镜扫描的无损检测方法,分析了冻融循环作用下硬石膏岩的细观、微观结构损伤演化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增加,硬石膏岩的小孔(r≤0.1μm)、PT-Ⅰ孔喉(0～0.18))占比、孔隙(D)和孔喉(D)分形维数呈指数型递减;而中孔(0.1μm

关键词： 砂岩   冻融循环   水化学   劣化机制   动力学试验  

摘要： 岩体经受着不同的风化作用，在寒区工程建设中面临最多的就是冻融损伤问题，近年来环境污染等问题愈发突出，水环境中往往伴随一些化学离子的存在，在冻融损伤过程中岩体常受到水环境中化学离子的影响，因此岩体的水化学-冻融耦合作用下动态力学性能试验研究对寒区工程结构稳定性具有重要意义。以工程中常见砂岩为研究对象，对水化学-冻融循环耦合作用下砂岩的物理力学性能展开研究，并进行微观结构分析，主要研究内容及结论如下:　　(1)研究砂岩在pH为3、5和7水环境下经历冻融次数为10、20、40和60次后的质量、孔隙率和纵波波速变化规律，试验发现水化学-冻融耦合作用对砂岩物理性能产生显著影响，随着水环境pH的降低和冻融循环次数的增加，砂岩干燥质量和纵波波速逐渐减小，孔隙率不断增大，且各物理指标变化速率逐渐减小。　　(2)利用SHPB装置对在pH为3的水环境中进行50次冻融循环作用下砂岩进行8种冲击气压下的动态压缩试验，结果表明:动态抗压强度和平均应变率均随着冲击气压的增加逐渐增大，呈二次多项式正相关;随着冲击气压的增加入射能逐渐增大，反射能、透射能和吸收能均随着入射能的增加不断增大，砂岩破坏模式由原来的张应变破坏转变为剪切复合破坏。　　(3)进行不同冻融循环次数与不同pH值水环境耦合作用砂岩的单轴冲击压缩试验。结果表明:随着水化学-冻融耦合作用的进行，砂岩动态力学参数逐渐产生劣化;在相同pH条件下随着冻融次数的增加，砂岩试样动态抗压强度逐渐减小，峰值应变不断增大，其中在pH为3水环境下经历10次、20次、30次、40次、50次和60次冻融循环，砂岩的强度较自然状态分别降低了9.80％、17.54％、21.85％、24.11％、28.79％和31.37％;在相同冻融循环次数下，随着水环境pH的降低砂岩动态抗压强度不断减小，峰值应变逐渐增大，其中当冻融循环次数为60次时，水溶液pH为3和5相比pH为7的溶液砂岩强度分别减少了18.61％和11.18％。　　(4)进行不同冲击气压下的循环冲击试验，研究发现较大冲击气压作用下，随着循环冲击次数的增加，峰值强度呈线性下降趋势，峰值应变和平均应变率均呈线性增长趋势;当冲击气压较小时，随着循环冲击次数的增加，峰值强度先缓慢下降然后陡降，峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;试件裂纹不断扩展，试件主要呈劈裂破坏;单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势，累计比能量吸收能则不断增加。　　(5)结合微观结构变化和反应前后砂岩物质的衍射图谱分析，矿物颗粒钠长石与高岭石产生化学与水解反应，胶结矿物方解石也与化学溶液中氢离子反应，岩石中的孔隙结构发生改变，产生新的孔隙裂纹。

关键词： 圆钢管混凝土   冻融循环   推出试验   本构关系   有限元分析  

摘要： 钢管混凝土由于承载力高、抗震性能好等优点被广泛应用于实际工程中。近年来,我国北方发生的多起钢管混凝土构件低温破坏事故表明,深入研究冻融环境下钢管混凝土结构的力学性能对于保证寒冷地区钢管混凝土结构的安全至关重要。钢管混凝土的界面粘结滑移性能是钢管和混凝土间共同受力与协调变形的基础。目前,国内外对钢管混凝土界面粘结性能的研究主要集中于常温、高温环境下,对冻融环境下钢管混凝土界面粘结滑移性能的研究鲜有报道。已有研究表明,冻融循环作用后,混凝土的材料性能会发生一定程度退化,导致钢管混凝土构件界面粘结性能出现损伤,从而对构件的承载力产生较大的影响。基于以上背景,本文对冻融循环作用后钢管混凝土界面粘结滑移性能进行了试验研究、理论分析与数值模拟。主要工作和成果如下:(1)对21根圆钢管混凝土试件进行了冻融循环试验与反复推出试验。基于试验数据绘制了各试件荷载-滑移曲线及钢管外表面不同位置纵向应变分布曲线,展现了冻融循环后试件的宏观受力情况,以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度等级以及反复推出次数为主要参数,探究了各因素对荷载-滑移曲线趋势及粘结破坏荷载的影响。试验表明:冻融循环作用后的试件与未冻融试件的破坏形态与荷载-滑移曲线趋势均相似,P-S曲线均可划分为上升段、下降段和残余段;钢管外表面不同位置处纵向应变曲线大致呈指数分布;试件界面粘结性能随冻融循环次数增加而降低;提高钢管壁厚及混凝土强度等级可改善界面粘结性能,有效提高试件承载能力;反复推出加剧了试件界面粘结性能的损伤。(2)绘制了各因素与界面粘结强度与滑移关系曲线,总结分析了各因素对界面粘结强度、滑移的作用机理与影响规律。分析结果表明,冻融循环次数增加使界面粘结强度逐渐降低、粘结滑移逐渐增大;增加钢管壁厚、提高混凝土强度,界面粘结强度与粘结滑移均呈增大趋势。在此基础上,通过回归拟合的方式,分别获得了界面粘结强度、滑移与冻融循环次数、套箍系数的计算公式,进一步提出了粘结强度、滑移受冻融循环次数和套箍作用耦合效应影响的计算方法,该方法可以对试验结果进行较好的预测;通过分析试件第一次推出界面平均粘结应力与加载端滑移关系曲线,建立了冻融循环作用后圆钢管混凝土粘结滑移本构关系模型。(3)利用ABAQUS有限元软件建立了考虑冻融循环影响的圆钢管混凝土推出试件数值分析模型,采用内聚力模型及库伦摩擦模型相结合的方式模拟钢管与核心混凝土间的粘结作用。将模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值分析模型的适用性。以该模型为基础,对冻融循环次数、钢管壁厚、核心混凝土强度、钢管屈服强度进行了参数分析,采用冻融折减系数描绘各参数对界面粘结性能的影响程度的差异,结果表明:影响界面粘结性能的主要因素为冻融循环次数,钢管壁厚次之,混凝土强度与钢管屈服强度的影响较小。

关键词： 机械活化   化学浆液   物理性能   硫酸盐   冻融循环   再生混凝土  

摘要： 我国西南沿海地区以及华北和西北等地区的土壤和水中均含有一定量的硫酸盐，会对再生混凝土形成一定的腐蚀作用，加之冻融循环的影响，导致材料性能与结构受到破坏。为保证再生混凝土材料能够得到更好应用，文章对硫酸盐侵蚀和冻融循环共同作用下的再生混凝土耐久性进行研究，通过试验对材料耐久性进行分析，明确各项干扰因素以及材料变化情况。结果表明，在两种因素的共同作用之下，再生混凝土材料的质量损失率逐渐从降低趋势向增加趋势转变。