关键词： 溃堤   凌汛期   冻土条件   冻融循环条件   结构光传感器  

摘要： 堤防作为河流防洪减灾体系中的重要组成部分,在防止洪水泛滥、抵御风浪海潮方面发挥着重要作用。极端自然条件、堤身内患及人为破坏均可能诱发溃堤事故,进而导致水利、交通、通讯等设施严重受损,给人民的生产生活造成巨大的损失。堤防漫顶溃决过程涉及河床、堤防及溃堤水流的相互作用,模型试验是记录溃堤过程和揭示溃堤机理的有效手段。针对冰冻环境和冰水动力条件下溃堤机理研究较为匮乏的问题,本文搭建了弯道水槽概化模型,开展了冰凌条件、冻土条件和冻融循环条件下粘性土堤和非粘性土堤的溃决试验,分析了溃堤过程中的溃口扩展模式和溃决区域水力要素变化特性,研究成果可为溃堤后堤外洪灾风险动态评估及溃口堵复提供科学依据。主要内容如下:(1)开展洪水条件下均质土堤漫顶溃决试验,详细解释了非粘性土堤和粘性土堤在堤后冲蚀阶段的冲刷沟发展和陡坎发展模式,以及横向展宽阶段的失稳坍塌规律,分析了溃口流速和堤防上下游水位从稳态发展至非稳态再到稳态的全过程。(2)开展冰凌条件下非粘性土堤漫顶溃决试验,结果表明,冰凌对溃口具有挤压刮擦作用,且对堤防背水侧偏向主槽区下游的溃口破坏更严重。溃口的破坏强度与冰凌量和冰块与溃口的相对尺寸有关,随着冰凌量增加,溃口坍塌次数和横向展宽速率增加,垂向冲深速率和洪水波传播速率减小。(3)通过在低温环境下冻结土堤,并结合温度传感器监测各层温度,探究了冻土深度对堤防溃决特性的影响。结果表明,堤防在堤后冲蚀阶段和横向展宽阶段的破坏模式分别为陡坎冲蚀和失稳坍塌,且粘性土堤会出现陡坎合并现象。冻结后土体间隙的冰晶体与土颗粒相互胶结,溃口扩展速率及溃决区域的水位、流速变化率减小,且其与冻土深度成反比。(4)开展冻融循环条件下粘性土堤漫顶溃决试验,结果表明,堤后冲蚀阶段前期背水坡面破坏迅速,溃口呈双曲型,后期陡坎连通。与洪水条件相比,溃口扩展速率及溃决区域的水位、流速变化率均减小。

关键词： 钢-混凝土组合梁   氯盐腐蚀   冻融循环   疲劳加载   试验研究  

摘要： 中国青海省和西藏自治区属于高原大陆性气候,具有气温低、昼夜温差大等特点,桥梁结构容易受到冻融循环的影响。在雪天之后,高寒高海拔地区常用除冰盐来进行道路除冰,而除冰盐中的氯离子(Cl)会对桥梁结构尤其是钢结构产生腐蚀。在冻融循环和氯离子腐蚀耦合作用下的钢桥或钢-混凝土组合桥梁的服役性能成为高寒高海拔地区桥梁结构研究的热点问题之一。本文主要完成了以下的工作内容:(1)本文研究了钢-混凝土组合梁考虑冻融循环和氯盐腐蚀后的疲劳性能,试件的结构形式包括栓钉均布式布置的现浇混凝土板组合梁和栓钉集束式布置的预制混凝土板组合梁。依据中国青海省高寒高海拔地区昼夜温差大的气候特征以及桥梁结构在雪后采用除冰盐的工作状况,首先设计了组合梁试件的腐蚀试验和冻融循环试验,之后在两个试验基础上开展了组合梁的疲劳性能试验研究。试验结果表明:冻融循环造成混凝土明显的冻胀损伤,影响其强度和刚度;在冻融循环后,钢材的强度提升了5%～7%,这使得组合梁整体结构的受力和疲劳性能更加的复杂;组合梁试件最终疲劳破坏时均为跨中截面钢梁下翼缘板和腹板的焊缝处发生撕裂,试件SCB-6的梁端截面还出现了栓钉剪断导致的界面滑移破坏。(2)结合课题组之前的3片组合梁的疲劳试验数据,总计6片组合梁的疲劳试验数据,对不同工况下的组合梁的疲劳性能进行了对比分析,分析对比的变量是5种单一的变量,分别为:是否腐蚀、是否冻融、混凝土板和栓钉布置类型(预制板集束式或现浇板均布式)、钢材类型(普通钢或耐候钢),冻融后预制板组合梁与现浇板组合梁的差异。通过疲劳寿命,应力幅值、刚度性能、界面连接性能的对比分析得出结论:疲劳寿命除了受到应力幅的影响外,还与试件自身焊接残余应力的初始缺陷相关;钢梁下翼缘区域的断裂破坏,属于脆性破坏,混凝土板和钢梁界面的栓钉剪切破坏,属于延性破坏;耐候钢试件的初始刚度大于普通钢试件,说明耐候钢对于氯离子腐蚀具有一定的防护效果;现浇板试件的整体性强于预制板试件,故现浇板试件的初始刚度强于预制板试件;致使组合梁刚度损伤的影响因素,从强到弱排序为是否冻融循环、混凝土板类型(现浇板或预制板)、钢材类型(普通钢或耐候钢);在发生疲劳破坏前所有试件的刚度随加载次数的退化速率基本相同。(3)运用有限元软件ABAQUS和疲劳寿命分析软件FE-SAFE,对钢-混凝土组合梁的疲劳试验过程进行了模拟,其中ABAQUS主要针对的是组合梁的静载性能,而FE-SAFE为动态的疲劳寿命模拟和预测,其二者最终的模拟结果与实测值吻合程度较好,我们可以应用ABAQUS软件和FE-SAFE软件相结合的方式,来进行组合梁疲劳过程的模拟和分析。

关键词： 相变材料   改良黄土   冻融循环   击实特性   无侧限抗压强度   动回弹模量   微观特性  

摘要： 黄土是一种多孔的有柱状节理的偏黄色粉性土,这一特性导致其易遭受冻融循环的影响。长期以来,由于冻融产生的不利影响,包括路基冻胀、融沉等,对于此类破坏,仅仅通过面层修补无法从根本上改变道路的状况,必须对其路基内部进行处理。在冻融循环和荷载作用下,路基土性质会发生变化,路基性能受到影响。目前,针对路基的冻胀问题,许多科研人员结合工程实际,提出了不同的防冻胀措施,总结起来,主要分为:①以控制路基温度为目的的保温措施,②以减小路基含水率为目的的防排水措施,③以降低路基填料冻胀敏感性为目的的土质改性措施。虽然这些方法在季节性冻土区得到了广泛应用,但是在对黄土路基的防冻胀措施上还尚存在局限性,且没有系统性的研究出何种方法更加适用黄土类型。本文希望采用一种新的方式来代替传统方法,鉴于此,本文将通过采用相变材料(PCM,Phase change material)来解决黄土路基冻融产生的不利影响,在此基础上对其作更深入的研究。本文以山西省土壤作为研究对象,主要在以下几个方面进行研究并得出结论:(1)通过现场调查取土场的土样,进行常规土工试验测其基本物理性质,试验分析结果认为该土样为低液限粉质粘土。通过掺入两种PCM来研究黄土改良后的性能,首先从微观角度分析认为PCM对黄土的改良主要为物理作用,然后采用击实试验研究不同相态、掺量的PCM对黄土最优含水率和最大干密度的影响,得出结论:掺入液体石蜡改良黄土最大干密度随掺量的增加先增大后减小,最优含水率随掺量的增加不断减小;掺入相变微胶囊改良黄土最大干密度随掺量的增加不断减小,最优含水率随掺量的增加不断增大。(2)系统研究在冻融循环作用下PCM改良黄土物理特性和静力特性,研究抗压强度随相变材料掺量、相态的变化规律,并分析冻融循环次数、冻融温差等因素对改良黄土抗压强度的影响,得出物理特性和静力学相关结论:PCM改良黄土经冻融后物体表面析出的冰渍少于天然黄土,两种改良黄土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加不断下降,并且在第一天时下降幅度最大,在第三天后强度下降趋势逐渐趋于稳定。PCM改良黄土随着冻融温差的增加强度逐渐减弱。此外,掺入PCM后改良黄土的无侧限抗压强度均得到了较大提升,与天然黄土相比,掺入8%液体石蜡和5%相变微胶囊可分别提高强度2.7倍和2.9倍。随着冻融循环次数的增加PCM改良黄土质量不断降低,这也可能是其强度不断下降的原因。综上,PCM对路基黄土具有改良作用,提高黄土路基强度可以通过添加PCM来实现。(3)系统研究在冻融循环作用下PCM改良黄土的动力特性,研究不同围压、循环动应力以及冻融循环次数对改良黄土的动回弹模量的影响,最后综合试验结果得到不同情况下两种PCM的最优掺量。本文认为,若综合考虑强度和动回弹模量因素,可选择8%掺量的液体石蜡来进行改良,在实际工程中,需要充分考虑不同因素,选择适合的相变材料来进行改良。另外,得出动力学相关结论:PCM改良黄土动回弹模量随围压增大而增大,随循环应力增大而减小,且回归关系曲线接近于线性;动回弹模量随着冻融循环次数增加不断下降,在经过第一次冻融循环后会有一个大幅下降,在第三次以后会逐渐趋于稳定。试验结果认为提高围压和降低循环应力可以降低冻融循环对PCM改良黄土结构的劣化作用。

关键词： 季节性冻土区   冻融循环作用   生物炭与秸秆   土壤物理特性   土壤环境因素  

摘要： 冻融循环过程是广泛存在于季节性冻土区的一种自然现象,其显著影响着土壤理化性质与内部环境因素的变化,关系到季节性冻土区农田土壤养分与能量的迁移转化过程,如何通过干预调控,有效发挥冻融循环过程在冬季休耕期对于土壤性能与作物生境的修整作用已成为热点研究问题。本研究立足于松嫩平原,通过室内试验表征现象与室外试验规律验证相结合的方式。在室内试验中,采用松嫩平原三种典型土壤(黑土、白浆土和草甸土),以冻融循环为边界条件,设置添加生物炭(B1)、添加秸秆(S1)、生物炭与秸秆共同添加(B1S1)和未处理对照组(CK)四种处理,分析土壤水稳性团聚体比例,土壤总孔隙度(TP)、土壤水分特征曲线(SWRCs)、土壤溶解性有机碳(DOC)和土壤通气性(PL)的变化差异,探究了冻融循环下生物炭与秸秆对土壤结构及持水通气能力的影响机理,分析其在不同类型土壤中的普适性与差异性变化规律。在室外试验中,延续室内实验的调控模式,分析了裸地(CK)、施加生物炭(BA),施加秸秆(SA),生物炭与秸秆共同施加(CBS)条件下土壤孔径分布,土壤团粒特征与稳定性的变化差异,挖掘其与土壤结构稳定性的响应关系。进而深入探究土壤含水率、土壤温度、土壤通气性和土壤温室气体排放变化规律,并建立了土壤温室气体排放与土壤环境因素的传递关系函数,识别土壤温室气体排放的关键驱动因素,阐述了不同施加模式的调控机制。具体研究结果如下:(1)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤团粒分布的影响。在反复冻融循环的过程中,土壤团粒因水分相变产生的冻胀力而破碎,由大粒径向小粒径转变,土壤结构稳定性下降。生物炭与秸秆共同施用下土壤结构稳定性显著提高,三种土壤条件下团聚体破坏率(PAD)平均降低了23.98%。由于生物炭与秸秆的高孔隙度与低密度,土壤总孔隙度(TP)得到明显提升,生物炭具有丰富的含氧官能团和高比表面积,土壤颗粒表面更为粗糙,促进土壤颗粒相互聚集,且大粒级(>0.25 mm)团聚体对土壤稳定性的提高具有关键作用。生物炭与秸秆在应用于土壤后逐步破碎,与较小的土壤颗粒结合的更为紧密,小粒级(0.25 mm-0.106 mm)团聚体中有机碳含量显著高于其他粒级。(2)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤孔隙结构与气体传输特征的影响。土壤孔隙结构受到冻融循环-生物炭-秸秆共同作用的影响,生物炭促进了土壤微孔径(≥0.3-5μm)与小孔径(≥5-30μm)所占比例的增加,而秸秆对土壤极微孔径(<0.3μm)比例的提升更为明显。土壤团粒的破碎导致土壤孔径重新分布,孔隙连通性增强,且土壤总孔隙度(TP)与空气容量(AC)存在显著的正相关关系,秸秆与生物炭共同施用有效的提高了土壤结构的稳定性,减弱了外界因素对土壤环境产生的负效应,土壤通气性波动较小。同时不断重复的破碎-聚集-再破碎的循环过程打破有机质间的联结,促使小分子物质释放,提升土壤底物浓度,刺激土壤微生物活性,加速土壤内部循环过程,提高土壤碳矿化程度。(3)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤持水能力的影响。土壤水分特征曲线表明,土壤在低吸力段(h≤330 cm HO)失水多于高吸力段(330

关键词： 新都桥地区   季节性冻土   毛细排水板   路基   模型试验   数值模拟  

摘要： 反复冻融循环导致季节性冻土地区路基出现冻胀、融沉等冻融病害,对道路建设和安全运营造成危害。季节性冻土地区路基冻胀、融沉病害是温度与水分迁移共同作用的结果。在季节性冻土地区,每年10月到次年2月,大气中冷能进入路基形成冻结锋面,路基内部水分在基质吸力与孔隙水压力作用下向冻结锋面位置迁移,发生冰水相变,形成较多孔隙冰,体积增大,挤压周围土体,导致路基产生冻胀破坏。待冻结期结束后,路基中孔隙冰开始融化(主要集中在2-6月),产生较多层间水,层间水在重力势能作用下转换为动能致使路基中孔隙结构变大、变多,路基土体结构松散,产生融沉现象。目前针对季节性冻土地区冻融病害防治方法主要集中在温度控制的相关研究,例如电阻丝路基、通风管路基、热棒路基、块石护坡路基等,较少涉及到水分迁移的研究。本文从控制路基中水分迁移的思路出发,以川西高原为研究区,利用室内模型试验、理论分析及数值模拟等方法对冻融循环作用下毛细排水板在减弱水分向冻结锋面位置迁移、降低孔隙冰产生,控制季节性冻土地区路基冻胀病害的效果进行研究。研究结果可为季节性冻土地区路基冻害防治研究与设计提供试验及理论参考。主要工作与结论有:(1)通过室内模型试验,从体积含水率、温度、位移控制等方面分析了冻融循环作用下毛细排水板路基的冻胀特性。结果表明毛细排水板可降低路基内部水分含量、减弱地下水向路基内部迁移、减弱路基顶部冻胀融沉量、减缓路基温度下降趋势与时间、减缓路基冻结深度增长速率。(2)基于理查德方程、伯努利方程及虹吸排水方程等对毛细排水板吸排水模型进行推导及验证,定义了在一定压力梯度下的吸排水模型,解释了毛细排水板在路基冻融循环过程中的工作机理。(3)建立水热力三场耦合模型,并对有限元软件中系数形式偏微分方程(PDE)模块进行二次开发,利用PDE与固体力学模块进行水分场、温度场、应力场数值模拟,将模拟结果与室内试验进行对比分析,利用有限元数值模拟方法对毛细排水板路基的长期服役性能进行预测。

关键词： 鲁西南黄泛区   盐碱土   冻融循环   饱和导水率   微观结构   BP神经网络  

摘要： 据相关统计,我国盐碱土面积约占国土总面积的10%,尤其在鲁西南黄泛区,土壤盐碱化严重制约着该地区农业的生产与发展。该地区土壤退化严重,具有结构致密、容重大和饱和导水率低等典型特征。冻融对土壤结构和理化性质的影响越来越频繁和剧烈,进一步影响了冻土区土壤排盐效率。研究鲁西南黄泛区盐碱土的基本理化性质,分析冻融循环对该地区土壤水力性质和微观结构的影响,将对黄泛区盐碱土的修复具有重要指导意义。本研究以鲁西南黄泛区典型盐碱土为试验材料,首先分析原状盐碱土的基本理化性质、粒度分布和矿物组成。其次,通过室内试验研究了不同含水率(13%、16%、19%)、容重(1.48 g·cm-3、1.53 g·cm-3、1.58 g·cm-3)和冻融循环次数(0、1、5、10、15、20)下的重塑土壤的饱和导水率和微观结构特征。最后,采用BP神经网络建立了该地区盐碱土渗透性预测模型。通过对试验过程的观察和试验数据的分析,主要研究结果如下:(1)鲁西南黄泛区盐碱土为粉质黏土,其饱和导水率为1.48×10-5 cm/s,属于弱透水类土壤,渗透性极差。土壤Cu=7.14>5,Cc=0.33<1,土壤粒度差异大,分布不均,颗粒以小颗粒(10)的土壤样品中含有较多的超微孔(<0.05 μm)和微孔(0.05-2 μm),大孔(≥20 μm)含量较少。随着冻融循环进行,土壤孔径分布曲线的峰值右移且增大,10次冻融循环后,曲线呈现双峰分布,第二峰的孔径分布范围大于10 μm,属中孔范围,对孔径分布的影响更为剧烈,冻融循环15次影响最剧烈。高含水率可以促进冻融循环的作用,高干密度的增加则有抑制效果。含水率增加,主导孔径由0.05-2 μm的微孔逐渐向2-10 μm的小孔转变,且含量增加,进而增大孔隙度。随着干密度增大,孔径分布曲线中主导孔径的分布范围几乎不会受到影响,但主导孔径的含量呈减小趋势,孔隙度随之减小。(5)通过扫描电镜试验观察发现,冻融循环次数增大了粒间孔隙直径,并且拓宽了颗粒间接触形式,由原来单一的面-面接触转变为面-面接触、点-面接触、点-点接触为主的多种接触方式共存。较高含水率会使土壤颗粒碎片化,产生“片”状结构,促进土壤孔隙发育。随着干密度的增加土壤颗粒会产生“板”状结构,从而导致土壤微观结构更加致密。(6)基于BP神经网络,建立鲁西南黄泛区盐碱土渗透性预测模型。该神经网络预测模型预测效果良好,可以利用该模型进行该地区盐碱土的饱和导水率预测。

关键词： 水化学   冻融循环   损伤变量   分形维数  

摘要： 本文为研究水化学-冻融循环耦合作用下砂岩物理力学性质变化及损伤劣化规律,通过水化学溶液浸泡和冻融循环作用获得不同损伤程度的砂岩试样,进行室内试验测算得到砂岩基本物理参数,并通过质量损失率与纵波波速衰减程度分析砂岩物理性质变化;进行单轴压缩试验并分析其应力-应变关系曲线,总结砂岩力学参数的变化规律并对砂岩宏观破坏模式进行分析;对岩样的破裂面进行扫描电镜试验,从微观角度分析砂岩孔隙结构变化,通过MATLAB软件对图像进行处理并结合分形理论从微观角度分析砂岩损伤劣化机理。(1)经过水化学-冻融循环耦合作用后酸性溶液浸泡组砂岩质量损失率和纵波波速衰减程度较中性溶液浸泡组更大,且响应幅度随水化学溶液p H值降低而增大。经过单轴压缩试验后,砂岩应力-应变曲线一致性较好,弹性模量与峰值应力随冻融循环次数增加逐渐减小,水化学溶液p H值与其降低率呈负相关,砂岩呈现出由脆性向延性转化的趋势。(2)砂岩破坏模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,水化学-冻融循环耦合作用较单因素作用对砂岩的损伤更加剧烈。通过弹性模量表征砂岩损伤变量,冻融循环40次时,p H=3、p H=5及p H=7的水化学溶液浸泡组砂岩损伤变量分别为0.819、0.780及0.663,水化学溶液p H值越低,损伤程度越大,并且砂岩损伤变量随冻融循环次数增加而增大。(3)依据Otsu法计算得到的最佳阈值对扫描电镜图像进行二值化处理,测算平面孔隙度并从微观角度分析砂岩孔隙结构变化。运用盒维数法测算分形维数,p H=3的水化学溶液浸泡组砂岩经历0、10、20、30、40次冻融循环后分形维数分别为1.723、1.778、1.814、1.851及1.906,经历40次冻融循环试验后砂岩的分形维数较经历0次冻融循环试验后增大10.62%,呈现出随水化学溶液p H值降低冻融循环次数增加而增大的趋势,伴随冻融循环次数增加在冻胀作用下砂岩内部微裂隙进一步发育扩展直至贯通,形状也变得更加尖锐复杂,分形维数随之增大。

关键词： 冻融循环   裂隙岩体   断裂韧性   形貌特征   破坏模式   本构模型  

摘要： 近年来随着西部大开发国家基础设施建设的需要,许多大型寒区岩体工程都会面临冻融灾害问题。冻融循环损伤会造成岩石裂隙加深,使岩石产生断裂破坏行为,因此为研究冻融循环作用下裂隙岩体的断裂特性以及损伤破坏机理,本文从室内实验、微细观分析和理论推导三个方面进行了相关的研究,研究内容如下:(1)开展了不同F-T循环处理下含不同角度预制裂缝的半圆形试样的三点弯曲试验,揭示了循环F-T处理对岩石不同模式断裂特性的影响。此外,通过3D激光扫描仪获得SCB试样的断口形貌特征并计算分形维数,表明分形维数值随着F-T循环次数的增加而逐渐增加。(2)对不同冻融循环后的双缺口砂岩试样进行压剪试验研究了冻融处理对II型断裂韧度和断口形貌特征的影响。结果表明,冻融循环对II型断裂韧度起重要作用,且断裂韧度随冻融次数的增加呈明显下降趋势。同时对断口3D表面进行了三维重构和电镜扫描,计算了分形维数、粗糙高度、倾斜角以及3DJRC值等参数,均表明随着循环次数的增加,断裂面变得更粗糙。(3)通过AE技术对砂岩压剪破坏模式进行了阶段分析。随冻融循环次数增加,累计振铃计数和压密时间增加,弹性和屈服破坏阶段时间下降。根据各个阶段的RA-AF值及核密度(KDE)云图,发现冻融循环作用对压密阶段和屈服破坏阶段的拉剪信号分布影响较大,信号数量增加且向边缘扩散,对弹性阶段的信号分布影响较小。(4)根据热力学理论和孔隙水冻胀变形理论,建立了基于裂隙岩体孔隙率的冻融损伤劣化模型,并利用压汞法测定了砂岩的孔隙率及孔径分布,结果表明冻融循环作用对砂岩的孔隙率及孔径分布影响较大,随后根据实验数据以及热力学参数对模型进行了验证,结果较好。图54幅,表7个,参考文献101篇