关键词： 季节性冻土边坡   渐进破坏   粗颗粒土   ABAQUS软件   强度折减法  

摘要： 近几年来，随着国家西部深度开发，战略性交通基础设施的陆续实施，众多交通工程处于西部季节冻土地区，区域内的天然边坡、公路铁路边坡常因冻融作用而发生滑坡、泥石流等地质灾害，造成巨大损失，季节性冻土边坡的稳定性研究是有效解决这些问题的关键，需要开展广泛的研究。　　本文以川藏新都桥铁路沿线的路基边坡粗颗粒土为研究目标，以室内土工试验为基础，基于有限元强度折减法，提出了在冻融循环作用下，考虑渐进破坏特性的边坡稳定性分析方法。　　主要研究成果如下：　　(1)物理特性方面，在经过冻融循环后，最大粒径为30mm、含水率为17.26%的土样，液塑限均呈现减小的态势。在冻融循环5次后，土样的液限减小约5.42%，塑限减小约17.7%;颗粒级配方面，随着冻融循环次数的增加，细颗粒土的占比有较小幅度的增长，粗颗粒土的占比逐渐减小，从试验数据来看，冻融循环20次后，小于1.95mm颗粒占比增加2.4%，冻融循环作用仅影响粒径在5mm以下的土样，对5mm以上的颗粒影响不大;(2)力学特性方面，最大粒径为30mm土样的抗剪强度及其参数会随着含水率的增大而减小，饱和土样粘聚力和内摩擦角相比于天然含水率土样分别降低2.43%和12.76%;含水率为17.2%的土样，粘聚力相比于最大粒径为5mm的土样，10mm、20mm、30mm分别降低7.73%、21.86%、27.08%;内摩擦角分别增加了44.94%、59.95%、98.41%;(3)通过ABAQUS有限元分析软件建模，采用摩尔库伦弹塑性模型，分析得出在最大粒径为30mm情况下，边坡安全系数随着含水率的提高而逐渐降低，随着冻融循环次数的增加而不断降低;在含水率为17.26%的情况下，边坡安全系数随着最大粒径的增大，呈现出先增大再降低，又增大的情况;(4)通过监测剪切带上节点的应力，分析边坡渐进破坏的机理，根据摩尔库伦强度准则，利用折减系数将剪切带发育至贯通的过程描述出来，模拟了边坡渐进破坏的现象。

关键词： 地聚物混凝土   普通混凝土   盐碱侵蚀   冻融循环   应力-应变曲线  

摘要： 地聚物混凝土（Geopolymer Concrete）以其良好的力学性能、耐高温性能、化学稳定性,在建筑材料领域越来越受青睐,是一种新型环境友好型建筑材料。此外,我国西部盐碱地区、北方除冰盐地区、东部沿海地区的不利环境每年对混凝土结构造成了大量盐碱、冻融破坏现象。盐碱-冻融环境对混凝土材料造成的累积损伤不可逆,长期处于该环境下,会逐渐加速混凝土材料的破坏,影响混凝土结构正常使用。为了进一步研究地聚物混凝土在盐碱-冻融环境下的损伤特性,本文以偏高岭土和粉煤灰为主要原料制备地聚物混凝土,模拟盐碱-冻融环境对地聚物混凝土进行损伤特性试验研究,并设置普通混凝土作为对比试验。为实际应用中地聚物混凝土在严寒地区的推广提供一些理论依据。（1）研究了盐碱侵蚀作用下普通混凝土和地聚物混凝土的力学特性。结果表明:在盐碱侵蚀作用下两种混凝土随着侵蚀周期的增加,试件表面均未出现明显损伤;质量、相对动弹性模量、抗压强度均呈先缓慢增加后渐趋平稳趋势,相同侵蚀周期下,普通混凝土质量增加率、相对动弹性模量增加率、抗压强度增加率均高于地聚物混凝土。在复盐和氯盐中浸泡的地聚物混凝土试件相对动弹性模量、抗压强度均低于硫酸盐和水中浸泡的试件。（2）研究了普通混凝土和地聚物混凝土在盐溶液中经历不同冻融循环次数后的损伤特性。结果表明:在盐碱环境下,随着冻融次数增加,普通混凝土试件表面损伤渐趋明显,质量、相对动弹性模量、抗压强度均表现出先增加后减小趋势;地聚物混凝土试件表面损伤逐渐严重,质量呈先增加后减少趋势,相对动弹性模量、抗压强度均呈先渐趋平稳后加速下降趋势。75次冻融循环后,普通混凝土的冻融破坏程度由强到弱依次为复合盐冻、硫酸盐冻、氯盐冻、水冻。相同冻融次数下,地聚物混凝土的冻融破坏程度由强到弱依次为复合盐冻、氯盐冻、水冻、硫酸盐冻。并基于试验数据提出了混凝土在盐碱-冻融环境下的损伤劣化模型。（3）研究了盐碱-冻融循环条件下地聚物混凝土和普通混凝土的单轴受压应力-应变曲线和本构关系。建立了不同盐碱侵蚀作用下考虑混凝土峰值应力、峰值应变、控制参数αd、βd与冻融次数的应力-应变本构关系模型。结果表明:在盐碱环境下,随着冻融次数增加,地聚物混凝土峰值应力呈先趋于平稳后加速减小趋势,峰值应变呈先缓慢增加后快速增加趋势,普通混凝土峰值应力呈先增加后降低趋势,峰值应变呈先缓慢增加后快速增加趋势。在相同盐溶液、相同冻融次数条件下,地聚物混凝土上升段参数αd均小于普通混凝土,下降段参数βd均大于普通混凝土,说明地聚物混凝土的延性和塑性变形性能不如普通混凝土。

关键词： 碳纳米管   混凝土   力学性能   硫酸盐侵蚀   冻融循环  

摘要： 在西北等寒冷地区,土壤中富含丰富的硫酸根离子,使建筑工程长期遭受硫酸盐侵蚀和冻融循环的严峻考验。混凝土材料作为一种人工材料,其耐久性成为研究重点,通常采用添加纤维材料有针对的改变其性能,从而满足一定的耐久性。碳纳米管作为一种纳米材料,在胶凝材料凝结硬化过程中起到填充和桥联等作用,对改善混凝土材料的力学性能、增加水化产物之间的连接及优化过度区具有重要的作用,因而具有改善混凝土材料的耐久性的作用。目前研究主要集中在碳纳米管对砂浆材料性能的改善,而其对混凝土试样经硫酸盐侵蚀和冻融耦合作用后的影响研究比较少见。因此,本文采用三种不同浓度的碳纳米管溶液制备了碳纳米管混凝土试样,研究了不同掺量的碳纳米管对混凝土试样力学性能的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、TG-DSC综合热分析、压汞等方式对改善混凝土试样耐久性的微观机理进行了研究。着重研究了碳纳米管混凝土抗硫酸盐侵蚀和冻融循环耦合作用下的性能、碳纳米管掺量对其作用下腐蚀产物的影响进行了研究,主要工作如下:(1)碳纳米管对混凝土试样力学性能的影响。对未进行硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用的碳纳米管混凝土试样进行力学性能测试,通过其对混凝土试样抗压强度的提升率来判断碳纳米管的最优掺量。发现碳纳米管掺量为0.05wt%时,混凝土试样的抗压强度提升最为明显。(2)碳纳米管对混凝土试样水化产物的影响。通过对未进行硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用的碳纳米管混凝土试样进行TG-DSC综合热分析发现,碳纳米管的掺入能够促进混凝土试样在凝结硬化过程中水化产物的生成,且随碳纳米管掺量的增加逐渐增加。(3)碳纳米管混凝土腐蚀产物的研究。通过SEM扫描电镜观测发现混凝土试样孔隙和微裂纹处有大量的腐蚀产物。随着硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用次数增加,混凝土试样内部腐蚀产物逐渐增加,钙矾石由细针状逐渐聚集增长,最终形成大簇针状。通过XRD对碳纳米管混凝土的腐蚀产物进行定性分析,发现其在硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用后,主要生成物为钙矾石。结合TG-DSC综合热分析,发现随着硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用的进行,碳纳米管混凝土的腐蚀产物钙矾石逐渐增加。通过对相同硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用次数时不同碳纳米管掺量的混凝土试样进行分析,发现碳纳米管掺量为0.05wt%时腐蚀产物的生成量最少。(4)碳纳米管对混凝土孔隙结构的影响。通过对未进行硫酸侵蚀与冻融循环耦合作用的碳纳米管混凝土进行压汞测试发现,混凝土试样的孔隙率、总孔体积随着碳纳米管的增加呈现先增加后减少的现象且均大于试样CNTs0。(5)碳纳米管对混凝土损伤规律的影响。建立了不同碳纳米管掺量之间的损伤关系。发现碳纳米管的掺入在硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用不同阶段的促进作用并不相同,且其对峰值处的促进作用并不稳定。分别拟合了抗压强度和硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用之间的关系方程;建立了碳纳米管掺量、硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用、抗压强度之间的空间模型。

关键词： 橡胶混凝土   冻融循环   氯离子侵蚀   耦合作用   耐久性  

摘要： 混凝土结构的耐久性问题是工程界关心的热点问题之一。随着混凝土结构在水工、桥梁、道路等环境复杂条件下的工程中应用,混凝土的耐久性破坏机理变得更为复杂,冻融、氯离子侵蚀、碱集料反应、碳化等交替作用,混凝土性能劣化速度加快,严重影响工程结构的安全和使用,耐久性破坏产生的维修经费往往达到了初始建设经费的5～20倍左右。因此,开展多因素耦合作用下混凝土的耐久性能研究具有重要的科学意义和工程实用价值。本文以橡胶混凝土试件为研究对象,以试验研究为主要手段,将5～8目、30～40目以及60～80目等三种不同粒径的橡胶颗粒分别按5%、10%以及15%这三种比例采用等体积取代原材料里细骨料方法,制作橡胶混凝土试件。深入地探究了橡胶混凝土在冻融循环和氯离子侵蚀不同耦合状况下的作用机理,即冻融循环和氯离子侵蚀同时作用以及先冻融后抗氯离子渗透的叠加作用。通过分析实验数据结果探究了橡胶混凝土抗冻性与掺入粒径和掺量之间的关系,研究结果表明:橡胶颗粒能够显著提升混凝土的抗冻性能、抗盐冻性以及抗氯离子渗透性能,掺入的橡胶颗粒粒径越小,效果也就越好,混凝土的抗冻以及抗盐冻性能的最佳橡胶掺量是10%;橡胶混凝土的抗氯离子渗透性随着冻融循环次数的递增而下降,提高混凝土的抗氯离子渗透性的最佳橡胶掺量为10%。因此,综合考虑橡胶混凝土的抗盐冻性和抗氯离子渗透性能,橡胶颗粒的最佳掺量应取10%。基于Fick扩散定律,根据橡胶混凝土在实际环境中服役情况,建立了橡胶混凝土氯离子扩散模型,为全面准确地描述混凝土中氯离子扩散性能做好预备工作。采取试验研究手段,建立了以橡胶粒径和掺量为变量的橡胶混凝土在冻融循环和氯离子侵蚀耦合作用下的理论损伤模型,并根据损伤模型初步预测得到橡胶混凝土实际安全服役寿命。

关键词： 冻融循环   声波波速   广义Hoek-Brown准则   边坡稳定   FLAC3D  

摘要： 我国寒区面积分布广阔,约占国土面积的四分之三,近年来随着公路铁路等基础工程设施的建设与发展,寒区岩质边坡的冻害问题逐渐凸显并引起重视,因此,开展冻融循环条件下岩质边坡失稳机理和防护措施研究对保障寒区基础工程设施的运营建设具有重要意义。本文以河北省承德市北部山区某高速公路路堑白云岩高边坡为依托,首先开展了50次的白云岩室内快速冻融循环试验以及不同循环次数下的声波测试试验和单轴压缩试验,然后采用理论研究和FLAC3D数值模拟相结合的方法,系统地研究了白云岩岩块在冻融循环作用下各物理力学性质指标的损伤劣化规律,探讨了边坡裂隙岩体的强度参数在冻融作用下的劣化效应,揭示了季冻区白云岩边坡的失稳机理,最后,针对边坡的冻融破坏特征,提出了相应的防治对策并对主体防护方案的安全性进行了数值模拟验证。本文的主要结论如下:（1）冻融循环作用对低孔隙率的白云岩试样造成的宏观损伤有限,较多岩样在冻融循环过程中表观完整性良好,极少数试样的端面出现了闭合型微裂隙;冻融过程中岩样质量的损失和增加主要是由岩样内部孔隙中水分的补充或缺失所引起,质量的变化幅值很小并且无明显规律性,不适合用作表征岩石冻融损伤的指标;0～50次的循环冻融中,岩石的单轴压缩强度与弹性模量均表现出前期下降速度快而中后期下降平缓的劣化趋势;冻融作用明显导致岩石内部微裂隙数量增加,单轴应力应变曲线中的压密阶段随循环次数增加而明显增长,岩石脆性减弱延性增加。（2）冻融作用对岩石整体损伤明显,冻融过程中岩样的纵波波速下降明显并且与循环次数有较好的相关性,波速作为经济便捷的无损检测指标,能够很好地表征岩石整体结构损伤。水的存在会对声速表征损伤起干扰作用,因此建议利用冻融后岩石干燥状态下的波速表征结构损伤可能更加准确合理。（3）基于广义Hoek-Brown岩体强度准则,以声波波速为基准量表征和量化了冻融循环条件下岩体地质强度指标GSI_n与冻融扰动因子D_n,推导了冻融循环条件下裂隙岩体各项强度指标的估值公式并初步验证了估值公式的准确有效性,实现了岩块冻融参数向岩体冻融参数的转化,为数值模拟提供了参数定量选择依据;裂隙岩体的各强度指标的冻融劣化效应由大到依次排序为:岩体破碎度s、岩体单轴压缩强度σcm、岩体弹性模量Em、岩体软硬程度mb。（4）冻融环境中,塑性区主要在边坡的冻融层中出现和扩展,边坡临坡脚位置处塑性破坏最为严重,临坡肩位置处可能出现岩体局部崩落和坍塌的破坏行为,随着冻融的持续进行最终会在冻融层中形成贯通的塑性区进而导致边坡整体失稳滑塌;边坡坡脚处的位移量和每数次循环后的位移增量最大,其次为坡中和坡肩,相同循环次数下同一高程位置处边坡冻融层内外侧具有明显位移差,其中坡脚处位移差最大,其次为坡中和坡肩;冻融作用显著降低了边坡稳定性,50次循环后安全系数由2.34降低至1.08,不满足高速公路路堑边坡正常工况下安全系数要求,边坡的临界滑动面基本与冻融层重合。（5）针对本文中冻融循环50次后边坡的破坏特征,提出了采用喷锚注浆+保温防冻+辅助构造排水的综合防护方案,注浆锚固后边坡的数值模拟结果表明全长黏结钢锚管与注浆技术可以有效地提升季冻区此类易发生浅层滑移的岩质边坡的稳定性,对于季节性冻融区岩质边坡的防护设计宜着重从提升岩体完整性的角度入手,选择工程扰动较小的轻型支挡结构。

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。