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： 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： 植物根系   根-土复合体   冻融循环   FLAC3D   边坡稳定性   安全系数  

摘要： 近年来,因全球气候变暖引发的极端气候事件愈加频繁与严峻,导致持续性强降温、暴雪、高温、热浪、干旱和山体滑坡等次生灾害的频繁出现。由于国家大型基础设施的建设工程在不断完善,人类的生产和经济活动对大自然的影响也愈发的严重,而三峡库区作为人类与自然博弈的一项世界级工程,在极端气候条件下造成的自然灾害更是屡见不鲜。温度变化是库区生态系统平稳运行中最重要的影响因子,植物对温度的变化极度敏感,而植被护坡作为一种天然绿色的新型护坡技术,是三峡库区地质灾害防治的主要手段之一;然而极端气候变化导致的冻融作用又可能引发一系列地质灾害,给库区内的工程建设和社会经济生产活动形成巨大威胁。针对以上两点,本文以三峡库区消落带白家包滑坡堆积体上优势护坡植被狗牙根为研究对象,结合室内土工试验来测定原状土体的天然含水率、密度、比重、最大干密度等基本物理参数,统计了护坡植被狗牙根的各种物理、力学参数,总结了植物护坡的理论基础。在阅读大量文献及土工试验规范的前提下,采用三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验,研究不同植被覆盖率的根-土复合体在冻融循环作用下的影响规律,利用数值模拟分析方法来探究植被覆盖率和冻融作用对三峡库区消落带岸坡稳定性的联动效应。主要结论如下:1)三峡库区优势植被根系参数及加固原理分析:在前人研究成果的基础上,对根-土复合体的局部强度变化机理和模型理论进行总结归纳。对不同植被覆盖率原状土体内狗牙根根系的含量、长度、直径以及直径的变化率开展统计,发现根系含量和植被覆盖率呈正相关;利用螺旋拉压测试架对狗牙根开展拉筋测试,测试结果显示狗牙根根系的直径与其抗拉强度呈现负相关性;而根-土复合体的直剪试验表明:然而复合土体相较于无根系土的粘聚力增长明显,根系的存在却未对内摩擦角产生显著影响。2)无侧限抗压强度试验研究:根-土复合体发生破坏变形后,复合土体抗压强度曲线变化趋势逐渐平缓,侧面说明根系的存在导致土体发生破坏变形之后,仍然保留了一定的残余强度,无论经过几次冻融作用根-土复合体的无侧限抗压强度值高于无根系土,随着冻融循环次数的增加,两者在冻融损伤度上均呈现出递增的趋势,但损伤度的增幅终将趋于平缓。随着植被覆盖率的增加,冻融损伤度相对于无根系土出现明显下降,说明植物根系可以抵御冻融作用的不利影响。3)三轴压缩试验研究:在相同围压下,植被覆盖率越高其主应力差值的增大的趋势越显著,增长的速率更快,随着冻融作用的影响程度加深,在高围压下根-土复合体强度衰减值较素土更低,说明狗牙根根系和围压共同抵御了冻融循环作用。植被覆盖率和冻融循环次数的变化,两者共同作用导致内摩擦角在0～2°的幅度间波动,说明两种作用对内摩擦角的联动影响并不显著。根系加入到素土中之后,使粘聚力增加,而冻融作用将导致试样内部初始孔洞及裂隙的数量增多,土体结构松散致使其粘聚力降低,但根-土复合体的粘聚力降低幅度明显低于无根系土,说明根系的存在起到了抵御冻融循环作用不利影响的积极效应。低围压下的根系在土体内部交织缠绕形成加筋层,对土体变形的约束作用就会增强,根系对土体的加筋效果将更好的发挥,而在高围压情况下,高围压作用使根系未能交织缠绕构成加筋团体,导致加筋作用难以有效发挥。4)冻融作用下消落带边坡浅表层稳定性分析:使用数值模拟软件FLAC3D构建狗牙根根系在白家包滑坡浅表层土体固土护坡的物理力学模型,探究在坡体自重荷载作用下,历经不同冻融循环次数的消落带边坡浅表层土体安全系数的变化规律,以及狗牙根根系固土护坡效果,并建立了冻融作用下不同植被覆盖率的消落带边坡浅表层土体的稳定性安全系数估算式。

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