关键词： 纤维改良土   纤维水泥改良土   冻融循环次数   动静三轴试验   导热系数试验   动力本构模型   导热系数模型   动剪切模量   阻尼比   微观结构  

摘要： 针对季节性冻土区的特殊环境,本文以粘土为研究对象,通过动静三轴试验、导热系数试验和电镜试验研究了经历不同冻融循环次数纤维改良粘土和纤维水泥改良粘土的物理、力学和热力学性能。本文的主要研究内容及创新性成果如下:1.按照规范测定土体基本物理性质。为评价冻融循环次数与改良材料含量对试样高度和含水量的影响,分别对试样高度和含水量变化值进行测量。结果表明:当冻融循环次数不超过5次时,随着冻融循环次数的增加,所有试样的含水量变化很高,但超过5次后,增加变缓;当冻融循环次数超过10次后,纤维改良试样的高度基本保持恒定;聚丙烯纤维水泥改良土的含水量变化值最小。2.为考察改良材料种类和掺和量对改良粘土经历冻融循环后的静力学性质演变规律,本文首先开展了考虑单一纤维(聚丙烯、玄武岩)或聚丙烯纤维与水泥复合改良、纤维含量、冻融循环次数和围压等变量的一系列静三轴试验。结果表明:相较于粘土,纤维的掺入会大幅提高改良粘土未经历冻融循环或多次冻融循环后的强度;随着围压的增大,改良粘土的强度提高幅度要大于粘土;并根据破坏强度及应力-应变关系,讨论了强度指标(内摩擦角与粘聚力)和弹性模量随改良材料及其掺和量的关系。3.为研究纤维改良粘土受纤维种类、纤维含量和冻融循环次数等多变量影响后的动力学性能,本文开展了与静三轴试验实验计划对应的动三轴试验,其中动荷载频率为1Hz。结果表明:在冻融循环作用下动弹性模量越来越小,围压0.5MPa的时候动弹性模量的变化最大;阻尼比受围压的影响非常小;冻融循环对阻尼比的影响不大,但是纤维含量有较大的影响。根据冻融循环条件下改良土的动剪应力-动剪应变关系得到对应的骨架曲线、动剪切模量和阻尼比,通过Hardin-Drnevich本构模型和Davidenkov本构模型的计算骨架曲线与试验所得骨架曲线对比,发现Davidenkov模型与改良粘土的动剪应力-动剪应变关系的实验结果具有更好的拟合度;对于水泥改良土Hardin-Drnevich模型不能应用于整个全部动剪应变范围,因此动剪应变选择在0-0.1%的范围内,由于这个条件,实验结果与模型的拟合度良好。4.为明确粘土及其改良土在不同温度下导热系数的变化规律,本文开展了考虑冻融作用的改良土导热系数试验。结果表明:改良材料降低了粘土的导热系数,随着冻融循环次数的增加,改良土的导热系数降低。三种导热系数计算模型的计算值与本文的导热系数实测值对比结果显示:Johansen模型的预测精度最差;Johansen组合模型与Usowicz模型预测精度相对较高且差别不大。5.本文开展了电镜扫描试验。研究了聚丙烯纤维和玄武岩纤维的微观结构,水泥改良土和粘土微观结构特征进行了分类定性描述,选取了微观结构特征参数;确定了土颗粒与纤维之间的结构关系;对不同冻融循环作用下粘土和水泥改良土微观结构特征进行了分类定性描述;根据电镜实验结果,研究了土体和纤维试样的离子组成。综合全尺寸孔隙度研究方法、数据处理软件、图片处理软件,对水泥改良粘土中土颗粒与水泥颗粒相互作用的三维各向异性的扫描电镜试验结果进行了直观分析和几何特征处理。

关键词： 混凝土   冻融循环   加载速率  

摘要： 在我国西北部寒冷地区,反复冻结融化作用会对混凝土材料的力学性能和耐久性能造成不可逆转的损伤劣化。探究冻融环境下混凝土的损伤机理,提高其物理力学性能是解决这类工程问题的关键。此外,混凝土材料在服役工作期间,不仅受到静荷载的作用,还可能受到地震力等动荷载作用。在动荷载以及冻融循环作用下混凝土材料会出现不可逆转的损伤,致使其服役期限降低。因此,对混凝土材料开展冻融循环作用下的动态力学性能研究是十分重要且必不可少的,尤其是对我国西北部寒冷地区桥梁和大坝等混凝土结构具有重大的现实意义。本文开展工作如下:(1)对尺寸为100mm×100mm×400mm的混凝土试样进行冻融循环试验和力学性能试验研究。针对力学试验结果,分析归纳了混凝土极限弯拉强度、荷载-位移曲线和弯拉强度增长因数等因素在冻融循环作用下的变化规律。(2)借助ABAQUS有限元软件对尺寸为100mm×100mm×100mm混凝土试样进行温度场数值模拟。研究不同冻融循环次数下混凝土的温度场变化规律及混凝土上、中、下位置节点的温度-应力变化关系。(3)参考已有试验数据并利用ABAQUS软件和损伤塑性模型创建混凝土试样在冻融循环与动荷载作用下的有限元模型。在同一加载速率条件下,研究冻融循环次数对混凝土损伤特性和力学性能的影响。将有限元模拟结果与试验数据进行对比分析,验证模型的可靠性。结果表明:同一加载速率条件下,混凝土塑性应变损伤积累与冻融循环次数呈正相关关系。(4)基于ABAQUS软件建立的温度场和单轴压缩有限元模型,对混凝土试样进行冻融循环条件下力学性能变参数模拟分析。进一步讨论冻融循环次数和加载速率对混凝土试样的受力机理、破坏形态和极限抗压强度的影响。观察实际试验裂缝图与模拟应变图发现混凝土破坏裂缝呈“X”型。

关键词： 冻融循环   动态稳定态   膨胀率   无侧限抗压强度   抗剪强度指标   电镜扫描  

摘要： 膨胀土是一种特殊的黏性土,具有遇水膨胀、崩解、软化,失水收缩、干裂、硬化等工程特性,这种工程特性对在膨胀土地区建设的路基、地基、边坡等工程结构造成的危害往往具有长期潜在性、突发性、反复出现性的特点,这种危害往往造成巨大的经济损失。在各种寒区工程的生产活动中都必须充分考虑膨胀土的性质及其随冻融状态的不同而产生的变化。采用三种改良膨胀土方案与纯膨胀土进行对比,以达到减弱或消除膨胀土胀缩性的目的。试验用土取自山东省临沂市,该膨胀土为中等偏弱膨胀土。以测定的最优含水率和最大干密度为控制指标制成两种规格试样,尺寸为3.91cm×8cm、6.18cm×2cm分别用于强度试验和膨胀率试验。共选取7d、28d、60d、90d四个龄期,纯膨胀土(ES)、水泥改良土(ES-C)、钢渣粉+水泥改良土(ES-SSP-C)、钢渣粉+水泥+氢氧化钠改良土(ES-SSP-C-SH)四组试样,设置-5℃、-10℃、-15℃三个温度进行膨胀土冻融循环试验研究。通过冻融循环过程中体积变化情况得出膨胀土的膨胀态势,并且结合质量变化率差值进行分析,得出体积变化率差值与质量变化率差值成正比。纯膨胀土体积的变化呈现持续的“冻缩融胀”特点,并且体积呈逐渐增大趋势,冻融循环对膨胀土损伤具有累积性;随着龄期逐渐增加,改良土的体积膨胀率呈下降趋势,高龄期试样在冻融循环中具有更强的体积控制能力,其中ES-SSP-C-SH试样在多次冻融循环中,体积变化率相差不大,其维持试样稳定性的能力更强。-15℃下,纯膨胀土和改良土的体积变化率均达到最大值。-10℃下,三种改良土试样,ES-SSP-C试样质量变化率差值、体积变化率最小,其膨胀态势也较弱。随着冻融循环次数的增多,膨胀土试样从不稳定态向动态稳定态转变,其冻缩量和融胀量渐趋稳定。对比四种组别试样的自由膨胀率和自由膨胀比大小关系为ES-SSP-CES-C>ES-SSP-C,ES-SSP-C-SH试样改良方案更具优越性;在冻融循环作用下,各类土体强度有不同程度的损害,并且在第1次冻融(F-T)循环时产生最大的强度衰减量,因钢渣粉抗冻耐久的作用,ES-C试样的强度损失率大于ES-SSP-C试样。在不同温度的冻融循环中,强度损失随温度降低而增大,-15℃时强度最低。不固结不排水(UU)三轴压缩试验表明100kPa围压时,ES-C试样相比于其他两组改良土试样更易出现达到剪切平衡后试样破坏,偏应力快速下降的现象。抗剪强度指标c、φ值在改良土中均比纯膨胀土有大幅度的提升,其中提升最大的是ES-SSP-C-SH试样,三种改良土试样的内摩擦角远大于纯膨胀土,提升了边坡稳定性。对纯膨胀土和改良土试样冻融前后进行电镜扫描,分别从低倍镜和高倍镜进行对比分析,得到三种改良土颗粒的分布都十分密实,颗粒之间的间隙相比于纯膨胀土也更小。三种改良土体中ES-SSP-C试样的密实度略差于另外两种。ES-C试样在高倍镜下发现水化产物钙矾石(AFt),这种物质具有一定的膨胀性。在ES-SSP-C-SH试样高倍境下发现了更多的C-S-H,其对土颗粒的连结以及强度的提升起到直接的作用。研究也发现温度越低对膨胀土和改良土试样影响越大,-15℃时裂隙和孔洞发育都更明显,进一步验证体积变形率、强度衰减率达到最值的原因。

关键词： 土壤腐蚀   电化学阻抗谱   极化曲线   X70钢   盐渍土  

摘要： 本文通过室内埋片试验,运用电化学阻抗谱（EIS）,极化曲线,扫描电镜等手段对不同冻融次数和含水量下的NaCl污染砂和X70钢片/污染砂体系的电化学腐蚀行为进行了研究并给出了合理的解释。一、EIS的结果表明:首先、含水量为3%时,X70钢的Nyquist图由高频区的斜线或容抗弧加低频区的容抗弧组成,其与实轴的交点随着冻融次数的增加而右移,等效元件溶液电阻Re和电荷传递电阻Rct均与冻融次数呈正相关;含水量为9%时,X70钢的Nyquist图由高频区的容抗弧和低频区的容抗弧组成,与实轴交点随冻融次数的增加左移,等效元件溶液电阻Re和电荷传递电阻Rct均与冻融次数呈负相关;含水量为15%时,Nyquist图由高频区的容抗弧,中频区的容抗弧和低频区的感抗弧组成,随冻融次数的增加,曲线与实轴交点逐渐左移,感抗弧逐渐减小,等效元件溶液电阻Re、电荷传递电阻Rct和电感L与冻融次数呈负相关。第二、不同含水量下NaCl污染砂的等效电路元件与组合方式不同,其中韦伯阻抗只在含水量为3%和9%的体系中出现,共有元件溶液电阻Re和电荷传递电阻Rct随冻融次数的变化趋势与钢片/污染砂体系的趋势相同。第三、不管有无钢片,含水量对腐蚀体系的影响都较大,一般来说含水量越大,体系整体阻抗就越小,溶液电阻和电荷传递电阻随着含水量的升高而呈现出明显的降低趋势。二、极化曲线的结果表明:阴极曲线会随着冻融循环次数的增加发生“上移”也就是阴极反应速率在增大;含水量的增加会导致阳极反应曲线发生“上移”即阳极反应速率会随着含水量的增加而增大;含水量与冻融次数对极化曲线产生的影响实质上都是改变了腐蚀过程中参与反应的氧含量。三、扫描电镜的结果表明:龄期为1 d时,X70钢片在污染砂中的腐蚀主要为局部腐蚀,Cl-的穿透作用和温度应力共同作用使得钢片表面出现细微裂缝。冻融循环会加快腐蚀过程。

关键词： CFRP-混凝土界面   硫酸盐   冻融循环   应力-应变关系   粘结长度  

摘要： 硫酸盐侵蚀是盐渍环境中混凝土破坏的主要因素,在西部盐渍环境中,以硫酸盐为主的腐蚀离子大约是海水中的5～10倍,且西部地区冬季寒冷漫长、昼夜温差大,混凝土结构在室外遭受着硫酸盐与冻融共同的侵蚀,损伤极大。目前采用CFRP加固混凝土是提高其强度与耐久性的有效手段。CFRP与混凝土协同工作的前提是通过两者之间的粘结应力来实现荷载传递,因此CFRP加固混凝土技术的核心是CFRP-砼界面的粘结性能。本文通过模拟西部地区盐渍与冻融的环境,进行了硫酸盐在快速冻融循环条件下CFRP-砼界面粘结性能的影响试验,试验内容及研究结果如下:(1)CFRP片材分别在清水及5%浓度硫酸盐溶液中进行不同次数的冻融循环后,通过拉伸试验将其伸长率、抗拉强度、弹性模量等力学性能指标试验结果与室温条件下的片材试验结果作对比。试验表明,CFRP受硫酸盐与冻融循环影响不大,进行100次冻融循环后,抗拉强度提高5%以内,弹性模量提高10%以内,伸长率降低0.1%左右。(2)通过混凝土强度试验研究了清水及5%浓度的硫酸盐溶液不同次数冻融循环条件下对不同强度混凝土的影响。试验表明,两种条件下混凝土强度随冻融循环次数增多皆为先小幅度增大后大幅度减小,且混凝土强度越低效果越明显。(3)通过双剪实验,研究了清水及5%浓度的硫酸盐溶液不同次数冻融循环之后的界面极限承载力、应力-应变关系曲线及有效粘结长度的变化规律。试验表明,随冻融循环次数增加,界面承载力与应力-应变关系均呈下降趋势。同一强度混凝土在硫酸盐条件下比清水条件下降趋势更为明显;同一冻融条件下混凝土强度越低,下降也更为明显。有效粘结长度的试验结果与之相反,引入硫酸盐冻融循环影响系数,建立了考虑硫酸盐冻融循环因素的有效粘结长度计算公式。(4)通过对界面粘结-滑移曲线变化规律的回归分析,得到界面特征参数和界面延性参数的表达式,建立了考虑硫酸盐冻融循环作用下CFRP-砼界面粘结-滑移模型。通过对界面承载力的回归分析,引入硫酸盐条件下考虑混凝土强度和冻融循环次数的承载力影响系数,建立承载力模型。

关键词： 垃圾填埋场土体   冻融循环   FLAC 3D   数值模拟   不均匀沉降  

摘要： 在我国北方地区,四季温度变化分明,土体随着季节、温度的改变,会发生周而复始的冻融作用,而每一次的冻融,都会对土体的土性参数产生一定的影响,从而会给工程的稳定与安全带来隐患。如今社会飞速发展,垃圾的产量逐年倍增,为了更好的处理这些垃圾,垃圾填埋场已经成为城市中必不可少的工程设施,而垃圾填埋场中土体的冻融循环问题会使得垃圾填埋场产生不均匀沉降,从而对垃圾填埋场的整体稳定性造成一定的负面影响。为研究垃圾填埋场中土体在经历冻融循环后,土体力学性质的改变规律、机理及填埋场所产生的不均匀沉降问题,本文在试验的基础上进行数值模拟。即对垃圾土体进行现场取样,利用冻融循环试验及三轴试验,来测得垃圾土力学性质的改变,分析其改变机理,并将所得数据带入FLAC 3D数值模拟软件中,进行锦州市南山垃圾填埋场在冻融循环下所产生的不均匀沉降的模拟,从而对实际工程提供理论依据。其中在试验中试样的含水率设定为40%、50%、60%,冻结温度分别为-10℃、-15℃、-20℃,冻融循环次数取0次、1次、3次、6次、9次、12次。通过试验与模拟,得出如下结论:(1)当垃圾土含水率和冻结温度一定时,随着冻融循环次数的增加,垃圾土的粘聚力及弹性模量的值均会不断减小。当冻融循环达到6次以后,粘聚力和弹性模量减小的趋势会越来越小,趋于平缓。而垃圾土内摩擦角的变化没有一定的规律。此时,抗剪强度会随冻融循环次数的增加而减小,当冻融次数达到12次时,抗剪强度降低的幅度变小,逐渐趋于稳定状态(2)当冻融循环次数和冻结温度一定时,随着含水率的增加,垃圾土的粘聚力、内摩擦角及弹性模量均会减小,从而其抗剪强度也会降低。(3)当冻融循环次数和含水率恒定时,垃圾土的粘聚力和弹性模量会随着冻结温度的降低而降低,但内摩擦角会有小幅度增大,抗剪强度会降低。(4)垃圾填埋场中土体经过1次、3次、6次、9次、12次冻融循环后,其因冻融循环而产生的最大沉降分别为0.19m、0.61m、1.26m、2.02m及2.53m左右,最大沉降的位置均为高程较大处,而不均匀沉降率最大的位置发生在填埋场的四周,中间位置较小。对于不同位置不均匀沉降值及不均匀沉降率会有不断的波动,但整体变化趋势相似。(5)在进行垃圾填埋时,采用分层填埋的方式,并对原有垃圾体利用大型的压实机械进行碾压;可以在每层垃圾体之间设置带有土工格栅的衬垫系统;同时渗滤液回灌技术也可用于加速垃圾填埋场的沉降;封场后,可利用粉煤灰进行灌注处理。

关键词： 纤维黄土   冻融循环   土工试验   抗剪强度   邓肯-张模型  

摘要： 纤维加筋土是一种复合土,将纤维和土两者按照比例进行均匀混合,使其物理力学性质得到提升。我国西部处于季节性冻土地区,冻融循环作用对建筑物的稳定形成威胁,将影响工程的正常使用和安全运行。本文以西安黄土为研究对象,将聚丙烯纤维作为加筋材料对黄土进行改良,通过室内试验探究纤维掺入比、纤维长度、冻融循环次数等因素对纤维黄土强度及应力应变关系的影响,对西部季节性冻土地区实际工程建设具有一定理论指导意义。对不同纤维掺入比(0%、0.2%、0.4%、0.6%)、不同纤维长度(6mm、9mm、12mm)的纤维黄土在冻融循环0次、1次、3次、6次之后,进行常规三轴剪切、直接剪切和无侧限抗压强度等室内试验,研究不同因素下纤维黄土经历冻融循环作用之后的力学、强度特性以及变形规律。得到以下结论:(1)在固结排水三轴剪切试验中,在经历不同冻融循环次数之后,随着围压的增大广义剪应力也是增大的,应力应变曲线为硬化型;在纤维掺入比为0.6%、纤维长度为9mm时,加筋效果最优;经历冻融循环之后,纤维黄土的粘聚力出现下降,而内摩擦角呈增大趋势。在各因素下纤维黄土的加筋效果系数值都大于1,表明纤维使土体的强度得到提升并且约束了变形。(2)通过直接剪切试验,在经历不同的冻融循环次数之后,在纤维掺入比0.6%、纤维长度9mm时,抗剪强度、粘聚力最大,内摩擦角规律不明显。随着含水量(15%、18%、21%)的增加抗剪强度参数减小;随着冻融次数的增加粘聚力出现降低而内摩擦角出现小幅度增长,但是幅度较小。(3)结合无侧限抗压强度试验,通过素黄土和纤维黄土对比发现,在经历冻融循环作用之后,纤维黄土的强度和变形要优于素黄土,说明纤维可以抵御冻融循环作用和变形,其应力应变关系曲线呈现软化型,在纤维掺入比为0.4%、纤维长度为9mm时抗压强度值最大。(4)基于常规三轴剪切试验得到的结果,整理得到邓肯-张模型的具体参数,研究参数随着纤维掺入比和冻融循环次数的变化规律,结果表明K、n、G、F、Kb、m变化规律明显。建立冻融循环作用下邓肯-张模型参数的变形趋势模型,进一步证实纤维提升了黄土的强度和整体变形稳定性,得到拟合方程为数值模拟提供理论支持。

关键词： 砂浆   化学腐蚀   冻融循环   共同作用   力学特征   损伤变量   劣化机理  

摘要： 通过对不同化学溶液和冻融循环共同作用下砂浆物理力学特性进行室内试验,研究了溶液的酸碱性、浓度和化学成分对砂浆化学冻融损伤劣化程度的影响,进一步分析了化学冻融后试样物理力学特性的变化规律,并对不同化学溶液下砂浆的冻融损伤劣化机理进行了探讨。试验结果表明:溶液酸性越强,砂浆物理力学参数的冻融损伤劣化程度越大;冻融初期,碱性NaOH溶液抑制了砂浆的损伤劣化的程度,但随着冻融循环次数的增加,这种抑制作用逐渐消失。相同条件下,Na2SO4溶液加剧了砂浆的冻融损伤程度。试样抗折强度的化学冻融损伤劣化程度相对于其抗压强度要严重得多;同时,基于化学冻融前后砂浆的孔隙率建立损伤变量,来定量地描述砂浆化学冻融损伤的劣化程度。

关键词： 冻融循环   磷酸镁水泥   固化稳定化   无侧限抗压强度   毒性淋滤   微观结构  

摘要： 随着我国城市化、工业化的快速推进,环境污染、资源匮乏、生态破坏等问题迫在眉睫,其中重金属污染土问题已成为环境岩土与工程领域界专家学者高度关注的问题,需要专家学者用科学实际的方法进行修复和处理。同时,在我国北方地区,常有冻土问题,冻融循环可能会改变固化土体强度及重金属离子的长期化学稳定性。作者通过人工制备的磷酸镁水泥固化铜污染土,在室内模拟冻融循环环境进行冻融循环作用,改变冻融循环次数、磷酸镁水泥掺量及污染土中初始铜离子浓度三个因素,分别进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验、毒性淋滤(TCLP)试验及扫描电镜(SEM)试验,探究了在冻融循环作用下,磷酸镁水泥固化铜污染土的强度、淋滤及微观结构等方面的稳定性。具体研究内容如下:(1)通过无侧限抗压强度试验测得在冻融循环作用下的磷酸镁水泥固化铜污染土的强度值,分析在不同冻融循环次数(3、6、9、12次)、不同磷酸镁水泥掺量(S5、S10、S15、S20)及不同污染土初始铜离子浓度(Cu0、Cu0.1、Cu0.5、Cu1.0、Cu2.0)条件下对无侧限抗压强度的影响及探究强度变化的变异机理。(2)对冻融循环作用下磷酸镁水泥固化铜污染土的毒性淋滤特性进行了研究,分析了冻融循环次数、磷酸镁水泥掺量及污染土初始铜离子浓度对浸出液中Cu2+浓度及对固化土浸出液PH值的影响规律,分析了浸出液中Cu2+的浸出机制和磷酸镁水泥对铜离子的固化机理,并依据我国毒性鉴别标准GB5085.3-2007,探讨磷酸镁水泥固化重金属污染土在冻融循环作用下的固化效果。(3)通过扫描电镜(SEM)试验分析了冻融循环作用下磷酸镁水泥固化铜污染土的微观结构特性,比较分析了冻融循环次数、磷酸镁水泥掺量及污染土初始铜离子浓度对磷酸镁水泥固化污染土微观结构的影响,研究了冻融循环对固化污染土的破坏机理及磷酸镁水泥对铜离子的固化机理。

关键词： 水泥改良黄土   冻融循环   渗透性   抗冻性  

摘要： 为满足高速公路品质工程和绿色公路"零弃方"的建设要求,充分利用挖方路段的湿陷性黄土,采用室内试验研究水泥改良黄土在冻融循环作用下渗透性能的变化规律。对延崇高速河北段沿线黄土加入不同掺入量的水泥,进行了冻融循环试验和渗透试验。结果表明:反复冻融循环作用强烈影响着水泥改良黄土的渗透性;水泥对黄土颗粒结构有改造作用,从而提高了黄土的抗渗性和抗冻性;从工程的经济性以及提升黄土抗渗性和抗冻性角度,建议水泥掺入量为5%～8%。