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关键词： 纤维水泥土   力学性能   预测模型   冻融循环  

摘要： 水泥土搅拌桩具有适应土质类型广、工期短、成本低、施工便利等优点,在地基处理、基坑工程等领域得到了广泛的应用。但水泥土也存在明显的不足,如脆性破坏、抗弯及抗剪性能差、后期材料耐久性不足等。如何提升水泥土的力学性能,进一步拓展水泥土搅拌桩的应用广度与深度是工程界与学术界关心的热点问题之一。本文利用纤维断裂强度高、模量大、分散性较好等优点,以荆州城区淤泥质土为对象,将纤维掺入淤泥质水泥土中,通过无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、剪切试验等方法,研究纤维类型、纤维长度及纤维掺量对水泥土力学性能的影响,期望研究成果对工程实践有一定的参考作用。主要内容与研究成果如下: (1)对聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和钢纤维等六种纤维的纤维水泥土进行无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉试验和直剪试验,研究纤维掺量和纤维长度对水泥土力学性能的影响。结果表明:纤维对水泥土脆性破坏有一定的改善作用,且均能不同程度提升水泥土的力学强度。基于试验数据建立了纤维水泥土随纤维掺量和纤维长度的抗压强度、抗拉强度和黏聚力预测模型,为纤维水泥土抗压、抗拉和黏聚力指标确定提供参考。 (2)水泥土的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度指标并不是随着纤维掺量和纤维长度的增加呈现某一特定趋势,当纤维掺量或纤维长度超过一定量后水泥土的强度开始呈下降趋势,纤维在水泥土中的掺量存在最优值。无侧限抗压强度最优掺量:聚乙烯醇纤维(0.75%、9mm)>聚丙烯纤维(0.5%、12mm)>聚乙烯纤维(0.75%、9mm)>玻璃纤维(1%、6mm)>玄武岩纤维(0.75%、9mm)>钢纤维(1%、6mm);劈裂抗拉试验最优掺量:聚乙烯醇纤维(1%、9mm)>聚乙烯纤维(0.75%、12mm)>玻璃纤维(1%、6mm)>聚丙烯纤维(0.5%、12mm)>玄武岩纤维(1%、9mm)>钢纤维(0.5%、12mm)。直剪试验最优掺量:聚乙烯醇纤维(0.75%、9mm)>聚乙烯纤维(0.75%、9mm)>聚丙烯纤维(0.5%、12mm)>玻璃纤维(1%、6mm)>玄武岩纤维(0.75%、9mm)>钢纤维(1%、6mm)。综合比较下,聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维三种纤维增强水泥土力学性能较其它三种纤维更好。 (3)对聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维淤泥质水泥土开展冻融循环下的无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉试验和直剪试验。结果表明:冻融循环作用下,纤维水泥土的抗拉强度、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学性能指标较素水泥土保持较低的强度损失率,表现出较好的抗冻性能。综合比较,9mm、0.75%掺量的聚乙烯醇纤维水泥土抗冻性能最好,其次为9mm、0.75%掺量的聚乙烯纤维和12mm、0.5%掺量的聚丙烯纤维水泥土。

关键词： 土力学   非饱和土   抗拉强度   微观孔隙结构   巴西劈裂试验  

摘要： 坡体失稳破坏和路基填土开裂等工程地质问题均与土体的抗拉强度密切相关。利用巴西劈裂试验对不同初始含水率的非饱和土压实样和脱湿样进行抗拉强度试验研究，旨在探究广含水率范围内非饱和土压实样和脱湿样抗拉强度的演化规律。结果表明：随含水率的降低，压实样的抗拉强度先增大再减小，存在1个临界含水率，在临界含水率处其抗拉强度达到最大值。与此相反，脱湿样的抗拉强度会不断增大并趋于稳定。这是由于压实样的抗拉强度主要与弯曲液面处产生的毛细吸应力相关，而脱湿样的抗拉强度主要与毛细吸应力和胶结力等相关。其次，利用电镜扫描试验所测得压实样与脱湿样的微观孔隙结构图对此进行分析与讨论。最后，基于考虑毛细和吸附作用的非饱和土有效应力公式，建立非饱和土抗拉强度预测模型，并利用不同类型土的实测数据验证模型的有效性。

关键词： 粗粒土   大型平面应变   应力路径   颗粒破碎   本构模型  

摘要： 粗粒土具有诸多优良的工程特性因而在土木和水利工程中有着较为广泛的应用,其中诸如填筑地基、填筑边坡、隧道、公路及铁路路堤、堆石坝以及河海护堤等工程问题,可近似视为平面应变状态。由于应变边界条件的不同,平面应变状态下粗粒土的宏观力学行为、强度和变形特性与三轴试验有较为明显区别。在工程建设和维护运行过程中,土体的受力条件会因工况或环境的不同表现出差异,应力路径的差异对实际工程中土体的变形和强度计算结果有着重要的影响,因此选择符合实际工程的应力条件对粗粒土强度和变形等问题开展相关研究显得尤为重要。 本文以工程中常见的两种不同圆度的粗粒土为研究对象,以适用于实际工程中土体应力条件的平面应变加、卸载试验为基础,探讨粗粒土在不同初始应力状态和应力路径条件下的应力-应变演化规律,揭示粗粒土在平面应变状态下的强度、变形和剪切回弹等力学特性。针对粗粒土高压易破碎的性质,以颗粒破碎指标量化分析的角度为出发点,通过颗粒筛分试验揭示了颗粒破碎对粗粒土颗粒级配和抗剪强度指标的影响。在粗粒土卸载力学特性和平面应变试验结果的基础上,分别提出了平面应变条件下的非线性弹性卸载本构模型和加载(再加载)弹塑性本构模型。本文的主要研究成果有: (1)以西安理工大学XAUT-300大型土工真三轴仪为依托,在其压力室内增设一对兼具应力控制和测量功能的限位机构改造为大型平面应变仪,并进行均压固结常规三轴和平面应变试验,对比验证了大型平面应变仪的实用性和可靠性。 (2)针对相同级配的圆砾和角砾两种粗粒土开展了等围压条件下的均压固结竖向单调加载、均压固结竖向卸载-再加载和偏压固结竖向单调加载三种不同应力路径条件的平面应变试验,揭示了固结围压、固结应力比、应力路径和土粒形状等因素对粗粒土应力应变演化规律的影响。 (3)分析了粗粒土的中主应力和中主应力系数的破坏特性,论证了平面应变条件下的Lade-Duncan和AC-SMP强度准则能够通过破坏时大、小主应力合理预测破坏中主应力。平面应变条件下粗粒土在子午平面上的强度包络线呈非线性关系,围压应力接近时可分段由Mohr-Coulomb强度理论计算其抗剪强度指标。零应变方向应力随主动应力的变化存在滞后性,是导致卸载-再加载应力路径条件下主应力轴旋转的主要原因。提出了可由围压和应力水平计算粗粒土体积应变和广义剪应变卸载回弹量的预估模型。根据平面应变条件,采用剪切回弹变形模量分析粗粒土在不同应力路径条件下的剪切回弹力学特性,研究发现卸载回弹变形模量远大于初始剪切变形模量、再加载剪切变形模量和卸载-再加载变形模量。 (4)阐述了粗粒土颗粒在剪切过程中出现不同破碎形态的内在机理,剪切断裂和整体破碎多发于剪切滑动面附近,远离剪切滑动面则以表面破碎为主。分析了颗粒破碎对粗粒土级配曲线演化规律的影响,基于颗粒破碎指标Br量化表征了不同初始应力状态、应力路径和颗粒特性对破碎程度的影响。提出颗粒破碎率指标Bv,量化描述了新生成粒径区间破碎产物对粗粒土抗剪强度的影响。 (5)以平面应变卸载-再加载试验为基础,结合粗粒土的卸载力学特性,运用非线性弹性理论建立了平面应变卸载本构模型;采用弹塑性理论和非关联流动法则,依据平面应变的三维应力、二维应变条件,建立了平面应变加载(再加载)弹塑性本构模型。应用两种模型分析了圆砾和角砾在平面应变不同应力路径条件下的应变发展规律,通过与试验结果相比较,验证了两种模型能够较好地描述粗粒土的卸载非线性变形以及加载(再加载)的应变软化、硬化特性和剪胀、剪缩体积应变特性。

关键词： 橡胶混凝土   钢纤维   工作性能   力学性能   应力-应变曲线  

摘要： 随着我国建筑行业发展速度加快,出现了河砂肆意开采的乱象;与此同时,我国每年会产生大量的橡胶轮胎废弃物,若将废弃橡胶轮胎破碎成橡胶粉掺入混凝土中,不仅可以有效利用轮胎,减少环境污染,而且可以提高混凝土的变形能力。但由于橡胶颗粒的掺入会导致混凝土力学性能下降,所以考虑将钢纤维加入到橡胶混凝土中发挥增强作用,改善橡胶混凝土力学强度。本文基于碳达峰和碳中和为研究背景,研究了体积率掺量为0%、5%、10%、15%的橡胶颗粒等体积取代细河砂制成的橡胶混凝土,在橡胶混凝土的基础上,掺入0%、0.6%、0.9%、1.2%的体积掺量的钢纤维配制成钢纤维橡胶混凝土试块,对钢纤维橡胶混凝土工作性能、力学性能和应力-应变曲线进行试验,主要完成了以下工作: （1）对钢纤维橡胶混凝土进行了坍落度试验,相较与普通混凝土坍落度值,加入橡胶颗粒和钢纤维均会使得坍落度值下降;由于橡胶颗粒表面较为光滑,故当橡胶掺量为5%时,坍落度值相较于普通混凝土仅下降了5.79%;钢纤维会在水泥浆体之间起到桥接作用,会增大钢纤维与粗细骨料之间的摩擦力,故掺入钢纤维后会使得混凝土坍落度值下降幅度较大;当两种材料共同作用于混凝土,其坍落度值下降幅度效果更为显著。 （2）对钢纤维橡胶混凝土进行了基本力学试验。结果表明:随着橡胶颗粒掺量的增加,橡胶混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度会呈现下降趋势;且掺量越多下降幅度越明显,在橡胶混凝土中掺入适量的钢纤维能使得三者强度恢复至与普通混凝土水平相当,钢纤维掺量随橡胶掺量的增多而增多;原因是钢纤维加入可以使得橡胶颗粒被钢纤维与钢纤维之间夹杂着,类似“环箍效应”一样,减缓橡胶混凝土破坏,从而使得力学性能值得以提高;基于立方体抗压强度值,提出了钢纤维橡胶混凝土轴心抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度试验与立方体抗压强度之间转换关系公式。 （3）对钢纤维橡胶混凝土应力-应变曲线、弹性模量及峰值应变进行了研究;发现橡胶颗粒和钢纤维的加入均会使得应力-应变曲线下降段变缓;弹性模量值和立方体抗压强度变化规律相似;而峰值应变却随着橡胶颗粒和钢纤维增加而增加;提出了钢纤维橡胶混凝土弹性模量值与立方体抗压强度之间转换关系公式,效果较理想。 （4）使用清华大学过镇海教授提出的应力-应变本构关系模型公式对16组钢纤维橡胶混凝土应力-应变关系曲线进行了拟合,通过将试验曲线与拟合曲线进行对比,相关系数均R2均在0.95以上,拟合效果理想。

关键词： 玄武岩纤维   玻璃纤维   力学性能   抗冻性   SEM电子显微镜  

摘要： 混凝土是一种重要的建筑材料,在工程应用的相当广泛,不论是平时的住房,或是用于交通的桥梁,还是用于发电的大坝。随着社会技术的不断发展,人们对于混凝土强度的需求越来越大,此时纤维混凝土进入了大众的视野中。本文主要研究在混凝土中加入玄武岩纤维或玻璃纤维或同时加入上述两种纤维,对混凝土力学性能造成的影响进行研究。并对双掺纤维混凝土进行了抗冻试验以探索两者对混凝土抗冻性能的影响。在宏观试验的基础上,又对素混凝土与双掺纤维混凝土进行SEM电子显微镜试验,在微观范围观察纤维对混凝土表面造成的影响并与素混凝土进行对比分析。试验研究成果主要如下: (1)在抗压方面,各个掺量与龄期下的单掺纤玄武岩纤维混凝土与玻璃纤维混凝土与双掺纤维混凝土,相较于素混凝土的抗压强度均有提升。在劈裂抗拉方面,三者在各个掺量与龄期下,相较于素混凝土的劈裂抗拉强度有不同程度的提升与降低。 (2)三种掺量的双掺纤维混凝土中抗冻能力最强的是掺入0.15%玄武岩纤维及0.05%玻璃纤维的双掺纤维混凝土。且两者掺量的多少对于双掺纤维混凝土的抗冻性能没有直接影响。 (3)经过SEM电子显微镜试验发现,双掺纤维可以在物理及化学层面上有效的加固混凝土各个部分的连接。