关键词： 马兰黄土   冻融循环   抗剪强度参数   边坡稳定性   含水率  

摘要： 山西省吕梁地区作为黄土高原区的一份子,属沟壑纵横的多山地带,由于黄土的特殊工程性质引发的相关地表灾害越来越引起人们重视,滑坡就是典型的地质灾害之一。近些年,在全球气候变暖趋势愈发明显的大背景下,冬季冻结、春季消融的季节性冻融边坡会由于春季温度迅速回升而在消融期迅速融化,导致坡体内水分在短期内迅速集聚,与此同时,反复的冻融循环作用使得坡体内土颗粒排列和应力状态也会有所调整,从而改变坡体的原始状态并影响其稳定性。因此,研究反复冻融作用下的黄土抗剪强度参数变化规律和边坡稳定性变化,可以从根本上了解冻融循环作用对边坡的影响机理,为该类型黄土滑坡的防灾减灾提供指导意义。本文以吕梁地区原状马兰黄土为研究对象,通过收集资料、室内试验以及数值模拟的方式,探究了不同循环次数的冻融作用对原状马兰黄土的抗剪强度参数及边坡稳定性的影响。本文的具体工作如下:（1）通过统计调查和基本参数测定得知,柳林县的冻土深度为1.0 m,极端最低温度-19℃,土体的天然和塑限含水率分别为12.2%和18.2%。通过对比天然和塑限两种特征含水率的试样在5组冻融循环试验前后的含水率值发现,在封闭系统中,土样含水率在经历冻融作用后会有略微减少,且初始含水率越高含水率减少量越多,含水率减少量随冻融循环次数的增加呈对数型增长。冻融循环试验在封闭环境中进行时,土样损失的含水率不多,在分析土体抗剪强度与冻融循环作用的关系时,可以忽略含水率变化的影响。（2）在对天然和塑限两种特征含水率的原状Q3马兰黄土试样进行0、1、5、8、10、15次冻融循环试验的基础上,开展了各组土样在4个围压下的不固结不排水（UU）三轴剪切试验,得到对应的12组应力应变特征曲线。分析发现偏应力会随围压和轴向变形的增大而增大,初始变形时偏应力陡升表现为弹性变形,随着轴向变形增大,会逐渐转变为塑性变形,并且随围压的递增,天然含水率土样由微弱软化转为微弱硬化最后呈典型的应变硬化,而塑限含水率土样全程都呈微弱软化。含水率对偏应力增长的影响要大于冻融循环作用。此外,获取到各组土样的破坏应力变化规律,发现冻融循环会使土体在剪切时更容易屈服,在围压和含水率一定时,土体的破坏应力随冻融循环的叠加整体呈下降趋势。（3）在三轴剪切试验基础上,根据莫尔—库伦基本理论绘制出各组土样的应力莫尔圆,并拟合得到每组应力莫尔圆的公切线及其包络线的表达式,进而得到每组试验的黏聚力和内摩擦角值,以及两参数随冻融循环作用的变化规律。发现经历不同循环次数的冻融作用后,土样的黏聚力和内摩擦角都会劣化,但黏聚力劣化程度更大,它随冻融循环次数呈指数函数型降低,内摩擦角稍有减小但幅度很小,而且塑限含水率土样的抗剪强度参数普遍低于天然含水率土样。（4）参考试验获取的抗剪强度参数值,以柳林县某个黄土边坡为例,借助FLAC3D对经历各轮冻融循环次数后的边坡进行模拟。分析得出,剪切应变由坡脚处呈圆弧形向上延伸,水平向位移也是从坡脚附近逐渐扩展,会有潜在滑面雏形显现,随冻融循环作用的叠加,边坡虽然一直处于基本稳定状态,但是如若冻融作用持续下去,叠加降雨、裂缝等因素,边坡便会有失稳的可能。

关键词： 冻融损伤RC剪力墙   冻融循环试验   拟静力试验   恢复力模型   数值模拟方法   OpenSEES  

摘要： 寒冷地区的冻融作用是混凝土力学性能下降的主要原因之一,其所引发的混凝土力学性能退化是导致钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)结构构件抗震性能劣化的主要影响因素之一。由于早期的设计规范与标准尚不完善,忽略了冻融循环作用对RC结构构件的影响,导致既有在役RC结构构件在循环冻融作用下容易发生冻胀损伤,进而引发其力学与抗震性能劣化。在中国的东北,冬季持续时间长,温度低,昼夜差大,由冻融作用引起的钢筋混凝土(RC)结构剥蚀破坏日趋显著。在日本、加拿大、俄罗斯和北美等地区,由冻融作用起的结构损坏已受到了高度重视。与此同时,大量处于寒冷环境作用下的RC结构构件亦处于高抗震设防烈度区。基于此,本文选取常用于高层建筑结构的RC剪力墙为研究对象,对其展开了抗震性能试验与数值模拟研究。所涉及到的主要研究内容与结论如下:(1)以冻融循环次数(FTCs)、混凝土强度、轴压比为设计变量,借用人工气候实验室技术对8榀剪跨比为2.14的RC剪力墙进行加速冻融循环试验,进而对其进行低周往复试验。研究结果表明,随FTCs数量的增加,RC剪力墙的破坏模式由弯曲为主的弯剪破坏向剪切为主的弯剪破坏转变;试件的承载能力、变形能力以及耗能能力均逐渐减小,且变形能力与耗能能力的降低幅度以及不同受力状态下的平均剪应变及其占总变形的比例均逐渐增加。随混凝土强度的增加,RC剪力墙的承载能力、耗能能力、峰值状态下的平均剪应变及其占总变形的比例均逐渐增大,且承载能力与耗能能力的增加幅度明显增大,延性系数则先增加后减小。随轴压比的增加,RC剪力墙的承载能力逐渐增加,变形能力、耗能能力、屈服和峰值状态下的平均剪应变均逐渐减小,且承载能力的增加幅度明显减小,变形能力与耗能能力的降低幅度则明显增大,剪切变形占总变形的比例在屈服状态下逐渐降低,在峰值状态下逐渐增大。(2)通过试验回归与理论分析相结合的方法,对前述8榀冻融损伤RC剪力墙拟静力试验结果进行分析。综合考虑冻融损伤参数与轴压比对极限功比指数和不同受力状态下RC剪力墙承载力与变形的影响,建立了冻融损伤RC剪力墙极限功比指数与骨架曲线特征点参数计算模型。考虑强度衰减、刚度退化以及捏缩效应,采用两折线模型表示滞回环卸载段刚度变化,初步建立了适用于冻融损伤RC剪力墙的宏观恢复力模型,并与试验墙进行了模拟对比,从滞回曲线与累积滞回耗能两个方面验证了模型的准确性。结果吻合良好,表明所建立的恢复力模型能较好地反应冻融损伤RC剪力墙的力学性能与抗震性能。(3)对8榀冻融损伤RC剪力墙拟静力试验数据进行分析与处理,经多参数非线性曲面拟合得到了考虑冻融循环与轴压比影响的冻融损伤RC剪力墙剪切恢复力模型,同时结合混凝土不均匀冻融损伤模型,提出了考虑不均匀冻融损伤分布组合剪切效应与粘结滑移效应的冻融损伤RC剪力墙数值模拟方法。并通过与试验墙对比发现:采用该数值模拟方法得到的模拟滞回曲线与试验滞回曲线符合较好,表明本文所提出的数值模拟方法可较为准确地反映冻融损伤RC剪力墙的力学性能、变形性能以及抗震性能,可为严寒地区在役剪力墙的抗震性能评估提供一定的理论基础。

关键词： PVA纤维   正交试验   28d抗压强度   28d劈裂抗拉强度   冻融循环试验   核磁共振试验  

摘要： 近年来内蒙古等北方严寒地区因混凝土冻融损伤而导致建筑物使用年限缩短的现象越发严重。为改善混凝土早期力学性能及抗冻性,本文通过制备PVA纤维轻骨料混凝土,以PVA纤维长度(3mm,6mm,9mm)、PVA纤维掺量(体积分数的0.1%,0.2%,0.4%)、水胶比(0.4,0.42,0.45)为研究对象,研究PVA纤维对轻骨料混凝土各项性能的改善作用。通过测定其3d、7d、14d、28d的抗压强度和28d劈裂抗拉强度对其早期力学性能进行研究,通过对清水冻融试验下混凝土质量损失率及相对弹性模量的变化评价混凝土的抗冻性能。借助核磁共振、SEM扫描电镜等技术手段对PVA纤维轻骨料混凝土内部结构进行研究。并采用极差分析手段和灰色系统分析手段对试验数据进行分析。1.通过SEM扫描电镜技术,对PVA纤维轻骨料混凝土的内部微观结构进行观察,分析混凝土内部微观结构对其抗压强度及抗冻性能的影响。2.通过NMR核磁共振技术,对PVA纤维轻骨料混凝土的内部孔隙结构进行研究,分析孔隙度、孔径分布等不同的孔隙特征对其抗压强度及抗冻性能的影响。3.运用灰色关联分析手段分析混凝土抗压强度与NMR孔隙特征参数之间的内在联系。4.运用MATLAB对混凝土早期抗压强度进行对数拟合,建立PVA纤维轻骨料混凝土早期抗压强度与龄期的适用性公式。5.根据冻融循环试验结果建立混凝土冻融损伤模型,并根据不同地区的实际服役情况对PVA纤维轻骨料混凝土进行冻融循环寿命预测。

关键词： 水泥稳定钢渣   冻融循环   数值模拟   路基路面  

摘要： 水泥稳定钢渣作为无机结合料稳定材料的一种,可用于路面基层结构。我国地域辽阔,季冻区区域广,气候变化频繁,存在极端的高温与低温,使路面发生冻融现象,同时伴随车辆荷载的作用加剧降低了路面的使用寿命。因此本文研究冻融循环作用对水泥稳定钢渣基层的影响,探讨水泥稳定钢渣基层在冻融循环作用下路面各结构层所受到的应力、应变情况,对研究其损伤和破坏提供一定的理论意义和工程应用价值。(1)首先对φ150mm×150mm的圆柱体水泥稳定钢渣试件进行冻融循环试验,分析水泥稳定钢渣试件在冻融循环作用下的质量和无侧限抗压强度变化规律,拟合出不同冻融次数与水泥稳定钢渣试件强度的相关方程。结果表明:随冻融循环次数的增加,水泥稳定钢渣试件的无侧限抗压强度逐渐衰减,试件的质量呈现出先增大后减小的现象。(2)利用有限元软件构建水泥稳定钢渣试件在冻融循环作用下的数值模型,将试验结果与数值模拟数据进行比对分析,二者具有较好的一致性。在数值模拟过程中能够得到温度、应力、应变随时间的变化曲线图,发现:在冻融循环过程中,试件受到的应力、应变与外界温度的升降有关;随着冻融循环次数的增加,试件受到的应力作用逐渐向内部扩散。(3)为了降低冻融循环作用对水泥稳定钢渣基层的影响,对设置垫层和不设置垫层的路面结构进行模拟对比分析。通过对路面各结构层的温度、应力、应变进行比较发现,设置垫层可以降低路面各结构层的应力和应变,降低率分别是:上面层94.4%,下面层95.4%,基层92.9%,底基层98.2%。

关键词： 多年冻土区   土壤质量   蒸散发   土壤水热   冻融循环  

摘要： 青藏高原作为亚洲多条河流的发源地,是重要的生态功能服务区、气候变化的“感应器”、碳收支平衡的主导区和生态系统多样性的稀有种质资源保存基地。青藏高原的多年冻土在过去的几十年里由于全球变暖已经经历了显著地退化,而青藏高原多年冻土的退化又会对土壤环境、高寒生态及寒区水文过程产生强烈的影响。冻土的季节性冻融过程及土壤水热动态对陆地生态系统、水文过程、地-气水热交换及碳循环、气候系统以及寒区工程等具有深刻影响。本文以青藏高原多年冻土区腹地的风火山流域作为研究区域,对该区域的土壤质量、气象因子、蒸散发、土壤下渗以及土壤水分和温度的变化进行了系统的观测、采样研究及数理统计分析,结合冻土区活动层不同冻融循环阶段,开展了青藏高原多年冻土区冻融循环作用下土壤水热变化特征的研究,获得了如下主要成果:(1)影响青藏高原多年冻土区高寒草地植被退化背景下土壤质量的最小数据集(MDS):碱解氮、盐分、全磷和有机质。并且随着植被盖度的增加,土壤质量指数(SQI)也呈现增加的变化趋势,即在植被盖度<30%时,SQI的平均值为0.300.442,在植被盖度为300%时,SQI的平均值为0.308.457,在植被盖度为500%时,SQI的平均值为0.328.491,在植被盖度>70%时,SQI的平均值为0.327.532。分别采用线性与非线性的得分函数计算得到的结果表明,基于MDS的土壤质量指数可以较详尽的表达出植被退化背景下土壤质量的变化,相较于其他三种方法得出的SQI(SQI、SQI、SQI),基于MDS的非线性加权的土壤质量指数(SQI)可以对青藏高原多年冻土区高寒草地植被退化影响下的土壤做出更准确的评价。(2)在多年冻土区不同土壤冻融阶段,气温与潜在蒸散发存在相似的变化趋势,均在土壤的夏季融化期达到了最大值;并且通过对活动层土壤不同冻融阶段气象要素的进一步分析发现,各气象要素对潜在蒸散发的贡献率随着冻融循环的更替呈现出了明显的变化。净辐射和水汽压差对潜在蒸散发的敏感系数和贡献率较高,其敏感系数的均值分别为0.52和0.44,而风速和气温对潜在蒸散发的贡献率较低,其敏感系数的均值分别为0.08和0.01。(3)冬季降温期和春季升温期蒸散发过程主要表现为冰雪升华,且主要受净辐射的影响;夏季融化期的蒸散发存在一个气象要素的影响范围,即各气象要素同时达到其变化范围时,即土壤热通量达到1.44-4.46 MJ·d·m,气温达到1.09-3.10 C,相对湿度达到56.02-63.70%,净辐射达到40.34-48.90 MJ·d·m,水汽压差达到0.24-0.34 kPa,风速达到5.67-5.79 m·s时,实际蒸散发量达到最大值,而在其他条件下蒸散发量均会有所减少;在秋季冻结期,7:00凝结水量达到最大值,且由于9:00气象要素的突变,导致在7:00至9:00蒸散发量发生了突变,且我们发现白天以蒸散发过程为主,夜间以水汽凝结过程为主。(4)在青藏高原多年冻土区冻融循环作用下高寒草甸土壤水热过程存在明显的相互作用,且在高盖度植被处,深层土壤水热变化过程相较于低盖度处较为稳定;在高植被盖度下,地表20 cm深度处土壤水分含量最高。土壤水分与温度随着观测深度的增加分别与大气相对湿度和气温呈现递减的相关性,低盖度处土壤水热过程的不稳定变化在一定程度上将加剧高寒草甸生态系统荒漠化等一系列生态环境问题的发生,即相较于高植被盖度处,低盖度处深层土壤地温变化幅度的加剧会导致各层土壤水分的流失,尤其是浅层土壤水分。

关键词： 工程修复   土木工程   开封城墙   毛细水破坏   冻融循环试验   数值模拟  

摘要： 开封城墙早在1996年就被列为第四批全国重点文物保护单位,历史上多次遭遇洪水灾害,现存城墙为清代所建。为了加强开封城墙的保护管理,开封市政府曾多次组织开展修复工程。但是,随着时间的推移,开封城墙还是出现了剥落、开裂、局部坍塌等破坏情况,影响了城墙的整体美观,同时造成了安全隐患。本文以开封城墙大梁门北段为研究对象,进行毛细水对开封城墙破坏的研究。主要内容如下:（1）探索开封城墙材料的基本性能。查阅国内外现有文献,结合现场取样试验,了解城墙砖、城墙土的材料类型和各项数据。测试开封城墙砖、土含水率,弹性模量等物理性能,为城墙砖、土的破坏试验和数值模拟提供数据支撑。（2）试验探索毛细水对城墙土的破坏作用。以城墙土为研究对象,毛细水侵入城墙土体后,城墙土由于自身材料的劣化产生不均匀沉降、鼓胀等变形,并反映到外包砖上,最终将对城墙外包砖的完整性产生一定的影响。通过现场对城墙土破坏形态的考察,设计冻融循环试验、抗剪试验等,研究毛细水对开封城墙的破坏作用。（3）试验研究毛细水对城墙砖的破坏作用。开封地下水位较高,且水质较差,含有大量可溶盐等杂质,使得城墙砖极易出现泛碱等病害,影响城墙外观及强度。通过调查开封水质,配置不同浓度溶液,针对城墙砖进行毛细水侵入试验、无侧限抗压试验、扫描电镜试验等,研究水中矿物侵蚀对城墙砖抗压强度等性能的影响。（4）数值模拟毛细水对城墙砖-土的破坏。结合国内外古城墙结构研究形式,基于ABAQUS有限元分析软件,建立城墙砖-土结合模型,通过改变材料的模量、内摩擦角、粘聚力等参数,分析影响开封城墙稳定性的主要因素,研究城墙砖、土的劣化最终对墙体的影响形式。提出开封城墙对毛细水病害的主要应对措施。

关键词： 冻融循环   力学性能   钢筋混凝土柱  

摘要： 混凝土的冻融破坏是一个普遍而严重的现象,会给工程带来巨大安全隐患并造成经济损失。目前,国内外研究人员对混凝土进行了大量材料层面的抗冻性研究,包括添加外加剂、改善孔结构等,对混凝土冻融循环后的基本力学性能也有大量研究,而对冻融循环后钢筋混凝土构件的力学性能研究相对较少。针对上述情况,本文开展了钢筋混凝土柱冻融循环后轴压力学性能试验研究,具体工作有:(1)对配筋率分别为1.40%、2.74%、4.52%的三组钢筋混凝土柱进行0～300次冻融循环,研究了冻融循环后试件表面形态、抗冻性试件质量损失率与相对动弹性模量、立方体抗压强度的变化情况。(2)对冻融循环后的钢筋混凝土柱进行轴压试验,观察了试件的裂缝发展过程和破坏形态,研究了不同冻融循环次数、不同配筋率对试件极限承载力的影响,分析了冻融循环后钢筋混凝土柱混凝土与钢筋承担荷载的变化情况,分析了混凝土的抗冻性指标和混凝土立方体抗压强度对冻融循环后钢筋混凝土柱轴压试件承载力评价的优劣。本文的主要结论为:(1)冻融循环对试件表面造成了显著破坏,抗冻性试件冻融循环前期质量小幅增加,后期质量迅速下降,相对动弹性模量则一直呈下降趋势,150mm立方块抗压强度随冻融循环次数的增加呈不断下降趋势。(2)冻融循环加速了钢筋混凝土柱轴压试验时裂缝的发展速度,导致试件端部出现的裂缝增多,裂缝贯通试件表面的速度加快,高配筋率能有效减缓试件轴压后的破坏程度。(3)冻融循环导致了三组钢筋混凝土柱极限承载力呈现出不同幅度的下降,配筋率越高的试件下降幅度越大。同一组试件内,不同冻融循环次数下钢筋承担荷载基本保持不变,冻融循环后混凝土的损伤为影响试件极限承载力的主要因素。根据试验结果,给出了冻融循环后不同配筋率的钢筋混凝土柱极限承载力拟合公式,公式值与试验值较为吻合。(4)试验数据的分析结果表明:混凝土的抗冻性指标相对动弹模模量和质量损失率不能直接反映钢筋混凝土柱轴压承载力随冻融循环次数的退化,而混凝土立方体抗压强度随冻融循环次数增加的退化规律能够在一定程度上反映试件承载力的退化。

关键词： 冻融循环作用   力学参数   劣化规律   断裂模式  

摘要： 实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:(1)孔隙裂隙压密阶段;(2)预制裂隙张开阶段;(3)主干裂隙扩展延伸阶段;(4)断裂破坏阶段。冻融作用对(1)、(3)阶段影响最为明显,冻融后(1)阶段明显增长,而(3)阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。

关键词： 玻璃纤维增强复合材料筋   工程用水泥基复合材料   冻融循环   中心拉拔试验   本构模型  

摘要： 工程用水泥基复合材料(ECC)与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)协同工作可以有效提高结构的耐久性,但关于它们在冻融循环作用下的粘结耐久性能研究较少.通过设计9组共计42个试件,并采用快冻法研究了75次冻融循环后ECC材料与普通混凝土的质量损失率、横向相对动弹性模量及ECC与GFRP筋粘结强度的变化情况,并对试件粘结滑移曲线进行对比分析.结果表明,ECC材料的抗冻性能明显优于普通混凝土,同时75次冻融循环后,强度等级为C30与C50的ECC与GFRP筋的粘结强度分别为普通C30混凝土与GFRP筋粘结强度的3.0倍及4.3倍;将拉拔试验结果与目前国内外广泛应用的mBPE模型、CMR模型和连续曲线模型进行拟合对比,得到了mBPE模型及CMR模型相应的拟合参数和拟合相关系数,并发现CMR模型的拟合预测效果更好.

关键词： 混凝土细观结构   冻融循环与碳化作用   含气量   气泡间距   抗冻性  

摘要： 本试验为了研究冻融和碳化共同作用对混凝土细观结构的影响,采用了RapidAir 457型硬化混凝土气孔结构分析仪对混凝土试样进行检测,具体包括评估混凝土抗冻性的内部含气量及气泡间距;为了连续观测混凝土结构中具有代表性的孔隙,选用精度较高的金相显微镜。试验结果表明,混凝土结构内部气孔结构越小,混凝土抵抗冻融的能力越强。随着冻融次数的不断增加,混凝土内部会逐渐形成较大的贯通裂缝,细观结构试验结果与宏观试验所观察到的结果相符,本试验具有说服性。