关键词： 水分迁移   冻融循环   改良土   数值模拟   破坏强度   弹性模量  

摘要： 黄泛区粉土是黄河流域特有的一种土体,其土颗粒磨圆度高,颗粒之间有较多的孔隙,缺乏粘细颗粒填充,土体不易被压实,尤其在毛细作用下,土体的水稳定性极差。利用这种粉土建造的路基在季冻环境下极容易因水分迁移发生冻胀融沉现象,对道路的安全造成严重破坏,如何控制土体内部含水量的变化是一件亟待解决的难题。本文用高吸水树脂(SAP)作为改良材料,将其掺入土体中,对改良后的土体进行了相关性质的研究,并利用室内冻融循环试验装置模拟了自然环境下的季节变化,对水分和温度的变化规律进行了研究,同时利用有限元软件进行了模拟,最后对于不同冻融条件下的试样的静力学特性的衰变规律进行了研究,以对工程应用提供相关参考。本文以国家自然科学基金面上项目(52178429)和山东省自然科学基金面上项目(ZR201911100218)为依托,主要研究内容和成果如下:(1)在黄泛区粉土中掺入不同含量的SAP对其改良,通过进行不同掺量下的渗透特性、膨胀特性、收缩特性试验得出要想维持土体的稳定性能,SAP的掺入量要维持在0.5%以下,随后通过击实试验、无侧限抗压强度以及直剪试验,得出不同掺量的改良土体的最佳含水率和最大干密度,为之后的室内模型试验提供基本数据,直剪试验得出了SAP掺入后对土体抗剪强度的影响。最后对SAP改良土进行了土水特征曲线的变化研究,确定SAP对土体内水分的控制作用。(2)研发了室内冻融循环试验装置,模拟自然条件下的环境因素,对补水条件下的土柱模型进行了冻融循环试验。通过传感器和云管理平台实时监测土柱内水分和温度场的变化现状,在该试验设置中,考虑了上覆荷载、补水条件的因素,试验结束后,对温度和水分的数据进行整理,分析了试样内温度变化规律和水分迁移特性。结果表明,SAP改良土内温度的变化与素土相比存在一定程度的滞后性,水分场的变化规律尤其明显,在冻结稳定后,SAP改良土试样内含水量的值小于素土试样,融化后试样内的水分分布更均匀,含水量的增加值也较小。多次冻融后发现,试样在前三次冻融时含水量的变化最明显,之后随冻融次数的增多变化逐渐减小,在此过程中,SAP能够持续发挥作用,证明SAP具有良好的长期服役性能。(3)用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行计算。建立适合水热力变化的方程,并对方程进行耦合,将其改写成偏微分方程形式后代入模拟软件作为计算核心。将试验得出的基本参数写入方程中,随后对模型边界条件进行设置,对模型进行适合的网格划分并设置时间步,开始计算。计算完成后将计算结果与试验结果对比分析,研究冻融作用下SAP改良土水分场和温度场的变化规律,结果证明COMSOL Multiphysics数值模拟与真实试验结果具有较好的相似性。(4)通过变量控制对不同冻融循环次数、压实度和SAP含量的试样进行试验,分析破坏强度和弹性模量受上述因素影响的衰变规律,发现掺加SAP能够提高土体的相关性能,提出拟合公式,对破坏强度和弹性模量随上述因素的变化规律进行拟合,拟合结果符合相关要求,最终给出了拟合完成后的方程。

关键词： 花岗岩   纳米压痕   细观机理   纳米蠕变   化学腐蚀   冻融循环   损伤演化  

摘要： 岩石赋存环境复杂,常常经受化学和冻融循环作用,由此引发的工程灾害问题众多,因此开展化学腐蚀、冻融循环及其联合作用下岩石的物理力学特性研究具有重要的理论和实用价值。从细观组成来看,花岗岩是由石英、长石和云母等多种矿物组成的复合体,其宏观损伤机制是由组成该岩石的矿物的细观损伤机制所决定的,然而,以往研究花岗岩力学特性的常规试验手段无法获得花岗中矿物颗粒的细观力学特性,未能很好地揭示花岗岩的细观力学机理。因此,本文基于纳米压痕测试技术研究化学腐蚀、冻融循环及其联合作用下花岗岩的细观力学特性,揭示化学腐蚀和冻融循环条件下花岗岩的细观损伤机理。首先,通过多次循环加卸载和单次加卸载方式的纳米压痕试验,对花岗岩主要矿物石英、长石和云母的弹性模量、硬度和断裂韧性度等力学参数进行了研究,分析了不同保载时间、压入深度和加载速率对纳米压痕测试结果的影响规律,并结合扫描电镜下的残余法压痕形貌,通过裂纹长度法、综合法和能量法等断裂韧度的分析方法对不同矿物在纳米尺度上的断裂韧度进行了对比分析。借助X射线衍射试验(XRD)对花岗岩主要矿物的含量进行了定量分析:采用综合加权法、自洽法、稀疏法和Mori-Tanaka方法等四种力学指标升级方法实现了花岗岩力学参数山微细观尺度向宏观尺度的升级。采用纳米压痕测试技术对花岗岩三种主要矿物进行保载段蠕变特性研究,分别研究了不同保载时间、稳定荷载和加载速率对花岗岩矿物纳米压痕测试结果的影响规律:对花岗岩中石英、长石和云母三种矿物试验曲线分别采用广义开尔文体、伯格斯体和双开尔文体蠕变模型进行拟合,得到纳米蠕变参数随荷载的变化规律以及纳米蠕变参数随加载速率的变化规律;最后将三种蠕变模型得到的纳米蠕变参数升级到宏观蠕变参数。其次,通过配制不同酸碱度的化学溶液,将花岗岩在不同酸碱度的化学溶液中浸泡不同时间后,对腐蚀后的花岗岩中石英、长石和云母进行纳米压入力学特性的测量以及损伤劣化分析,研究了不同酸碱溶液浸泡后花岗岩矿物的不同力学特性损伤特征以及力学特性随腐蚀时间的变化规律,定量分析了化学溶液对花岗岩不同矿物的弹性模量损伤变量和硬度损伤变量的影响规律。同时采用扫描电镜试验对腐蚀作用后的花岗岩表面矿物特征及形貌进行观察,从细观角度对花岗岩化学腐蚀损伤劣化机理进行分析,建立了弹性模量和硬度随pH值和时间变化的损伤演化方程,并对细观参数进行尺度升级。最后,通过对腐蚀120天后的花岗岩进行冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数的花岗岩中的石英、长石和云母进行纳米压入力学特性的测量,研究了不同酸碱溶液与冻融循环联合作用下花岗岩矿物的弹性模量、硬度和断裂韧度的损伤特征及时间效应,定量分析了花岗岩不同矿物的弹性模量损伤变量和硬度损伤变量,建立弹性模量和硬度随pH值和冻融循环次数变化的损伤演化方程。同时采用扫描电镜试验对作用后的花岗岩表面矿物特征及形貌进行观察,对细观参数进行尺度升级,从细观角度揭示化学溶液和冻融循环联合作用下花岗岩力学性能的劣化机理。

关键词： 冻融循环   型钢混凝土(SRC)   粘结滑移性能   反复加载试验   推出试验  

摘要： 型钢与混凝土间的粘结作用是两种不同材料能够共同受力的基础,粘结作用的强弱决定了型钢混凝土构件承载能力的大小,对型钢与混凝土的粘结性能展开研究具有重要意义。而冻融循环会对型钢混凝土构件的粘结性能产生不利作用,使其在正常服役期间产生损伤,影响结构的正常使用。并且随着冻融破坏加深,将严重危害型钢混凝土结构建筑物的安全。因此对冻融循环后型钢混凝土的粘结滑移性能展开系统研究,有利于提高严寒地区型钢混凝土结构的耐久性,指导严寒地区相关工程实践操作。 为了研究冻融型钢混凝土的粘结滑移性能,本文共设计了20个型钢混凝土短柱试件,对其中9个试件进行单调推出,11个试件进行反复加载。在总结试验现象与试验数据的基础上,对试验结果进行分析与讨论,并对型钢混凝土遭受冻融循环作用的破坏机理进行深入研究。主要研究内容和成果如下: (1)观测推出试验的全过程,并对试件破坏情况进行分析总结。结果表明:型钢保护层厚度的增加能够抑制试件界面裂缝的开展,反复加载时试件破坏具有突然性,试件产生的裂缝数量较少。 (2)整理试验数据,得到单调加载试件的荷载-滑移曲线与粘结-滑移曲线,反复加载试件的荷载-滑移的滞回曲线与骨架曲线。对荷载-滑移曲线进行总结,提出了冻融型钢混凝土的典型荷载-滑移曲线与粘结-滑移曲线,并根据曲线趋势构建粘结-滑移的理论公式曲线。 (3)分析了冻融循环作用、保护层厚度与锚固长度对型钢混凝土粘结滑移性能的影响。结果表明:冻融循环作用造成型钢混凝土粘结滑移性能的退化,冻融100次时试件的粘结强度下降了22.7%,而增加保护层厚度与锚固长度则可在一定程度上降低冻融循环的不利作用。 (4)分析了冻融循环次数、保护层厚度、型钢锚固长度与试件体积配箍率在反复加载时对型钢混凝粘结滑移性能的影响。结果表明:各参数对反复加载试件的影响与单调加载试件的情况相似,同时反复加载将造成试件的粘结强度下降。 (5)根据组成型钢混凝土粘结强度的不同成分,对冻融后型钢混凝土粘结滑移性能的退化机理进行深入研究。 (6)基于冻融型钢混凝土粘结滑移性能退化机理的研究,得到了冻融后的局部粘结破坏荷载计算式,并构建了不同冻融循环次数的型钢混凝土粘结强度与滑移计算表达式。 (7)归纳总结反复加载时试件的粘结强度退化系数,建立了反复加载下冻融型钢混凝土的粘结强度计算式。

关键词： 冻融循环   预应力混凝土   预应力损失   应力水平  

摘要： 有效预应力大小对预应力混凝土结构的使用性能和承载性能具有重要影响。寒冷地区预应力混凝土桥梁结构常遭受冻融损伤,使混凝土冻胀开裂,力学性能降低,导致预应力混凝土结构产生预应力损失,从而对结构安全造成极大威胁。因此,研究冻融循环作用下预应力混凝土构件预应力损失,建立冻融损伤后预应力混凝土构件预应力损失模型,对于评估冻融环境预应力混凝土结构的服役性能和寿命预测具有重要意义。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,研究了冻融循环作用对预应力损失的影响,主要工作如下: (1)探究了气冻气融下预应力混凝土构件宏观冻融损伤变化规律 进行了8根后张法有粘结预应力混凝土构件气冻气融试验,混凝土应力水平分别为0.1、0.2、0.3、0.4,冻融循环次数为300次,每隔25次冻融循环对预应力混凝土构件质量、相对动弹性模量和损伤层厚度进行测量。试验结果表明,随冻融循环次数的增加,构件质量先增大后减小,相对动弹性模量逐渐降低,损伤层厚度逐渐增大;随应力水平的增加,构件质量减小,相对动弹性模量也逐渐减小,但损伤层厚度变化不大。 (2)研究了冻融循环过程中预应力筋应变和预应力损失变化规律 冻融试验中对距构件端部50mm、100mm、150mm、200mm、300mm、400mm、600mm、800mm、1000mm处的预应力筋应变进行全过程监测,研究了冻融预应力损失沿构件长度的变化规律。试验结果表明,随冻融循环次数和应力水平的增加,构件端部预应力筋应变值降低越多。冻融循环降温阶段,预应力筋应变先增大后减小;升温阶段,应变先减小后增大,且降温阶段应变变化大于升温阶段应变变化,导致升温后应变无法回到降温阶段初始值,温度升至初始温度时,形成应变滞回环。随冻融循环次数增加,冻融预应力损失逐渐增大,且速率不断加快;构件端部冻融预应力损失速率快于中部;随应力水平增加,冻融预应力损失速率加快。 (3)建立了冻融循环作用下预应力混凝土构件预应力损失计算模型 基于预应力混凝土结构预应力损失计算方法,考虑了预应力损失沿构件长度变化规律,建立了以应力水平和混凝土抗压强度为主要参数的冻融损伤预应力混凝土构件预应力损失计算模型,并利用试验结果对模型进行了验证。

关键词： 尾矿砂   冻融循环   三轴试验   宏-细观   损伤力学  

摘要： 尾矿坝是由尾矿堆积而成的坝体,它在矿山环境的保护和治理中起到了重要作用,尾矿坝会发生的事故往往是由微弱的损伤长期累积或其他多种因素复合而成的。在温度随季节转变发生周期性变化时,尾矿内部的水分不断发生相变,会导致尾矿的结构、水分场以及应力场等发生变化。所以本文以辽宁阜新某尾矿库的尾矿砂为研究对象,采用宏-细观相结合的研究方法,研究了冻融循环次数与含水率对尾矿砂应力-应变的影响规律;结合冻融循环作用下尾矿砂的细观结构变化特征,探究了尾矿砂的强度变化规律;并提出了冻融损伤的本构模型。论文主要研究成果包括:(1)对不同含水率的尾矿砂进行一系列的冻融循环试验和三轴压缩试验。结果表明:尾矿砂的应力应变曲线特征与普通土体相似,由弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段三个阶段组成。但是其峰值强度出现较晚,软化现象并不明显。尾矿砂的剪切强度随冻融循环次数的增加呈衰减趋势。此外,一定程度增加尾矿砂含水率,有利于提高尾矿砂的界面力学性质,含水率超过最优含水率时,不利于尾矿砂的稳定性。(2)通过电子显微镜获取尾矿砂冻融循环后的细观结构图像并利用软件对尾矿砂试样内部结构进行对比观察。结果表明:随着冻融循环次数的增加,冻胀作用会使尾矿砂内部产生不可逆变形,试样结构遭到破坏,孔隙的孔径整体水平变大,试样内部结构疏松,宏观力学强度下降,具体表现为抗剪强度降低。(3)基于损伤力学和尾矿砂宏细观试验结果,建立冻融过程中尾矿砂细观结构损伤本构模型,并通过试验数据对模型进行验证,其拟合结果的相关系数均超过0.920,说明拟合效果良好。尾矿砂冻融损伤变量随冻融循环次数增加逐渐增加;冻融循环次数相同时,尾矿砂的损伤变量随围压增大而减少;含水率的增加,也会加剧尾矿砂冻融损伤程度。通过上述研究,探究冻融循环作用下尾矿砂的力学特性,研究冻融循环作用对尾矿砂的强度损伤,对尾矿坝的安全稳定具有重要的科学价值和指导意义。该论文有图38幅,表14个,参考文献70篇。

关键词： 水泥土   干湿-冻融循环   盐分侵蚀   性能劣化  

摘要： 宁夏地区水泥土受盐蚀和干湿-冻融循环作用极大影响工程安全和正常使用。为探究干湿-冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用对水泥土性能的影响,以宁夏同心水泥黄土为研究对象,首先通过单因素试验选取合适水平,考虑盐浓度,并结合西北地区干湿性、季冻性等区域性特点对水泥土进行不同浓度硫酸盐溶液浸泡下的干湿-冻融循环试验,探究多重因素作用下试样外观、质量、波速、强度、动弹性模量、电阻率、含盐量等变化情况,在此基础上,建立上述数据与干湿-冻融循环次数拟合模型,最后将这些性能指标通过数学方法联系起来,揭示水泥土材料在干湿-冻融循环与盐分侵蚀共同作用下的变化规律。研究结果可为水泥土材料在复杂地质环境下的应用提供理论支撑和参考依据,并在一定程度上推进水泥土材料的研究。论文主要内容与结论如下:(1)选择单因素试验,探究压实度、水泥掺量、养护龄期和含水率对水泥土波速和强度的影响,结果表明:波速和压实度近似成二次函数增长,前期增长快后期增长慢,无侧限抗压强度近似和压实度成线性增长;在水泥掺量8%-24%范围内,波速和无侧限抗压强度近似和水泥掺量成线性增长;波速和无侧限抗压强度近似和养护龄期成对数增长的关系,前期增长快后期增长慢,可用短期强度预测长期强度;含水率8%-24%范围内,波速和含水率成二次函数增长关系,无侧限抗压强度和含水率成二次函数关系,先增后减,含水率16%最佳;考虑工期进展和经济成本问题,取压实度0.94,水泥掺量16%,养护龄期28d,含水率16%为制样标准。(2)由硫酸盐-干湿-冻融循环试验可知:随着盐溶液浓度增大和干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样腐蚀愈加严重,表面开始产生裂缝并逐渐贯通,盐溶液中水泥土试样产生泛霜现象;干湿-冻融循环过程中水泥土试样质量呈现先略微增加再减少的趋势,且溶液浓度越大下降越快;试样波速、动弹性模量、峰值强度、残余强度以及变形模量都和干湿-冻融循环次数有着良好指数下降的关系,除波速外其他力学性能随着盐溶液浓度增加,指数下降速率增大;随着干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样电阻率开始降低,且在盐溶液中减小速度较清水中十分明显;清水中电阻率近似成线性减小,变化不明显,盐溶液中试样的电阻率近似和干湿-冻融循环次数成幂函数下降。水泥土试样电阻率越小,含盐量越高。循环方式对于水泥土强度劣化作用排序为:所有循环方式的劣化效果随盐溶液浓度增大而增强,干湿-冻融交替>先干湿再冻融>先冻融再干湿,干湿-冻融循环产生了超叠加效应。(3)峰值强度与残余强度符合线性增长,可用较易测量的峰值强度来估算残余强度;峰值强度、残余强度、变形模量与超声波波速都有较好相关性,拟合优度最佳的模型都是二次函数,一定程度上意味用超声波无损检测方法来检测试样的强度和变形特征是可行的;变形模量和峰值强度满足相当良好的相关关系;用幂函数下降模型来拟合电阻率和含盐量的关系R2最高,也最符合实际情况,可通过电阻率来推测土壤盐渍化程度及地下水盐含量;水泥土峰值强度、残余强度和含盐量都具有良好的相关性,成负相关关系,用指数下降函数拟合最为恰当,可以用强度来推测盐腐蚀程度。

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。