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： 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： 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（σ1-σ3）or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（σ1-σ3）or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ΔSroi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（σ1-σ3）or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（σ1-σ3）os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Dσ1减小,结构可稳性Dσ2增加,应力差值结构性参数Dσ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

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： 自密实混凝土   冻融循环   粗糙度   界面剂   劈拉试验  

摘要： 文章针对自密实混凝土与装配式预制老混凝土粘结制作的立方体试件的冻融试验,探讨了冻融循环作用对自密实混凝土与老混凝土粘结性能的影响。试验包括对老混凝土经历冻融循环作用后再与新自密实混凝土粘结和新自密实混凝土与老混凝土粘结后再经历冻融循环两种情况,通过分析冻融循环次数、界面粗糙度、界面剂种类等因素研究新老混凝土的粘结性能。试验结果表明:粘结面在冻融循环作用下破坏最早,界面和界面剂类型对自密实混凝土与预制老混凝土粘结性能有较大的影响。

关键词： 土木工程   碳纤维复合材料   冻融循环试验   压力试验   微观分析   损伤模型  

摘要： 为了研究碳纤维复合材料(CFRP)对冻融损伤混凝土柱的修复效果,按照混凝土耐久性及碳纤维加固规范要求,对混凝土试件进行冻融0、50、100、150、200次后,采用不同修复间距、不同纤维量CFRP,对其进行修复,再进行轴压试验,以压缩荷载、竖向整体位移、膨压比等为参数研究试件微观结构下CFRP修复冻融损伤受压性能,提出了CFRP修复冻融损伤混凝土受压模型。试验结果表明:冻融循环对混凝土抗压性能影响很大,CFRP修复技术能够有效提高冻融损伤混凝土抗压承载力,最大可提高630.6%,同时,CFRP修复试件承载力的提高与修复间距无关,而与CFRP的纤维量有关。修复试件的竖向整体位移随着冻融次数的增加而增大,随着CFRP修复间距的增大而减小。膨压比随着冻融循环先减小后增大再减小,膨压比峰值从"凸"型逐渐变为"凹"的塌陷底峰值,且峰值距离逐渐减小。通过纤维修复混凝土冻融损伤微观分析,建立了混凝土粘塑性损伤模型,研究了混凝土破坏过程及荷载-应变关系,验证了模型合理性。