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关键词： 土力学实验   实验改革   实验教学  

摘要： 土力学作为一门工程应用背景深厚的专业课程，土力学实验是实现工程应用与课堂教学转换的关键环节。结合土力学实验教学中存在的课时安排少、教学方式及考核模式单一等问题，尝试从调整实验内容、优化实验教学条件、调整实验教学模式、优化考核方式等入手，实现土力学理论课教学与土力学实验教学协同联动，提高学生分析工程问题、解决工程问题的能力。

关键词： 正交试验   泥质粉砂型深海能源土   三轴剪切试验   敏感性分析   力学特性  

摘要： 天然气水合物(简称水合物)广泛分布于近海大陆架及陆地永久冻土区,是21世纪最具发展潜力的清洁能源。在全球范围内已探明天然气水合物中碳元素的储量约为化石燃料的两倍甚至更多,被认为是传统化石燃料的潜在替代品。然而在开采初期水合物大量分解产生的气体会造成储层孔隙压力上升,有效应力下降;在开采后期,随着甲烷气体排出而导致储层有效应力增大以及储层结构的改变。水合物的开发利用过程会改变含水合物沉积物的赋存环境,造成水合物储层(又称能源土)结构发生改变,从而使得沉积物储层中的影响因素发生改变,对能源土的力学特性产生影响,阻碍水合物商业化开采的进程。本文以此为背景,研究多因素影响下能源土力学特性的变化规律,分析影响因素间的耦合作用对能源土力学特性的影响,探讨影响因素对能源土力学参数的敏感性,最终为能源土力学特性的研究提供必要的理论依据。本文开展的工作如下: (1)本文依据南海神狐海域能源土的颗粒级配曲线,按照设计的试验方案配制了近似颗粒级配曲线的泥质粉砂试样,作为能源土力学特性研究的沉积物骨架。根据能源土的研究现状,整理了影响能源土力学特性的相关因素。然后确定有效围压、孔压、水合物饱和度、细粒含量和黏土含量作为敏感性研究的主要因素,进而根据能源土的赋存特点确定各影响因素的水平因子。最后利用正交试验设计方法设计了5因素5水平的正交试验方案,并完成了25组三轴剪切试验。 (2)通过正交试验得到的应力-应变曲线表明:不同因素间水平因子的组合对能源土的强度和刚度产生了不同的影响。在剪切过程中,影响因素在不同水平因子的共同作用下对能源土强度产生影响的主要因素不同,且随着剪切过程的进行影响强度的主要因素也在改变。在剪切过程中,有效围压不完全占据主导地位,对强度的影响可能被其他因素的影响所掩盖。孔压、水合物饱和度、细粒含量对强度的影响与黏土含量对强度的影响存在差别,在不同的试验中对能源土强度产生影响的主要因素不同。 (3)利用极差和方差分析方法,分析影响因素对能源土强度影响的敏感性程度。由极差分析法发现,剪切初期影响因素的敏感性顺序为:有效围压>黏土含量>水合物饱和度>孔压>细粒含量;当轴向应变为15%时影响因素的敏感性顺序为:有效围压>孔压>水合物饱和度>细粒含量>黏土含量。由方差结果发现,在剪切初期影响因素方差的顺序与极差分析法得到的极差结果相同;在轴向应变为15%时,水合物饱和度的影响大于孔压,与极差分析得到的结果相反,影响因素的敏感性排序为:有效围压>水合物饱和度>孔压>细粒含量>黏土含量。 (4)基于试验结果对能源土的强度进行误差分析,发现试验结果的标准误差也能够反映影响因素的敏感性。敏感性显著的因素随着水平因子的改变对能源土力学特性的影响越明显,计算得到的标准误差逐渐减小。而敏感性较小的因素得到的标准误差呈不规律变化,试验结果的离散性较强。随着剪切过程的进行,对能源土力学特性影响的主要因素也随之改变,由黏土含量计算得到的标准误差呈现增大的趋势,由有效围压计算得到的标准误差呈现减小的趋势,同时影响因素的显著性大小随着剪切过程的进行不断发生变化。

关键词： 聚氨酯水泥混凝土   纤维   力学性能   抗冻性能   疲劳性能  

摘要： 在我国交通荷载日益重型化背景下,路面损坏的发生频率不断攀升,随着公路养护需求的逐步释放,其养护与修复被广泛研究与关注。对破损及时修复可控制损伤程度,减少对结构层的侵害,避免发生结构性的损坏,降低经济损失。聚氨酯水泥复合材料作为一种新型的胶凝材料,与砂、石等骨料具有优异的相容性,具有高延性、高耐久性,制备的聚氨酯水泥砂浆具有硬化速度快、早期强度高等特点,被应用于结构加固提高承载力。由于该材料韧性不足,缺少冻融循环作用下力学性能劣化规律及冻融损伤机理研究,缺乏抗冻耐久性能研究,在温度与荷载耦合作用下的疲劳耐久性能研究也未见。因此,聚氨酯水泥砂浆及其混凝土很少用于季冻区路面的养护修复中。本文对聚氨酯水泥砂浆及其混凝土的力学性能和抗冻耐久性能、疲劳耐久性能进行系统研究,对聚氨酯水泥混凝土冻融疲劳使用寿命进行预测及损伤度进行评价,为其在季冻区工程中更好地应用具有重要的现实意义。 本文针对季冻区路面材料的要求,将聚氨酯水泥复合材料作为胶凝材料,对其力学性能、凝结时间进行试验研究,对其微观结构进行探究,对纤维聚氨酯水泥砂浆开展力学性能、抗冻性能试验研究及微观分析,对纤维聚氨酯水泥混凝土开展力学性能、弯曲韧性、抗冻耐久性能、抗疲劳耐久性能开展试验研究,旨在研发一种具有较好力学性能、较好耐久性能并符合季冻区路面要求的的纤维聚氨酯水泥砂浆及其混凝土的养护修复材料。本文的主要研究内容和研究结果如下: (1)开展聚氨酯水泥复合材料的力学性能及微观结构研究。以聚醚多元醇与异氰酸酯为原液合成聚氨酯,并与水泥一起组成聚氨酯水泥复合材料作为胶凝材料,研究聚醚多元醇、异氰酸酯、水泥的比例关系对聚氨酯水泥复合材料凝结时间和力学性能的影响,确定最优配比关系;利用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)获得红外光谱图分析分子结构、扫描电子显微镜(SEM)获得微观形貌研究聚氨酯水泥复合材料的微观结构及反应机理。研究结果表明:聚氨酯水泥复合材料将聚氨酯和水泥两种胶凝材料按比例组合形成一种新型复合材料,具有可模性、高延性。复合材料中异氰酸酯、聚醚多元醇、水泥比例为1:1:2时,即P2C2试件的力学性能最优。 (2)开展纤维聚氨酯水泥砂浆力学性能与抗冻性能研究。利用纤维对聚氨酯水泥复合材料的增韧作用,在聚氨酯水泥复合材料P2C2基础上加入纤维、砂制备纤维聚氨酯水泥砂浆,确定最优配合比。通过力学性能试验开展纤维掺量对聚氨酯水泥砂浆的增韧影响及微观变化规律研究,最终确定纤维的最佳掺配方式,并开展抗冻性能研究。研究结果表明:影响纤维聚氨酯水泥砂浆力学性能的因素依次为胶砂比>纤维尺度>纤维掺量。当聚氨酯与水泥比例为P2C2,胶砂比为1:3,纤维尺度采用12mm,纤维掺量为0.6%单掺时力学性能最优,即最优配合比为P2C2S3F0612。纤维聚氨酯水泥砂浆抗冻等级可达F300,抗冻性能优良,可应用于季冻区路面局部小面积破损的快速修复。 (3)开展纤维聚氨酯水泥混凝土力学性能与弯曲韧性研究。以P2C2S3F0612纤维聚氨酯水泥砂浆为基础,加入碎石制备纤维聚氨酯水泥混凝土,研究各材料用量的改变对材料力学性能的影响,提出适合道路修复或者新建用的纤维聚氨酯水泥混凝土配合比。对纤维聚氨酯水泥混凝土开展弯曲韧性研究,对比分析了不同加载形式下的抗折强度变化,通过扫描电子显微镜分析纤维聚氨酯水泥混凝土中纤维增韧机理。研究结果表明:砂率为40%时的P2C2S3F0612,纤维聚氨酯水泥混凝土抗折强度提升了2.9%,抗压强度提升了1.1%。当纤维掺量相同时,纤维长度为12mm的弯曲韧性优于纤维长度为25mm;当纤维长度相同时,纤维掺量小的试件表现出较好的韧性,F1206可以在荷载为37MPa处保持1.0mm的形变量,弯曲韧性表现良好。SEM图显示掺入纤维后聚氨酯水泥复合材料充分包裹骨料、纤维,提高力学性能同时,纤维在断裂时吸收断裂能量的能力强,韧性好。 (4)开展纤维聚氨酯水泥混凝土抗冻耐久性能研究并建立冻融损伤模型。通过快速冻融试验对P2C2S3F0612纤维聚氨酯水泥混凝土试件开展抗冻性能研究,对经历冻融循环后的试件进行抗折试验,研究冻融作用下纤维聚氨酯水泥混凝土力学性能的劣化规律。对经历冻融循环后的试件进行SEM分析,研究其在不同冻融次数作用下的微观变化,以微观指标来阐释冻融机理。通过线性回归预测,建立纤维聚氨酯水泥混凝土的冻融损伤模型。研究结果表明:P2C2S3F0612抗冻性能优良,最大抗冻循环次数可达300次;冻融作用使得抗折、抗压强度下降,两者呈现明显的线性关系,抗压强度为抗折强度的2.5倍,抗压强度损失率为抗折强度损失率的0.75倍;基于Lemaitre原理引入冻融损伤值建立冻融损伤模型方程,该模型可较好地反映纤维聚氨酯水泥混凝土的冻融损伤规律。 (5)开展纤维聚氨酯水泥混凝土不同

关键词： 秸秆纤维   力学性能   电镜扫描   纤维加筋机理   强度衰减机理  

摘要： 在实际工程应用中,土体的自然状态往往难以满足工程需求,因此需要通过改良措施来提升其工程性能,确保工程结构的安全性。传统的土体改良方法包括添加水泥、石灰或人工合成加筋材料,但这些方法可能存在环境影响和成本问题。相比之下,天然植物纤维如秸秆纤维作为一种绿色、低成本且易于分散的加筋材料,具有显著的环境和经济优势。本研究选取玉米秸秆和芦苇秸秆作为加筋材料,将其掺入淤泥质土中以改善土体的力学特性。通过在常规条件和冻融条件下,对秸秆纤维加筋土进行抗压和抗剪强度的力学性能测试,结合电镜扫描和CT扫描解释秸秆纤维加筋机理和冻融条件下的强度衰减机理。主要研究内容和研究成果如下: (1)在常规条件下,对不同纤维掺量和纤维长度的秸秆纤维加筋土进行无侧限抗压强度试验和直剪试验,探究各因素对纤维加筋土的力学性能影响。结果表明:在常规条件下,纤维掺量对土体的抗压和抗剪强度以及粘聚力的影响呈现先增后减的趋势,对内摩擦角的影响规律不明显。两种秸秆纤维长度对土体力学性能影响相反,玉米秸秆纤维长度增加导致强度和粘聚力下降,而芦苇秸秆纤维长度增加则增强这些参数。对比两种秸秆纤维加筋土力学性能,玉米秸秆纤维加筋土强度和刚度更高,芦苇秸秆纤维加筋土韧性更好。 (2)通过电镜扫描和CT扫描观察纤维表面粗糙程度、纤维与土粘结程度以及纤维分布等,进一步分析纤维加筋机理。纤维加筋土主要是依靠单根纤维的拉筋作用和多根纤维形成的三维网状结构来增强土体的力学性能。然而,纤维的材料特性会影响其与土体之间的界面作用,因此不同纤维的锚固效果不同。 (3)在冻融循环条件下,对秸秆纤维加筋土进行不同冻融次数下的无侧限抗压强度试验和直剪试验。结果表明:土体抗压、抗剪强度和粘聚力随冻融次数的增加而逐渐降低,在经历5次冻融循环后曲线变得平缓,然而冻融对内摩擦角的影响较小。玉米秸秆纤维加筋土的强度损失率最小,素土最大。 (4)结合冻融环境的特性和不同冻融次数下的电镜扫描图像,系统分析了冻融过程对纤维加筋土力学性能变化的原因,揭示了在冻融循环中纤维加筋土强度衰减的内在机制。冻融作用导致的土体强度衰减主要是由于土体内部水分的迁移、冻结和融化导致的土体结构破坏,产生大量裂缝,并削弱了纤维与土界面的作用。其次,冻融循环作用造成纤维疲劳损伤,降低其加筋作用。 (5)将两种秸秆纤维均掺入到不同细粒含量的土体中,在常规条件和冻融条件下进行抗压强度试验,研究细粒含量对纤维加筋土的力学性能影响。结果表明:在常规条件下,细粒含量高的土体抗压强度更大。然而,在冻融条件下,由于细粒含量的增加导致土体冻结敏感性增大,使土体强度损失率变大。

关键词： 透水混凝土   力学性能   渗透性能  

摘要： 目前透水混凝土被广泛应用在人们身边的生活场景,如公园的人行道和自行车道、小区的的下沉式广场和儿童游乐场、户外广场以及室外停车场等等,这些场所使用透水混凝土进行铺设,可以使降雨经过路面直接流入城市地下水,降低城市排水系统排水的流量洪峰。制备透水混凝土时加入粉煤灰、硅灰和矿渣粉,能提高其力学与渗透性能,降低了其生产成本。文章通过对掺矿物掺合料的透水混凝土进行力学与渗透性能方面的试验进行研究,具体研究内容及成果如下: (1)对不同水胶比(0.25、0.28、0.31和0.34)未掺矿物掺合料透水混凝土进行抗压强度、抗折强度和透水系数试验,探究不同水胶比对透水混凝土力学与渗透性能的影响,结果表明,透水混凝土的力学性能随水胶比的增大呈先升高后降低的趋势,其渗透性能随水胶比的增大不断减小,未掺矿物掺合料透水混凝土的最佳水胶比为0.31。 (2)通过对掺粉煤灰(0%、6%、10%、14%和18%)、硅灰(0%、2%、5%、8%和11%)和矿渣粉(0%、5%、15%、25%和35%)的透水混凝土进行抗压强度、抗折强度和透水系数试验,研究矿物掺合料掺量对透水混凝土力学与渗透性能的影响,结果表明,掺粉煤灰、硅灰和矿渣粉透水混凝土的力学与渗透性能,随着其掺量的增大先增大而后减小,掺粉煤灰、硅灰和矿渣粉透水混凝土的最佳掺量分别为14%、5%和25%。 (3)固定总掺量30%下对掺粉煤灰与硅灰、矿渣粉与硅灰和矿渣粉与粉煤灰不同掺量组合(0%与0%、24%与6%、18%与12%、12%与18%和6%与24%)的透水混凝土进行力学与渗透性能方面的试验,探究不同矿物掺合料掺量组合对其力学与渗透性能的影响,结果显示,不同矿物掺合料掺量组合透水混凝土的力学与渗透性能,随着其掺量的变化而先增大后减小,粉煤灰与硅灰、矿渣粉与硅灰和矿渣粉与粉煤灰的最佳掺量组合为粉煤灰18%与硅灰12%、矿渣粉18%与硅灰12%以及矿渣粉18%与粉煤灰12%。 (4)在自然养护下,掺矿渣粉25%透水混凝土的抗压强度最大为28.52 MPa,掺粉煤灰14%透水混凝土的透水系数最大为4.13 mm/s。

关键词： 膨胀土   蠕变试验   分数阶导数   蒙特卡洛法   损伤因子  

摘要： 在寒区膨胀土路基工程中,由于受到冻融循环的影响,使得路面易产生裂缝和变形。采用石灰改良膨胀土可以降低其膨胀性,石灰可以与土壤颗粒反应形成稳定的结合物,从而提高土体的强度和稳定性。在石灰改良膨胀土的基础上,对其在低温环境下的性能展开研究,且学者们长期以来一直关注冻土的力学性质和蠕变特性。这些特性受多种因素影响,如土壤类型、温度、含水率和荷载强度、应力历史等,传统的岩土本构模型缺乏考虑这些因素的能力。因此,在对冻土的强度特性和蠕变规律探究时,使用合适的本构模型相当重要,这将为寒区工程的设计和施工具有提供重要的指导。 论文以膨胀土为研究对象采用掺灰法对其改良,通过从天然原状土加工为试验试样,在不同负温条件(-5℃、-10℃、-15℃和-20℃)和不同石灰掺量(0%、4%、8%和12%)条件下,开展了冻结石灰改良膨胀土的单轴抗压强度试验以及单轴压缩蠕变试验。在不同温度和石灰含量条件下,通过试验发现冻结石灰改良膨胀土的单轴抗压强度试验所得试验曲线呈现应变硬化特征,并对试验曲线进行讨论分析。 基于分数阶导数理论以及引入损伤函数Harris函数,建立了考虑损伤的冻土分数阶应力-应变指数模型,模型计算值曲线与试验实测数据曲线较为吻合,发现构建的模型展现出优异的适用性。为表达介于理想固体和理想流体之间的冻土蠕变特性,在Singh-Mitchell模型的基础上进行修正,将分数阶导数理论引入其中,以建立受冻结温度、石灰掺量以及加载应力影响下的S-M分数阶冻土蠕变模型。由于自然界温度场不均匀性,采用蒙特卡洛法考虑温度参数的空间变异性对蠕变模型进行可靠性分析,结果表明所有情况下的可靠度已超过90%,说明该模型可靠度良好,适用于实际工程中。 鉴于上述所建立的分数阶冻结石灰改良膨胀土蠕变模型未反映冻土蠕变加速阶段,基于Weibull概率分布假设,将损伤因子引入建立的分数阶蠕变模型,建立冻结石灰改良膨胀土分数阶损伤蠕变模型。对比分析分数阶损伤蠕变模型计算值与试验值,表明该模型可以较好地反映冻结石灰改良膨胀土在稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段变形发展特点。建立的S-M分数阶损伤蠕变模型参数简洁明了、易于确定且有一定的物理意义,对工程施工有重要的参考价值。 图102幅,表11个,参考文献81篇。

摘要： ~~

关键词： 再生料混凝土   再生微粉   级配优化   力学性能   体积稳定性能  

摘要： 建筑垃圾资源化在资源节约、环境保护、经济效益提升以及社会与环境效益等方面具有显著的优势。然而再生骨料力学强度、稳定性等方面通常低于天然材料,尤其是大掺量替代天然骨料时常会引起混凝土性能劣化。通过富勒级配优化设计再生骨料粒径组成,利用再生微粉的辅助胶凝作用,以提高再生料混凝土力学强度和体积稳定性,具有一定的可行性。 鉴于此,本文通过单因素试验,分析了不同粒径再生料掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响;基于富勒最优级配设计方法,优化了再生料混凝土的材料组成;探究了再生微粉对混凝土力学性能、体积稳定性能的影响。通过水化热试验,分析了再生微粉对水泥胶凝体系水化过程的影响。利用压汞法（MIP）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）等技术对材料孔隙结构、微观形貌等进行系统分析,阐明再生微粉对再生料混凝土性能的影响机理。主要研究结论如下: （1）利用富勒最优级配的方法得到再生料混凝土最优配合比为:水胶比0.40、再生细骨料掺量40%、再生粗骨料掺量40%、再生微粉掺量2%、聚丙烯纤维掺量0.6kg/m3、抗裂剂掺量4%;制备得到的混凝土力学性能符合C45强度等级标准,坍落度大于160mm。 （2）作为辅助胶凝材料,低掺量的再生微粉可提升再生料混凝土的工作性能、抗裂性能与密实度。2%掺量下,满足160mm坍落度要求的再生料混凝土减水剂用量减少了4.94%;早期自收缩率和长期干燥收缩率分别下降9.6%和20.24%;早期塑性开裂风险降低,总开裂面积减少了72.21mm2/m2;孔隙率下降了4.16%。 （3）再生微粉替代部分水泥,提高了胶凝体系的水化效率。2%掺量下,胶凝体系的7d累计放热量较对照组提升了3.82%。TGA试验表明胶凝体系的CH含量较对照组上升了6.00%。SEM试验表明再生微粉在胶凝体系中主要起到填充、分散、微晶核的作用,促进水化产物的生成。EDS试验证明再生微粉均匀分散在水泥颗粒之间,增大水泥颗粒之间的距离,有利于水化反应的进行,并与水化产物相互交叉形成致密结构。