关键词： 注浆固结体   冻融循环   浆-岩界面   核磁共振   灰色关联法  

摘要： “十四五”规划建设的西藏拉洛水库、川藏铁路及沿边铁路等重点项目需留驻或穿越季冻区。在冻融循环作用下季冻区岩体内富含的节理、裂隙和孔隙等宏微观缺陷的损伤劣化将削弱岩体结构稳定性,甚至导致岩体工程冻害发生。注浆是有效加固节理裂隙提高岩体稳定性的关键技术。因此,研究冻融循环作用下注浆固结体物理力学特性对完善岩体注浆加固理论、保障季冻区岩体工程安全高效运行具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以注浆固结体为研究对象,采用冻融循环试验模拟其所处季冻区环境,应用核磁共振分析微观孔隙结构变化特征,通过室内试验测定其物理力学特性,从宏微观多尺度研究冻融循环作用下注浆固结体破坏机制,为评价季冻区裂隙岩体注浆效果、提高岩体工程稳定性提供理论依据。取得如下研究成果:(1)分别配制普通水泥浆液(P型)、超细水泥浆液(C型)及环氧树脂浆液(H型),注入黄砂岩裂隙面制成注浆固结体试样。进行了 0次、5次、10次、15次及20次冻融循环试验,观察冻融循环作用下注浆固结体表观特征并测定其含水率。研究发现随冻融循环次数增加,注浆固结体表面出现不同程度的颗粒剥落、脱落及开裂现象,且P型和C型试样浆-岩界面分别在冻融15次和20次后出现宏观裂纹,H型试样则未见宏观裂纹;试样含水率随冻融循环次数增加可分为缓慢增加、快速增加2个阶段,且含水率增长情况与表观冻融劣化程度呈正相关。(2)利用核磁共振分层测试技术,分析了3类试样在不同冻融循环次数下浆-岩界面微观孔隙结构演化规律。研究发现浆-岩界面微观孔隙分布呈双峰分布,峰内孔隙孔径主要为微孔及大孔,随冻融次数增加,微孔增加并向介孔过渡,大孔逐渐增加,双峰呈右移趋势;随冻融循环次数增加,3类试样T2谱曲线演化趋势相似,但在累计核磁共振(NMR)信号强度和T2谱谱面积定量指标上有所差异,相同冻融循环次数下,2个微观定量指标均表现为P型试样最大,C型试样次之,H型试样最小。(3)开展不同冻融循环次数、不同浆液类型下注浆固结体剪切力学试验,得到注浆固结体宏观剪切力学参数变化规律及剪切破坏形态。结果表明注浆固结体浆-岩界面的剪切强度(τp)及剪切刚度(KS)的变化受到冻融循环次数和浆液类型影响;τp与冻融循环次数呈负相关,KS则呈正相关;相同冻融循环次数下,3类试样浆-岩界面的τp和KS均表现为H型试样最大,其次为C型试样,最小为P型试样;P型、C型及H型试样冻融循环后的剪切破坏形态分别为滑移型破坏、剪断滑移型破坏及剪断劈裂型破坏。(4)为探索冻融循环作用下注浆固结体浆-岩界面宏微观参数间联系,采用灰色关联法计算注浆固结体微观孔隙结构指标(累积NMR信号强度及T2谱谱面积)与宏观剪切参数(剪切强度及剪切刚度)间的关联度,发现试样浆-岩界面剪切强度与T2谱谱面积间关联度均大于0.6,即二者具备关联性;以浆-岩界面宏微观参数关联度为基础,结合浆-岩界面冻融劣化情况和宏观破坏形态得到浆-岩界面剪切破坏机制:剪应力作用下,浆-岩界面内部孔隙在尖端起裂并与相邻孔隙连接成微裂隙面,微裂隙面沿浆-岩界面扩展形成宏观裂纹,最终导致注浆固结体沿浆-岩界面的剪切破坏。

关键词： 冻融循环   核磁共振   声发射   砂岩   劣化  

摘要： 在常年冻土区域或季节性冻土区域,冻融循环作用使岩体物理力学性质劣化,会导致滑坡、岩体剥蚀等许多地质灾害的发生。研究不同冻融循环次数下岩石在物理、力学性质和声发射信息的变化规律,可对地质灾害的发生进行有效的评价和预测,防止造成重大损失,这对我国冻土区域的诸多工程建设与生产有重要的工程意义和实用价值。本文通过对青砂岩、黄砂岩两种砂岩岩样进行冻融循环试验并辅以核磁共振检测技术,研究了不同冻融循环次数下岩石的质量、孔隙率、束缚流体饱和度、T2谱图的变化;然后进行单轴压缩声发射（Acoustic Emission,AE）试验,研究了应力-应变曲线、冻融系数等力学性质的变化,并对其声发射信号中的时域参数（AE事件率、累积事件数、AE能率、累计能量）和频域参数（AE主频、主频占比、幅值）进行对比分析,探究了岩石在冻融作用下的劣化规律。主要研究结果如下:（1）除质量变化与束缚流体饱和度变化比黄砂岩小以外,青砂岩其余各项物理指标的劣化程度高于黄砂岩;从冻融对岩石物理性质的影响变化来看,黄砂岩的抗冻性强于青砂岩。（2）青砂岩的应力-应变曲线的离散性随冻融循环次数增加而逐渐变大,应力明显降低,应变大幅度增加,冻融系数下降极为明显;黄砂岩的冻融劣化体现在应变的小幅度增长与冻融系数的缓慢下降。（3）青砂岩AE事件率的变化主要在弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段,黄砂岩则集中于裂纹闭合阶段。加载过程中,两种砂岩的能量释放变化趋势较为相似。青砂岩的30次冻融循环是发生脆-塑性转变的分界线,体现为全程高AE事件率、阶段划分不再明显、低AE事件率缺失现象近乎消失,“平稳期”能量释放增多,累计能量上升趋势最明显。（4）冻融作用下,砂岩破坏时声发射频域特征参数如裂纹的发育模式及剧烈程度发生较大改变。微裂纹由集中发育向全过程均匀发育转变,根据裂纹体积应变法所定义的阶段划分不再明显,裂纹的发育向复杂化与多样化转变,剧烈程度明显下降。

关键词： 橡胶颗粒沥青混合料   配合比设计优化   冻融循环   路用性能   除冰效果  

摘要： 在我国,由于受到冬季冰雪天气影响,很多道路会出现积雪结冰现象,而路面结冰影响着交通安全,容易发生交通事故。橡胶颗粒沥青路面作为一种具有弹性变形能力的路面,在道路结冰时能使冰层发生一定程度的破碎。目前,国内外学者对橡胶颗粒沥青路面进行了大量研究,发现这种路面存在一些缺陷,最常见的问题就是路面的松散剥落病害,并且随着冻融循环的作用这种病害愈发明显。为了验证该问题的出现对橡胶颗粒沥青路面带来的影响,本文进行了大量的试验,主要有以下几方面的研究内容及成果:(1)在体积设计法基础上做出优化,进行了试验设计,对不同橡胶颗粒掺量条件下混合料的马歇尔试验结果进行了对比分析,发现随着橡胶颗粒掺量的增多,混合料的最佳油石比、空隙率和流值越来越大,而密度和稳定度越来越小。(2)在原有的常规高温、低温、抗飞散以及抗水损害性能试验基础上,进行不同改性沥青下橡胶颗粒沥青混合料冻融循环后的性能试验研究。发现经过冻融循环后的性能均呈下降趋势,但基本上都能满足规范技术要求;使用高粘改性沥青时,混合料的各种基本路用性能不管在冻融循环前还是冻融循环后都要比使用SBS改性沥青更好更稳定一些。(3)利用车辙除冰试验方法,分别评价了在不同冰层厚度下橡胶颗粒和普通沥青混合料的除冰效果以及通过冻融循环后橡胶颗粒沥青混合料的除冰效果。发现在同一冰层厚度的情况下,橡胶颗粒沥青混合料的除冰效果更好,但是其也有一定的局限性,随着冻融循环次数和冰层厚度的增加,破碎率越来越小,且当冰层厚度超过8mm时,基本不再具备除冰能力。

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φ50 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。

关键词： 冻融循环   动剪切模量   阻尼比   累积变形   细观结构  

摘要： 黄土高原季节性冻土区,周期性的温度变化会引起黄土内部水分的冻结和融化,土体结构稳定性被破坏,且由于黄土本身的多孔弱胶结结构,使得其经历冻融循环后工程性状显著降低,在动力作用下具有强烈的致灾风险,然而,现阶段有关冻融循环后黄土动力特性的研究相对缺乏,对于动荷载作用下,冻融循环后黄土的累积变形特征及机理尚不明确。论文以高含水率重塑黄土为研究对象,基于室内冻融循环试验、动三轴试验与扫描电镜试验,采用宏-细观相结合的研究方法,研究了冻融循环期次与含水率对重塑黄土动剪切模量和阻尼比的影响规律,分析了不同冻融循环期次、荷载频率和含水率条件下,重塑黄土的长期变形特征,提出了累积塑性变形与振次间的拟合关系,结合冻融循环作用下重塑黄土的细观结构变化特征,明晰了高含水率重塑黄土的动力变形机理。论文主要研究成果包括:(1)随冻融循环次数的增加,重塑黄土的动剪切模量减小,阻尼比增大,但随初始含水率不同,在冻融循环的不同阶段,动剪切模量与阻尼比变化不同。短期次冻融循环后含水率为9.6%的重塑土体动剪切模量增大,阻尼比减小,长期次冻融循环后含水率为20.6%的重塑黄土动剪切模量增大,阻尼比减小。(2)重塑黄土累积塑性变形随冻融循环期次和含水率的增加而增大,随荷载频率的增大而减小,含水率小于17.6%的重塑黄土在冻融循环后的累积塑性变形与振次呈对数关系递增,含水率为20.6%的重塑黄土累积塑性变形与振次呈线性关系,增长迅速。(3)重塑黄土初始含水率不同,初始细观结构有差异,使得冻融循环作用后结构的演变不同,含水率为9.6%的重塑黄土在短期次冻融循环后主要受冻结压密作用,结构变的密实,长期次后结构逐渐被破坏,而含水率为14.6%和20.6%时,冻融循环作用导致土体孔隙率增大,颗粒间胶结弱化,短期次冻融循环后,土体结构劣化,在长期次的冻融循环后,结构趋于稳定。

关键词： 道路工程   沥青路面   冻融循环   冷再生混合料   数值模拟   超声波检测  

摘要： 沥青混合料再生技术为路面废旧料的利用与管理提供了有效的解决方案,具有良好的经济、社会和环境效益,在我国已广泛应用于路面面层与基层,积累了大量工程经验。我国西北、华北与东北等地区的沥青路面受冻害影响较大,处于此类地区内的沥青路面在服役过程中不但需要承受不同程度的车辆荷载,还需抵抗较为复杂的环境作用。冻融循环作用使得乳化沥青冷再生路面过早出现破坏,影响路面使用寿命与使用性能的同时,也增加了建设与养护成本。以此为背景,本研究开展了冻融循环条件下的乳化沥青冷再生混合料的路用性能及数值模拟研究,主要研究内容与成果如下:1.埋设温度传感器于冷再生混合料试件内部,确定冻融循环试验条件;选取单轴贯入强度试验、低温劈裂强度试验及冻融劈裂试验研究冻融循环作用下冷再生混合料的路用性能。结果表明,冻融循环作用对乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性均产生明显的负面作用。冻融循环经历20次后,冷再生混合料的贯入强度损失率累计达到59.42%,低温劈裂强度损失率累计达56.37%,冻融劈裂强度损失率累计达29.38%,TSR达到73.7%,低于规范值75%的要求。2.对冻融循环后的冷再生混合料试件进行超声波速检测,通过修正时间公式对检测结果进行修正,建立超声波速与高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性之间的相关关系,从而实现利用超声波速预测冷再生混合料路用性能的目的。结果表明,冻融循环作用使得试件超声波速明显降低,平均每5次冻融循环超声波速降低3%～6%。利用修正时间公式修正后的超声波速与冷再生混合料路用性能的相关性较好,预测误差基本保持在6%以下。因此超声波法预测冷再生混合料的路用性能具有一定的可行性。3.根据路用性能试验结果,首先进行冻融循环作用下冷再生混合料温度场模拟,初步验证利用ABAQUS模拟冻融循环试验的可行性及准确性,然后进行单轴贯入强度试验数值模拟及低温劈裂试验数值模拟。结果表明,经历冻融循环作用时,混合料试件内部温度变化是一个从外向内逐层递变的过程,在同一时刻试件内外位置存在一定温差,温度场模拟结果与实测温度变化规律趋于一致;单轴贯入强度试验与低温劈裂试验数值模拟中混合料试件内部应力状态符合实际试验情况,模拟误差分别在1.53%～2.99%、7.83%～13.90%范围内,因此模拟结果具有一定的准确性与可靠性。

关键词： 再生混凝土   新旧界面   常温   冻融循环   破坏荷载  

摘要： 混凝土建筑的老龄化以及自然灾害造成混凝土建筑的损毁都会产生大量的废弃混凝土,为了缓解废弃混凝土对土地资源和环境保护造成的压力,可以采用废弃的混凝土对建筑进行加固和修复。目前,在混凝土结构的加固和修复中,施工方常常根据工程经验对混凝土界面进行处理,从而修复损毁的混凝土建筑,但是在我国的北方寒冷地区依据工程经验修复的混凝土建筑很快出现了裂缝和剥落的情况,表明在冻融环境下依据工程经验对混凝土界面进行处理的结果不是很理想。因此,针对冻融循环作用下再生混凝土新旧界面的剪切力学特性有待进一步研究。本文将针对常温和冻融循环作用下再生混凝土新旧界面的抗剪性能进行研究,其主要研究内容如下:(1)在常温下通过改变再生粗骨料的取代率、界面植筋率、混凝土强度等级和界面处理方式(切槽和涂抹界面剂),开展再生混凝土新旧界面的剪切试验,试验结果表明:界面的破坏荷载会随着再生粗骨料取代率的增大而减小,且每增大一个再生粗骨料的取代率级别,界面的破坏荷载值下降约10%;界面的破坏荷载会随着界面植筋率的增加而提高,且试件的整体性能也得到了显著的改善;界面的破坏荷载会随着混凝土强度等级的提升而增大,且C40试件相对于C30试件破坏荷载提升约20%;改变混凝土试件的界面处理方式,混凝土界面切槽比混凝土界面凿毛的破坏荷载高,同时再生混凝土试件界面涂抹界面剂也可以有效的提高界面的破坏荷载,但是提高的幅度有限约3kN。(2)考虑冻融循环作用下通过改变混凝土试件再生粗骨料的取代率、混凝土强度等级和界面处理方式(切槽和涂抹界面剂),开展再生混凝土新旧界面的剪切试验,试验结果表明:在不同冻融循环次数下,混凝土试件界面的破坏荷载会随着冻融循环次数的增加而减小;在冻融循环次数相同时,改变混凝土试件的再生粗骨料取代率,界面的破坏荷载会随着再生粗骨料取代率的增加而减小;改变混凝土试件的强度等级,界面的破坏荷载会随着混凝土强度等级的提升而增大;改变混凝土试件的界面处理方式,界面的破坏荷载因涂抹了界面剂而有所增加,但是对界面的破坏荷载的提升很小。

关键词： 冻融循环作用   霍普金森压杆   应变率   动态增强因子   动态粘弹性损伤本构模型  

摘要： 冻融循环作用对混凝土结构的承载力和耐久性有严重影响,目前关于混凝土冻融后的力学性能研究主要集中在静力学领域,有关冻融后混凝土动态力学性能的研究较少。针对此现状,本文利用直径100mm的霍普金森压杆对冻融后混凝土动态力学性能进行研究,所做主要工作如下:(1)对C40混凝土进行0、25、50、75、100、125次快速冻融循环试验,对C60混凝土进行0、75、125、175、225次快速冻融循环试验,研究冻融循环作用对两种强度等级的混凝土试件外观、质量、相对动弹性模量的影响;(2)对冻融后的C40、C60混凝土立方体(100mm×100mm×100mm)、圆柱体试件(φ86mm×45mm)进行静力受压试验,得到了两种混凝土在不同冻融次数下的立方体、圆柱体试件静力受压强度;(3)使用霍普金森压杆对冻融后C40混凝土圆柱体试件进行了子弹速度为4、6、8、9、10m/s的冲击试验,对冻融后C60混凝土圆柱体试件进行了子弹速度为6、8、9、10、11m/s的冲击试验,并利用“三波法”获得了两种混凝土在各个冲击速度下的动态应力-应变曲线;(4)根据霍普金森压杆冲击试验结果计算得到冻融后混凝土强度动态增强因子DIF,建立了混凝土强度动态增强因子与冻融循环次数、应变率间的数学关系式;采用冻融损伤劣化因子ξ描述冻融后C40混凝土动态抗压强度随冻融循环次数的变化情况,并基于Weibull分布与元件组合理论建立了冻融后C40混凝土动态粘弹性损伤本构模型。通过上述试验研究,本文得出的主要结论为:(1)霍普金森压杆冲击试验中,子弹速度与混凝土应变率近似呈线性正相关关系,且子弹速度相同时,C40混凝土应变率高于C60混凝土应变率;(2)随着应变率的增加,冻融后C40、C60混凝土动态峰值应力不断增大,动态峰值应变呈先增长后下降趋势;(3)随着冻融循环次数的增加,C40混凝土动态峰值应力逐渐减小,动态峰值应变逐渐增大。C60混凝土由于抗冻性较好,随着冻融循环次数的增加,其动态峰值应力呈先升后降的趋势,且经历225次冻融循环后仍高于未冻融混凝土动态峰值应力。C60混凝土动态峰值应变随冻融循环次数增加变化较小;(4)拟合了冻融后混凝土强度动态增强因子DIF与应变率对数log ε、冻融次数n间的数学表达式,拟合效果较好;(5)建立了冻融后C40混凝土动态粘弹性损伤本构模型,该本构模型与试验所得应力-应变曲线具有较高的一致性。

关键词： 冻融循环   力学性能   静水围压   能量耗散   损伤演化   本构模型  

摘要： 随着西部大开发战略的逐步落实和“一带一路”倡议的推进,寒区岩土工程亟待蓬勃发展,不可避免会遇到冻融循环损伤和爆破及机械冲击等动态荷载破坏问题,是实际工程安全和稳定的重要影响因素。现有对冻融循环作用下岩石力学性能的研究大多集中在静态和动态单轴方面,对考虑三维围压作用下动态试验鲜有涉及。因此,针对岩石工程中冻融循环损伤和动力灾害问题展开研究,深入了解岩石冻融损伤机理和演化规律显得尤为重要。本文以绿砂岩为研究对象,冻融循环次数为控制条件,系统地探究了绿砂岩试样静态条件下的抗压强度、弹性模量及其他力学参数变化规律;进行了不同围压和加载率作用下冻融损伤绿砂岩动态力学实验;分析了动态压缩破坏砂岩能量耗散特征、块度分布;结合扫描电镜技术和计算机断层扫描技术(CT),分别从细观和微观角度分析了不同冻融循环次数试样在动态加载下破坏特征;最后根据研究结果建立了岩石冻融受荷损伤本构模型,发现实验结果与模型曲线具有很好的一致性。主要研究结论如下:(1)测试了不同冻融循环损伤后绿砂岩纵波波速、孔隙率、质量损失率以及冻融系数等的变化规律。此外,开展了静态压缩实验,对比了不同冻融循环次数下的应力-应变曲线,得到砂岩抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的变化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增多,饱水岩石在低温作用下水冰相变会产生相应冻胀作用,使试样内部孔隙结构有扩展、贯通趋势,内部损伤不断积累。(2)借助分离式霍普金森压杆(SHPB)分析研究了冻融循环损伤绿砂岩在不同围压和加载率动态荷载作用下的力学响应。结果表明,在固定围压环境下,不同冻融循环损伤绿砂岩的动态压缩强度具有明显的率相关性;动态压缩强度随冻融循环次数的增加而显著降低;在固定冻融循环次数下,围压效应明显增强了砂岩动态压缩强度,但强度增幅随围压增大而减弱。(3)分析了不同冻融循环损伤砂岩试样压缩破坏压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段动态能量变化。此外,对破碎后砂岩试样块度分布规律进行了研究。结果表明,随冻融循环次数增加,绿砂岩在整个动态压缩破坏过程的总输入应变能和总耗散能逐渐降低、可释放弹性应变能峰值也逐渐降低,且砂岩试样破碎平均粒径对冻融循环损伤次数的敏感性在较低加载率条件下较强,而在较高加载率条件下敏感性相对较弱。(4)结合扫描电镜SEM技术和CT技术,从微观、细观的角度分析冻融损伤对绿砂岩试样内部结构影响机理,并建立宏观破坏和局部损伤之间的联系,且对岩石冻融-受损伤本构模型进一步探究,揭示其冻融损伤演化机理。

关键词： 碳纤维增强复合材料   再生混凝土   分形理论   冻融循环  

摘要： 为响应国家“无废城市”政策[1],推进绿色发展、建设美丽中国，再生混凝土正广泛的用于工程结构，其承载性能、耐久性能特别是抗冻性能已成为目前科研热点。以碳纤维增强复合材料（CFRP）为代表的新型复合材料由于具有强度高、质量轻、耐久性好等优点，现已成为结构加固工程中理想的补强材料之一。虽然CFRP加固技术具有诸多优点，但在是实际工程中，CFRP加固再生混凝土结构在冻融循环条件下的耐久性研究还相对较少，由于再生混凝土吸水率、孔隙率通常相对较大,在冻融循环条件下会削弱CFRP与再生混凝土间的界面性能，进而缩短整个加固结构的服役寿命，所以对冻融循环地区内CFRP加固再生混凝土结构而言，长期耐久性能研究具有重要的现实意义。　　本文以冻融循环次数和CFRP加固层数为研究变量，对冻融循环作用下CFRP加固再生混凝土梁正截面抗弯性能进行研究，为了实现这一目标，本文开展了如下工作:　　（1）通过实测再生混凝土在冻融循环过程中的质量损失、相对动弹性模量损失、立方体抗压强度损失，分析了再生混凝土的冻融劣化规律。　　（2）通过对不同冻融循环次数后的再生混凝土各类标准试件进行抗压、抗拉试验，分析了冻融循环作用对再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、弹性模量的影响;通过实测再生混凝土单轴受压应力-应变全曲线，建立了冻融循环作用后再生混凝土单轴受压本构方程。　　（3）通过对不同冻融循环次数后的CFRP加固简支梁进行正截面抗弯性能试验，分析了试验梁的受力过程与破坏模式，建立了考虑冻融循环次数和CFRP加固层数的试验梁特征荷载影响系数方程。　　（4）基于《规范》法建立了冻融循环作用下再CFRP加固再生混凝土梁极限弯矩的计算公式，为冻区再生混凝土结构设计及加固提供参考。