关键词： 冻融循环   应力路径   颗粒流   损伤特性   本构模型  

摘要： 岩石受冻融作用产生的损伤劣化是寒区地质工程面临的重要问题。国内外专家学者对岩石冻融损伤开展了大量的试验分析和理论研究。但对于岩石冻融损伤力学性质研究不充分以及卸载路径下冻融岩石力学特性研究较少,因此,针对高寒山区岩石的冻融损伤特性以及不同应力路径下岩石的力学性质研究具有十分重要的理论意义和工程意义。在本文以孔隙率较大、易受冻融影响的砂岩为研究对象,进行了砂岩的冻融试验、物理性质检测试验(孔隙率、渗透率、超声波试验)和不同应力路径下的抗压试验。同时采用颗粒流离散元软件PFC模拟冻融砂岩的力学试验。得出以下结论:(1)常规三轴试验应力-应变曲线分段,包括孔隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、应变软化阶段。冻融作用没有改变砂岩应力应变曲线阶段的划分。冻融作用使饱和砂岩弹性模量降低,峰值强度下降,峰值应变增加,力学性能产生劣化。随着冻融次数的增加,砂岩的粘聚力与内摩擦角有不同程度的劣化,其中,粘聚力对冻融次数的敏感性更强。(2)冻融使砂岩孔隙增大,伴随着冻融循环过程,砂岩内部孔隙率明显上升,并且可近似认为单次冻融循环孔隙率增量近乎相等。随着冻融次数增加,内部孔隙之间连通性增加,砂岩渗透性能增强。砂岩渗透率呈单调递增趋势,过60次冻融循环,砂岩的渗透率增加了 1.51倍,砂岩渗透率的每次冻融的增量随冻融次数增加,说明冻融循环使砂岩渗透率的增大加快。(3)经过冻融循环,砂岩波速逐渐减小。其中纵波波速近乎呈直线下降。结合动弹模定义,建立了砂岩冻融损伤因子D与孔隙率和纵波波速的关系。根据模型与试验结果对比,该模型表示砂岩损伤效果较好,可以通过该损伤模型预测岩石抗压强度。(4)颗粒流离散元PFC软件中平行粘结模型部分细观参数与宏观参数关系存在定量关系,冻融对砂岩的损伤劣化可以用粘结模型的细观参数等效。通过分析宏细观参数间的对应关系,总结一般冻融砂岩细观参数确定方法。同时,根据冻融砂岩的应力应变曲线特征,建立了折线型冻融砂岩本构方程。(5)冻融作用下,不同卸载应力路径砂岩应力-应变曲线表现不同的力学特性。冻融降低了砂岩峰值强度,同时砂岩卸载破坏时的卸荷量明显减小。冻融次数越多,径向应变对围压变化越敏感。冻融降低了初始变形模量,试样变形模量在卸围压过程中均呈线性降低,且冻融次数越多,下降越快。不同应力路径下砂岩的卸荷破坏的剪胀角受冻融作用影响而减小。

关键词： 拉拔试验   陶粒混凝土   冻融循环   粘结强度   破坏模式  

摘要： 轻骨料混凝土具有质轻高强、耐火性能佳、抗震性能好等特点,较传统混凝土而言,具有明显优势。由于北方地区的钢筋混凝土构件经常因为冻融作用而破坏,因此研究冻融循环后钢筋与陶粒混凝土粘结性能的变化规律有重要的工程价值。本课题研究的目的在于通过试验确定冻融后的钢筋与陶粒混凝土粘结性能的变化情况,从而得出粘结性能跟随冻融次数变化的规律。为工程设计,如装配式建筑外墙板、梁或者板的耐久性设计提供理论依据。研究的主要内容包括:(1)试验通过分析钢筋材质(BFRP筋即玄武岩纤维复合筋、螺纹钢筋、环氧涂层钢筋)、混凝土强度(LC25、LC30、LC35)、冻融循环次数(0次、15次、30次、50次)对钢筋与陶粒混凝土中心拉拔试件粘结性能影响。设计并制作了 108个试件,通过中心拉拔试验,得到其粘结-滑移曲线。对试验结果进行整理,分析各因素对拉拔试件粘结锚固性能的影响规律。(2)BFRP筋陶粒混凝土试件在冻融环境下以拔出破坏和劈裂破坏为主。螺纹钢筋试件和环氧涂层钢筋试件冻融循环后表现为劈裂破坏为主。螺纹钢筋试件的极限粘结强度最大,环氧涂层钢筋试件次之,BFRP筋试件最小。未冻融时BFRP筋试件的极限粘结强度为8.95MPa,螺纹钢筋试件极限粘结强度为14.52MPa,环氧涂层钢筋试件极限粘结强度为12.85MPa。随着冻融循环次数的增多,中心拉拔试件的粘结强度逐渐降低,其中BFRP筋试件降低最多,环氧涂层钢筋试件次之,螺纹钢筋试件降低最少。冻融循环50次后,BFRP筋试件降低了 42.57%,螺纹钢筋试件降低了 38.22%,环氧涂层钢筋试件降低了 39.77%,因此强度较高的陶粒混凝土试件在经历冻融循环作用时,粘结性能损失程度较低。(3)对三种钢筋材质条件下的粘结强度表达式进行了总结及验证,可为粘结性能试验的理论分析及后续研究提供参考。

关键词： PE-ECC   单轴拉伸   冻融循环   简支梁   正截面抗弯  

摘要： 超高韧性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC)具有应变硬化性能和裂缝控制能力,目前主要应用于梁柱节点优化、抗震加固、大坝维修、桥面板连接等实际工程。将聚乙烯纤维(PE)掺入水泥浆体中制作PEECC,使得材料具有较强的阻裂能力、变形能力和吸收耗能能力。新疆地区昼夜温差较大,干湿交替频繁。因此,在新疆地区研究冻融环境对PE-ECC耐久性研究具有着重要的意义。本文利用新疆本地材料制作PE-ECC混凝土,考虑纤维掺量和沙漠砂替代率的影响,确定了最优配合比。用快速冻融法对试块进行冻融,并进行了PE-ECC简支梁在不同冻融循环次数后的抗弯性能研究,为新疆地区PE-ECC冻融劣化研究提供一定的参考。通过哑铃试件单轴拉伸试验,对比分析了纤维掺量、沙漠砂替代率对哑铃试件的初始开裂强度、极限拉伸强度、拉伸位移的影响,从而确定了最优配合比。用最优配合比制作PE-ECC混凝土试块和简支梁。试验结果表明,混凝土试块的相对冻弹性模量随着冻融循环次数的增加逐渐降低,质量损失随着冻融循环次数的增加先减小后增加。立方体试块的抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低。冻融循环后PE-ECC简支梁仍满足平截面假定。随着冻融循环次数的增加,PE-ECC简支梁的初裂弯矩和极限弯矩都在逐渐降低。

关键词： 砂岩冻融损伤   电阻率   裂隙扩展   超声波   ABAQUS  

摘要： 寒区岩石常年经受冻融循环作用,物理力学性质受到严重影响,不利于建设项目的安全推进,因此对岩石冻融损伤特性和受载过程中损伤发展破坏的研究是推进寒区岩土工程的基础。为研究冻融循环作用对岩石损伤特性的影响,本文通过开展饱水砂岩室内冻融循环试验和单轴压缩试验,以电法勘探技术作为受载过程中裂隙扩展探测手段,研究绿砂岩力学变形特性、受载破坏规律和微观损伤机理,以及加载速率变化对岩石损伤规律的影响;同时对不同砂岩类型(无纹理黄砂岩和有纹理黄木纹砂岩)进行应力应变、受载破坏模式及电阻率规律的损伤差异性研究;最后建立岩石冻融与荷载共同作用下的损伤模型,通过ABAQUS有限元分析软件与试验结果进行对比,验证损伤模型的准确性,并进一步得出冻融绿砂岩受压过程中压缩损伤区域发展过程。主要研究成果如下:从冻融岩样受载破坏形态来看,冻融循环作用的影响以及加载速率的增加使砂岩受载破坏时剪应力作用增强,端部破坏最为明显。砂岩受压过程中电阻率的变化能够反映内部裂隙的发展程度,与内部劈裂面近似平行的表面电阻率随应力变化明显;电阻率在非弹性阶段处突然减小或加速下降,超声波频谱图显示内部缺陷数量增多,表明该阶段裂隙的扩展及破裂面的生成。同时,可通过岩石受压过程中电阻率变化规律分析岩石内部损伤情况,对于无纹理砂岩来说,内部颗粒产生微裂纹和大量碎屑阻碍导水通道,随着冻融次数的增多岩样在整个压缩过程中电阻率水平下降总幅度逐渐减小;相反有纹理黄砂岩冻融损伤主要为软弱纹理面的裂纹扩展,因此岩样最终破坏时的电阻率水平随着冻融次数的增加而减小。最后建立了冻融砂岩受压过程的损伤模型,通过ABAQUS模拟结果显示,在冻融循环次数不断增多的过程中岩样产生由棱角至面中再至内部的应变增长过程;同时多向温度场作用增大了冻融砂岩顶角处的损伤。

关键词： 混凝土   疲劳荷载   冻融循环   多因素共同作用   动态性能  

摘要： 在高纬度的寒区,混凝土大坝、桥梁、隧道等结构会经受疲劳荷载和冻融循环的共同作用,实际使用中混凝土结构往往会在此基础上受到动载的作用。本文以210个混凝土试块为研究对象,分别研究了混凝土在经历过疲劳荷载、冻融循环单因素或双因素共同作用后的动态性能,主要工作成果如下:1.研究疲劳荷载单因素作用下混凝土动态性能。通过测超声波速和单轴抗压试验研究疲劳次数和应变率对混凝土性能的影响,分析混凝土相对动弹性模量、抗压强度和有效受力面积随疲劳次数和应变率变化而变化的机理。研究发现:混凝土疲劳损伤是逐步累积的过程,疲劳作用后混凝土试块存在显著的“率”效应,疲劳作用次数影响试块的“率”敏感度。2.研究冻融循环单因素作用下混凝土动态性能。通过冻融后混凝土试块质量、超声波速和单轴抗压强度研究冻融次数和应变率对混凝土性能的影响,分析混凝土质量损失率和相对动弹性模量变化规律,研究抗压强度、有效受力面积随冻融次数和应变率变化而改变的机理。研究发现:冻融次数和应变率的改变会对混凝土破坏状态产生很大影响,随着冻融次数增加试块质量呈现先增大后减小的趋势,相对动弹性模量损失主要发生在冻融早期,冻融次数影响混凝土“率”敏感度,并结合实际情况提出混凝土结构在动力作用下的设计建议。3.研究先疲劳后冻融作用下混凝土的动态性能。先进行单轴压缩疲劳试验,后进行冻融循环试验,期间按试验方案测超声波通过混凝土试块的速度,进行单轴抗压试验。研究结果表明疲劳荷载和冻融循环共同作用产生的损伤大于单因素叠加的损伤,分析了先疲劳后冻融作用下混凝土动态抗压破坏机理和混凝土抗压强度“率”相关性,分析相对动弹性模量全时程曲线和应力-应变曲线的变化机理以及变化趋势意义,并回归拟合应力-应变全曲线。4.研究先冻融后疲劳作用下混凝土的动态性能。先进行冻融循环试验后进行单轴压缩疲劳试验,期间按照试验方案测超声波通过混凝土试块的速度,进行单轴抗压试验。研究结果表明冻融和疲劳作用次序会影响混凝土的性能,先冻融后疲劳试块的破坏程度比先疲劳后冻融试块的小。分析相对动弹性模量全时程曲线和混凝土抗压强度“率”相关性,最后分析冻融次数、疲劳次数、应变率的变化对应力-应变曲线的影响。

关键词： 冻融循环   石窟砂岩   宏观   细观   层理  

摘要： 为研究不同状态下石窟砂岩冻融循环过程中物理力学性质发展规律,选取完整和缺陷饱和状态、完整和缺陷自然状态、完整和缺陷干燥状态6种不同状态石窟砂岩进行试验研究,通过宏观—细观角度分析砂岩在冻融循环作用下物理力学性质损伤规律。试验结果表明:饱和含层理缺陷岩样受冻融循环质量损失最为显著,对于含层理缺陷或完整无缺陷岩样,含水状态越高,质量损失率越大;在未冻融前各组岩样的纵波波速均随着含水状态的提高而降低,随着冻融周期的增加,所有岩样的波速均有所下降;未冻融条件下完整组岩样抗压强度显著高于含层理缺陷岩样,随着冻融周期的增加,完整岩样抗压强度依然大于含层理缺陷岩样,且含水状态越高,抗压强度越低;在冻融循环作用下,细观观测中含层理组岩样的裂隙条数多于完整组岩样,含层理缺陷组岩样中出现裂隙汇交,而完整组未出现,最后含层理缺陷组岩样裂隙方向大致都平行且沿着层理方向,而完整岩样裂隙无确定方向。在冻融循环作用后,岩样均受到损伤,其中含层理的岩样最为显著。

关键词： 季冻区   冻融循环作用   石灰改良粉砂土   二灰改良粉砂土   静力特性   边坡稳定  

摘要： 我国季节性冻土区分布广泛,在季冻区压实路基土受到反复的冻融循环作用,路基土的宏观力学行为在这种环境中发生不同程度的变化,从而导致了鼓包、翻浆和冻胀融沉等常见的病害。吉林省粉砂土广泛存在,该土本身结构松散,受冻融循环影响显著。因此本文选取松原的粉砂土进行改良试验,这对路基用粉砂土具有实际的工程意义。目前,工程界已经依据工程建设经验使用石灰对粉砂土进行改良且效果显著。为更好的为石灰改良粉砂土工程实践提供理论、试验参考,本文采用室内试验、理论分析、有限元软件模拟分析相结合的方式,重点研究了冻融循环作用下石灰改良粉砂土的静力特性及其变化趋势,二灰改良粉砂土的静力特性及其变化趋势,并用ANSYS有限元软件模拟冻融循环作用前后、改良前后土体路基边坡安全系数的变化,从而判断在冻融循环作用下,土体的改良情况。主要内容为:首先在各石灰掺量的最佳含水率下,对不同冻融循环次数的粉砂土压实试件进行静三轴试验,通过对粘聚力、内摩擦角和抗剪强度的分析,得到石灰最佳掺量;然后在此基础上外掺粉煤灰进一步进行改良,在各二灰配比的最佳含水率下,对不同冻融循环次数的粉砂土压实件进行静三轴试验,然后对粘聚力、内摩擦角和抗剪强度进行研究分析,找到二灰改良粉砂土的最佳配比;最后通过ANSYS有限元软件研究路基边坡在未冻融条件下素土、石灰改良土和二灰改良土边坡稳定的状态以及在不同冻融循环次数下素土、石灰改良土和二灰改良土的稳定状态,即改良路基土对边坡稳定的影响及冻融循环作用对边坡稳定的影响。结果表明:与素土相比经石灰或二灰改良后的粉砂土在多个方面都有明显提升,包括粘聚力、内摩擦角和抗剪强度;但粘聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化与冻融循环次数并无明显关系;当采用石灰改良时,石灰改良粉砂土的粘聚力和抗剪强度随着石灰掺量的增加均呈先增大后减小的趋势,石灰掺量6%～8%时达到峰值,经综合考虑选择6%为最佳掺量;二灰改良粉砂土中,在冻融循环作用次数相同条件下,粘聚力和抗剪强度随着土体中粉煤灰含量的增大呈增大趋势;粉煤灰的加入对石灰改良粉砂土的内摩擦角影响较小,二灰改良粉砂土的内摩擦角较素土而言,也有大幅度提升;基于ANSYS有限元软件分析边坡稳定系数,与素土相比,路基边坡的土体采用石灰改良粉砂土、二灰改良粉砂土更稳定。

关键词： 季冻区   高铁路基   冻融循环   荷载   水分迁移   CT值  

摘要： 我国高速铁路建设逐步向季冻区发展,为防治路基病害,高速铁路路基冻胀融沉变形机制暨待解决。影响路基变形最主要的危害因素是在冻融循环和荷载作用下水分在路基中的迁移聚集,路基水分场重新分布,进而导致冻融变形。近年来,围绕路基粗颗粒填料冻胀变形问题主要集中在远程监测系统的建立、不同影响因素的室内冻胀变形试验及数值模拟,对综合分析路基粗颗粒填料在冻融循环和不同荷载形式下的水分迁移机制的相关研究较少。通过对冻融循环作用下开放补水的不同初始含水率的粗颗粒填料试样分别施加不同的外荷载形式,本文研究了试样在试验过程中的温度场、冻深发展、水分迁移量、水分迁移高度、水分重分布以及在荷载条件下的冻胀融沉位移等发展变化,试验采用荧光剂示踪技术,追踪液态水迁移位置的变化现象,并且结合细观研究方法,通过X-CT扫描试样冻融前后粗颗粒结构形态分布特征,利用Matlab对X-CT图像进行处理,提取CT值,用以表征试样在冻融前后的密度变化及损伤程度。采用宏细观试验研究方法相结合,解释粗颗粒填料水分迁移机制,本文通过室内试验研究主要得出以下结论:(1)不同初始含水率试样在静荷载作用下引起的水分迁移量最大,液态水迁移高度也相应的在静荷载作用下达到最高位置。(2)动荷载作用下导致的土体位移变化最大,达到1mm～2mm之间,无荷载和静荷载作用下的试样几乎不发生位移。(3)初始含水率为3%试样冻深在不同荷载形式下均为最大值。(4)通过对CT值进行计算分析,得出粗颗粒在冻融循环之后土体密度整体增大,压实度提高,初始原因为土样本身压实度较低。

关键词： 循环荷载   冻融循环   改良粉质黏土   力学特性   数值模拟  

摘要： 本文取湖南省某粉质黏土公路路基的路基土作为试验的研究对象,冻融循环次数、石灰掺量及围压为主要变量,结合理论分析和室内土工试验对石灰改良粉质黏土的力学性质变化规律进行了冻融循环试验和三轴压缩试验研究,分析了石灰改良粉质黏土在不同冻融循环作用下的应力应变关系、应力应变滞回特性、弹性模量、强度及抗剪强度指标等力学行为的变化规律,确定工程最优掺灰量。最后,利用试验数据结果并通过FLAC3 D建立数值模型,得到冻融作用下石灰改良后的粉质黏土路基应变场变化。本文的主要成果如下:（1）利用室内土工试验测出粉质黏土的物理力学指标以及确定土料中的石灰掺量配比,测出粉质黏土和不同石灰改良粉质黏土的最优含水量,并在最优含水量下击实制备土样,研究各土样的动静力特性。试验研究得到粉质黏土与石灰改良粉质黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化型,且土样黏聚力随围压的增大而逐渐增大,随石灰掺量增加先增大后减小,以及内摩擦角在一定范围内波动;在动荷载作用下,2000次振动后素土的轴向应变接近6%,而石灰改良土的轴向应变低于2%,滞回圈随围压增大越靠近纵轴,抵抗变形能力逐渐增强,石灰改良效果明显。（2）将粉质黏土和不同石灰掺量的试验土样制品经受不同冻融循环次数后进行三轴压缩试验,获取试样在不同石灰掺量和冻融循环次数下的应力-应变关系、模量、强度及抗剪强度指标等力学特性的变化规律。研究结果得到:试样的强度劣化程度在冻融作用下随石灰掺量增大而降低,且降低幅度逐渐变小;粉质黏土与石灰改良粉质黏土抵抗变形的能力随着冻融次数的增加均减小,黏聚力随冻融次数增加先减小后逐渐稳定,内摩擦角在一定范围内波动,弹性模量随冻融次数增加先降低后增加;相同冻融循环作用下,试样的内摩擦角和弹性模量随石灰掺量增加基本上呈现增长趋势,黏聚力随石灰掺量增加先增大后减小,石灰能有效地提高粉质黏土抵抗变形的能力,提高粉质黏土路基抗冻融稳定性。最终确定LC=9%为最优石灰掺量。（3）应用FLAC3 D软件对路基填筑工程和路基经冻融作用后的应变场进行数值模拟分析。研究结果表明:石灰改良粉质黏土填料路基在填筑后的沉降量和侧向位移量较小,符合质量工程要求。冻融作用对路基具有劣化作用,随冻融循环次数增加,路基沉降量和侧向位移量均先增大后减小,且沉降量和侧向位移在路基冻融9次以上后基本趋于稳定。

关键词： 土木工程   开封城墙   草本植物根系   根土复合体   粉质黏土   直剪试验   冻融循环试验   XRD试验  

摘要： 开封城墙是中国现存的最完整的古城墙之一,国家级文物保护单位,具有重要的人文、历史、旅游价值。但是,历经岁月发展,城墙的工程安全与稳定急需进行系统的研究和分析。对开封古城墙的病害现状进行调研,实地考察发现城墙墙体出现局部塌落、开裂、风化、盐析、酥粉、剥落、凹进、不均匀沉降等病害现象。同时发现城墙墙体及坡体存在多种植物群落,就坡体而言植物根系能起到较好的固土护坡作用,但就墙体而言植物根系的生长会加快病害的发展,影响城墙整体稳定性。目前,对古城墙的研究,大多集中于古城墙的修复、发展及文化价值等方面。植物根系的研究,则多集中于根土复合体的受力模型、强度理论、复合材料等方面。而关于植物根系对古城墙的影响研究目前较为鲜有,因此需对其进行进一步深入研究。本文以开封古城墙为研究对象,综合运用理论分析、土体试验等方法进行以下内容的研究:(1)通过颗粒筛分试验、固结试验、界限含水率试验,获得城墙坡面土的基本物理参数。通过冻融循环试验和直剪试验获得城墙坡面土的力学性能参数。(2)采集城墙典型植物样本并种植应季植物,将植物根系处理干净后制备根土复合体试件。通过力学试验,对比分析植物根系对城墙坡面土的作用影响。(3)已知城墙土主要成分应为三七土,而城墙砖缝土成分尚未可知,拾取少量砖缝开裂处土体,对其进行XRD表征试验,对比峰值图谱,判定土体成分。(4)人工配制城墙土,测量生石灰粉性能参数,按照体积比称取生石灰粉与城墙坡面粉质黏土,搅拌均匀并加入糯米浆液进行拌和,制备三七土根土复合体试件,对其进行冻融循环试验和直剪试验,数据分析,研究植物根系对人工配制城墙土的作用影响。