关键词： 改性黄土   冻融循环   力学特性   微观分析   数值计算  

摘要： 黄土广泛分布于我国西北地区,伴随季节性的冻结和融化,黄土的力学特性极易发生改变,甚至引发工程问题,如路基冻胀、融沉、翻浆冒泥等。本文以西北地区黄土为研究对象,采用水泥和聚丙烯纤维进行黄土改性,研究水泥掺量、纤维长度、纤维掺量以及冻融循环次数对改性黄土力学特性的影响;并以改性黄土的室内试验结果作为数值计算模型的依据,对季冻区黄土路基进行数值计算。主要研究工作和结论如下:(1)通过无侧限抗压试验,分别探究水泥掺量、纤维长度、纤维掺量以及冻融循环次数对改性黄土抗压强度的影响;运用灰色关联度理论分析不同冻融循环次数下各因子的关联度大小;利用Lasso回归分析建立改性黄土无侧限抗压强度回归模型。前5次冻融循环内,水泥的掺入使改性黄土强度损伤较小,冻融循环15次后改性黄土抗压强度趋于稳定。(2)通过三轴压缩试验,分析素黄土和改性黄土在冻融循环作用下的应力应变特性、黏聚力、内摩擦角等的变化规律;引入冻融损伤系数,推导改性黄土经多次冻融循环的黏聚力与未经冻融循环黏聚力之间的拟合关系式;与素黄土相比,相同冻融循环次数下,改性黄土的黏聚力和内摩擦角均有所提高。利用电镜扫描测试,对比改性黄土微观形貌,探讨其在不同围压下的断面微观形态。(3)以室内相关试验结果为依据,以季冻区黄土路基力学参数进行数值计算。在10年的冻融循环内,温度对黄土路基的作用范围约为2 m;第10年冻融循环融化期结束时路基表面无冰,但在黄土路基下方大约1.5 m处水仍旧以冰的形式存在;在第10年冻融循环结束时,路基顶面3 m以下土体应力没有明显变化,路肩2.5 m以下土体应力没有明显变化。

关键词： 混杂纤维混凝土   温度区间   抗冻性能   力学性能   冻融损伤模型  

摘要： 冻融破坏是混凝土结构出现耐久性问题的重要因素之一,处于寒冷地区的建筑物长期受到冻融循环的作用,对其安全运营和使用寿命产生了严重影响。处于华北、西北和东北等区域受到的冻融破坏的温度不同,对混凝土的强度、开裂和剥落等产生了不同程度影响。纤维混凝土比普通混凝土具有较好的抗冻性能而受到广泛关注,尤其是两种不同性能的纤维按照一定的比例混掺,能够取长补短、相互补充来提高混凝土的整体性能。因此,选取碳纤维、聚丙烯纤维进行单掺和混掺,并选取-8℃～8℃、-18℃～8℃和-28℃～8℃三种温度区间进行快速冻融循环试验,研究冻融作用下混凝土的力学性能和损伤。具体工作和结论如下: (1)对三个温度区间的普通混凝土和纤维混凝土进行150次快速冻融循环试验。试验结果发现:在三个温度区间下抗冻性能优顺序为:碳—聚丙烯混杂纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、碳纤维混凝土和普通混凝土,其中碳—聚丙烯混杂纤维混凝土较聚丙烯纤维混凝土质量损失率分别降低了 12.50%、20.51%和9.52%,相对动弹性模量分别提高了 2.26%、4.01%和 0.25%。 (2)对未冻融和经历150次不同温度区间冻融循环试验的混凝土试件进行抗压、抗拉和抗折力学性能试验。试验结果发现:未冻融时,碳—聚丙烯混杂纤维混凝土抗压、抗拉和抗折强度比最佳单掺纤维混凝土分别提高了 4.48%、6.03%和3.90%;经历150次冻融后碳—聚丙烯混杂纤维混凝土抗压、抗拉和抗折强度损失率比最佳单掺纤维混凝土更低,在-8℃～8℃和-18℃～8℃尤为显著,其中-8℃～8℃区间下分别降低了 11.71%、24.54%和 34.21%,-18℃～8℃区间下分别降低了 20.21%、36.22%和 15.84%,-28℃～8℃区间下分别降低了 1.62%、8.07%和2.26%。 (3)分析总结国内外学者提出的混凝土冻融损伤理论模型和经验模型,基于相对动弹性模量建立相应二参数Weibull概率分布的冻融损伤演化方程、一元三次多项式函数型冻融损伤模型。通过拟合结果可知:三个温度区间的一元三次多项式函数型冻融损伤模型拟合精度均在0.97以上,能够准确地反映出不同纤维掺量下的混凝土冻融破坏情况,通过拟合曲线预测碳—聚丙烯混杂纤维混凝土在三个温度区间下最大寿命分别为74.3 年、45.6 年和 22.0 年。 (4)利用ABAQUS有限元分析软件,在三个温度区间普通混凝土和碳—聚丙烯混杂纤维混凝土进行50、100、150、200次冻融循环温度场模拟、热应力场模拟以及冻融循环后立方体抗压试验的模拟与分析。得出结论如下:在-8℃～8℃、-18℃～8℃温度区间下两者的强度损失率差值较大,但是在-28℃～8℃温度区间下强度损失率差值一直较小。

关键词： 冻融循环   灰岩   物理力学特性   劣化效应   损伤本构模型  

摘要： 随着国家西部建设进程的加快,寒区冻融灾害给工程建设带来的潜在风险越来越受重视。针对寒区岩土体的冻融劣化问题,本文选取灰岩作为研究对象,通过室内冻融循环试验模拟寒区温差环境,开展冻融循环作用下灰岩的物理力学试验,基于试验结果对灰岩的冻融劣化效应及机理进行分析,并结合损伤力学理论建立了冻融循环作用下灰岩的损伤演化方程及本构模型。主要研究内容及成果如下:（1）对灰岩试样分别进行0、10、20、30、40次冻融循环试验,通过测定冻融循环过程中试样的质量和体积参数分析灰岩的质量变化、饱和吸水率变化及密度变化规律。灰岩的干燥质量、饱水质量分别表现出损失和增加的变化特征,且变化量随冻融循环次数的增加逐渐增加;饱和吸水率随循环次数的增加逐渐上升;饱和密度在不同循环次数作用后均有所增加,但增长量随循环次数的增加而降低,而干密度随循环次数的增加表现出先增大后减小的变化特征。（2）对冻融循环作用后的灰岩试样开展单轴、常规三轴压缩试验,分析不同冻融循环次数和围压条件下灰岩的应力-应变曲线、破坏形态、强度及变形参数变化规律,并引入劣化度的概念计算灰岩各力学参数的总劣化度及阶段劣化度,进而分析冻融循环作用下灰岩的劣化效应。随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线的压密段变形延长、塑性段变形出现小幅度增长、直线段斜率减小,试样主要表现为脆性张拉破坏;随着围压的增大,曲线的压密段变形减小,直线段斜率增加,塑性段变形增加,峰后出现残余强度,试样的破坏模式逐渐转变为纯剪切破坏或拉剪混合破坏。在力学性质方面,灰岩的抗压强度、弹性模量、变形模量、粘聚力及内摩擦角均随冻融循环次数的增加而降低,但劣化速率有所差异:除内摩擦角的劣化速率随循环次数的增加呈持续增长的趋势外,其他参数均随冻融循环次数的增加整体表现出先增大后减小的变化规律;围压会抑制冻融循环作用对灰岩力学性质的影响,且抑制效果与冻融循环次数、围压均呈正相关关系。（3）根据冻融循环作用下灰岩力学特性试验结果,分别对单轴抗压强度、弹性模量和变形模量的损伤因子进行分析,选取相关系数最高的弹性模量作为灰岩的冻融损伤变量,基于Weibull分布、Drucker-Prager强度准则和Lemaitre应变等价原理建立了冻融循环作用下灰岩损伤变量表达式及考虑压密段影响的本构方程,并通过试验数据对损伤本构方程进行验证。损伤本构模型能够较好地反映出冻融-荷载作用下灰岩的峰值强度、峰值应变、压密阶段及弹性变形特征,峰后破坏阶段的应力-应变曲线契合度相对较差。此外,通过分析损伤本构模型参数的表征意义及其随冻融循环次数的变化,发现模型参数在一定程度上能够反映岩石的宏观性质,且变化特征与物理试验结果基本相同。

关键词： 盐渍土   结构性土   冻融循环作用   差值结构性参数   上下加载面模型  

摘要： 吉林省白城市镇赉县地处吉林省西部,该地区土壤盐渍化严重,是我国典型的碳酸型盐渍土分布区。受气候条件影响,该地区又属于季冻土区,土中孔隙水周期性的冻结与融化使镇赉盐渍土的结构处于动态变化状态。镇赉盐渍土是典型的结构性土,土中结构的不断变化会严重影响土的强度及变形性质。工程上,开挖水渠和边坡等使在原位置已形成较稳定结构的盐渍土暴露在外,应力水平发生了变化,冻融循环作用成为了应力重分布和改造土结构的动力之一,使得该地区的边坡工程稳定性受到严重威胁。因此,探究镇赉盐渍土的结构性特征及冻融循环作用下结构性劣化机理,建立能合理反映其应力-应变关系的本构模型可为盐渍土分布区域的岩土工程结构设计提供理论依据,增强工程的稳定性。目前,结构性动态变化的定量化参数提取是建立镇赉盐渍土结构性本构模型的关键。基于此,通过侧限压缩和三轴剪切两种力学试验分析了镇赉盐渍土的压缩变形性质及抗剪性,结合微观结构试验探究了其结构性特征;然后从物质组成和微观结构两方面探究了冻融循环作用下镇赉盐渍土结构性的劣化机理;依据镇赉盐渍土的结构性特点提出了能反映其结构性变化的定量化参数,并建立了结构性定量化参数的经验公式;最后,将结构性定量化参数引入上下加载面模型中建立镇赉盐渍土结构性本构模型,并进行了初步验证。本研究的主要成果如下:(1)通过侧限压缩和三轴剪切试验研究镇赉盐渍土的力学性质,并结合微观结构特征分析了镇赉盐渍土的结构性特征。根据镇赉盐渍土原状样和重塑样的侧限压缩曲线形态和应力应变曲线特点发现镇赉盐渍土符合强结构性土特征。通过现场调查和压汞试验分析原状样与重塑样的宏微观结构发现原状样中孔隙更加致密,团聚体内嵌固结构更好,且存在较强的固化胶结联结,但原状样中存在的大量裂隙,破坏了原状样中固化胶结联结,导致侧限压缩条件下,原状样结构屈服强度低于重塑样,压缩系数高于重塑样,回弹指数高于重塑样。三轴剪切条件下固化胶结联结键作用比侧限压缩条件下更显著,使原状样与重塑样的主应力差差值Δ(σ-σ)先逐渐增大至一极大值,最终在裂隙作用下发生剪切破坏,Δ(σ-σ)持续减小甚至变为负值。因此,镇赉盐渍土虽属于强结构性土,但其土中存在大量裂隙导致结构性明显不同于黄土和软土这样的强结构性土,裂隙网络对镇赉盐渍土的结构性产生了明显的负面效应;(2)通过从物质组成和微观结构等方面分析冻融循环作用下镇赉盐渍土结构性劣化机理,发现镇赉盐渍土中富含亲水性黏土矿物、黏粒含量高、且碳酸氢钠含量高导致它的结构易被冻融循环作用改造,冻融循环作用使镇赉盐渍土的结构性逐渐减弱,包括结构联结破坏导致的强度减小和裂隙负面效应的降低。冻融循环作用主要将微、小和中孔隙扩张成大、超大孔隙及裂隙,使土的孔隙形态和空间分布向着更加复杂的方向发展,破坏土中胶结联结导致团聚体分化,裂隙生长。通过分析发现冻融循环作用主要通过减弱土中的结构联结改变了土的压缩变形曲线形态及应力应变曲线形态。另外,虽然冻融循环作用对原状样的微观结构改造效果更显著,但重塑样的强度及变形参数随冻融循环次数增加变化速率更快,说明重塑样的力学性质对孔隙分布和孔隙形态的变化更敏感。加之冻融循环作用使原状样中大的团聚体分化,原生裂隙被填充和挤压,原状样结构变得均匀,裂隙的负面效应减弱,导致侧限压缩条件下,原状样与重塑样的变形量差值ΔS随冻融循环次数增加变化规律不明显;三轴剪切条件下,冻融循环破坏土中固化胶结联结键后很难恢复,原状样与重塑样的主应力差差值Δ(σ-σ)随冻融循环次数增加逐渐向横坐标轴靠近,原状样与饱和原状样的主应力差差值Δ(σ-σ)随冻融循环次数增加逐渐降低;(3)基于盐渍土表现出的特殊结构性,提出了适合描述镇赉盐渍土结构性的定量化参数-差值结构性参数D,并对差值结构性参数的合理性和稳定性进行验证。结果表明,利用差值结构性参数能反映出裂隙对土结构联结的破坏作用和浸水对盐渍土结构的软化作用,具有较高的准确性和灵敏性。另外,冻融循环作用和较高的固结围压均破坏了土中的固化胶结联结建,导致结构可变性D减小,结构可稳性D增加,应力差值结构性参数D减小,冻融循环作用和围压均对镇赉盐渍土的结构性有明显的弱化作用。为方便结构性本构模型的建立和实际工程的应用,建立了差值结构性参数与轴向应变、冻融循环次数和围压的经验公式;(4)考虑镇赉盐渍土结构性的弹塑性本构模型研究。根据差值结构性参数机理分析发现,差值结构性参数的变化实际反映的是发挥作用的黏聚强度的变化规律,基于前人的研究提出了镇赉盐渍土黏聚强度演化公式。在上下加载面模型框架下,采用黏聚强度修正屈服函数及硬化规律,采用非相关联流动法则,建立了镇赉盐渍土结构性本构模型;(5)镇赉盐渍土结构性本构模型的验证。对比结构性修正剑桥模型和镇赉盐渍土结构性本构模型的模拟效果发现,因能反映加荷初期黏聚强度逐渐发挥作用和加荷后期裂隙

关键词： 冻土边坡   水热力耦合   冻融循环  

摘要： 为探求寒区边坡在冻融循环作用下的稳定性影响,基于COMSOL Multiphysics软件的偏微分方程模块,在冻土水-热-力三场耦合的理论基础上分析了温度最极端情况对冻土边坡稳定性的影响。结果表明:随着温度的降低,土体内的水逐渐凝结成冰产生冻胀力,使边坡表面发生竖向变形;当温度上升时,冻土融化,边坡内含水量增大,强度减小,边坡稳定性逐渐降低。

关键词： 低热水泥   大体积混凝土   耐盐冻融性能   随机损伤理论   损伤特征分析  

摘要： 对混凝土在盐冻融循环作用下的损伤特征进行了研究,分别制备了普通水泥混凝土、低热混凝土以及掺1%、2%水化热抑制剂的低热混凝土,首先对比研究了养护龄期内的强度形成过程;之后将混凝土进行300次盐冻融循环(5%硫酸盐溶液),每隔25次取出进行测试,计算得到质量损失率与相对动弹性模量。基于随机损伤理论和Weibull分布,建立了低热混凝土在盐冻融循环作用下的损伤演化方程。结果显示:强度形成过程中低热混凝土表现出更好的抗变形能力,但对盐冻融作用敏感性较大。

关键词： 加气混凝土   冻融循环   孔结构   抗冻性能  

摘要： 为证明混凝土的毛细吸水系数可以作为其抗冻性能的表现形式,本工作通过蒸压加气混凝土和普通混凝土的冻融循环试验,共三组试件:B07、B08、C40普通混凝土,分别对其进行吸水率和毛细吸水系数的测定以及5次、15次、30次冻融循环试验,研究孔结构对混凝土抗冻性能的影响,通过数据分析和微观分析得出的结果:孔的数量越多,毛细吸水系数越大,在相同冻融循环情况下质量损失率、强度损失率越大,抗冻性能越差,证明了这一说法的可行性,为混凝土的应用提供了可靠的性能研究理论。

关键词： 水泥土   冻融循环   疲劳寿命   水泥掺量   抗压强度   温度   冻融次数   回归方程  

摘要： 为了探究水泥土在冻融循环条件下的力学特性,通过无侧限抗压试验研究水泥土抗压强度随水泥掺量、冻融次数和温度的变化规律,通过疲劳试验研究水泥土的疲劳寿命随冻融次数和水泥掺量的变化规律,应用SPSS软件拟合抗压强度和疲劳寿命关于冻融次数和水泥掺量的多因素回归方程.结果表明:冻融循环对水泥土劣化作用明显,水泥土的抗压强度和疲劳寿命随冻融次数的增加而降低,随水泥掺量的增加而增大,增加水泥掺量可有效提高水泥土的抗冻性和抗疲劳能力,且温度越低水泥土强度降低越明显.

关键词： 岩石力学   冻融循环   动态劈裂抗拉强度   能量演化   孔隙度   砂岩  

摘要： 为研究冻融循环对砂岩动态抗拉性能的影响,利用Ф50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),以3种平均加载率(344.72,371.991和431.761 GPa/s),对经历6种不同冻融循环次数(0,20,40,60,80和100次)的砂岩进行动态劈裂抗拉测试,并利用核磁共振系统测试冻融循环后砂岩内部孔隙变化,分析冻融循环及加载率对砂岩的破坏特征、动态劈裂抗拉强度及能量演化规律的影响。研究结果表明:(1)冻融砂岩劣化模型满足指数函数关系,随着冻融循环次数的增加,孔隙度变大,动态劈裂抗拉强度减小,破碎程度增加。冻融循环80次后劣化速率最快。(2)加载率的提高将弱化冻融循环对砂岩的劣化作用使砂岩半衰期延后。(3)最大吸收能因加载率的提高而增大的速率随损伤状态的提高而降低。最大吸收能随冻融循环次数的增加呈指数下降,且与动态劈裂抗拉强度呈现良好的正相关。研究结果可为寒区工程中岩石的破坏机制研究提供理论基础。