教学课程资源库 更多>>

关键词： 人工冻结钙质砂海相软土   SHPB   应力-应变关系   数值模拟   破坏  

摘要： 南海海底工程及军事民事工程建设对我国海洋资源开发、空间利用及军事战略地位具有重要意义,人工冻结技术通过形成冻结帷幕隔绝地下水,在海底隧道、桥梁等工程建设方面发挥重要作用。人工冻结钙质砂海相软土具有复杂的力学特性,本文通过实验室实验与数值模拟相结合的方式,对不同温度、不同钙质砂含量人工冻结钙质砂海相软土的力学性能与破坏特征进行研究,以期为南海开展冻结法施工提供理论参考与安全性保障。 利用RMT实验仪器对-10℃、-20℃、-30℃下10%、20%、30%、40%、60%钙质砂含量的人工冻结钙质砂海相软土进行静力学实验。实验范围内,人工冻土抗压强度与抗拉强度随着温度的降低而升高;且随着钙质砂含量的增加,抗压强度增加,抗拉强度降低。较高温度与低含砂量的情况下,试件腰鼓现象明显,表面出现贯穿大裂纹,破坏程度较大;随着温度降低或含砂量增加,试件腰鼓现象削弱,表面短裂纹逐渐演化成斜裂纹,破坏程度降低。低含砂量下试件中心主裂纹呈直线状;高含砂量下试件中心主裂纹呈曲线状,并在缺陷部位出现次生裂纹。 利用SHPB实验系统对-10℃、-20℃、-30℃下10%、20%、30%、40%、60%钙质砂含量的人工冻结钙质砂海相软土进行377.33 s-1～1005.2 s-1应变率加载下的动态冲击压缩实验。结果表明:人工冻土表现出明显的应变率效应与温度效应;实验钙质砂含量范围内,峰值强度随着钙质砂含量增加而增加;低含砂量时,其动态强度增幅较小,随着含砂量增加,动态强度增长幅度变大。-10℃下其动态强度在含砂量为40%附近强度最高;随着温度的降低,动态强度在含砂量为60%附近最大,试件的破碎程度随着温度的降低而减小,随着应变率增加而增加。 对不同实验条件下人工冻结钙质砂海相软土的HJC模型参数进行修正,并通过LS-DYNA对人工冻土SHPB动态冲击压缩过程进行数值模拟。结果表明:数值模拟与实验应力-应变曲线变化趋势基本一致,吻合度较高,验证了模型修正的合理性;随着温度的升高与应变率的增大,出现应力集中、产生破坏等典型时间节点会提前;对试件破碎程度的差异用统计学损伤变量D进行量化,随着温度的降低,试件整体破碎程度逐渐降低;随应变率增加,试件破碎程度增加;随着含砂量的增加,试件破碎程度降低。 图[52]表[10]参[92]

关键词： 地聚物再生骨料混凝土   力学性能   收缩模型   纤维  

摘要： 随着我国对环境问题的重视,可持续发展是各行业研究的重点,国家提出双碳目标。生产水泥产生大量CO2,并引起其他环境污染问题,另外,大量房屋拆除产生的建筑垃圾,为缓解以上问题,本研究配制一种环保低碳混凝土“地聚物再生骨料混凝土”,是利用绿色胶凝材料包括矿渣、粉煤灰等,使用建筑垃圾作为再生骨料替换自然骨料,利用固废从根源处降低碳排放。本文通过正交试验研究矿渣粉煤灰掺量比、碱激发剂模数和碱激发剂当量对地聚物胶砂的力学性能影响,确定地聚物胶凝材料基准配比,进而配制出地聚物再生骨料混凝土。然后研究再生替换率和高温蒸养对力学性能影响及收缩的影响规律,最后在地聚物再生骨料混凝土的基础上加入钢纤维、增强型聚丙烯纤维、玄武岩纤维,研究单掺或者混掺纤维对地聚物再生骨料混凝土力学、收缩的影响,并进行了扫描电镜测试了微观结构。主要内容如下: （1）通过试验探究矿渣与粉煤灰掺量比、碱激发剂模数、碱激发剂当量对地聚物胶砂的影响,基于力学和工作性能试验结果,确定地聚物胶凝材料的基准配合比,结果表明:矿渣与粉煤灰掺量比影响其抗折、抗压、折压比最为明显,碱激发剂模数影响次之,结合工作性能确定地聚物胶凝材料的基准配比为:矿渣与粉煤灰掺量比80:20、碱激发剂模数为1.0、碱激发剂当量9%。 （2）通过改变再生骨料替换率,并对自然骨料和再生骨料进行了性能测定和分析,探究再生骨料替换率及高温蒸养后标准养28d,对地聚物再生骨料混凝土力学性能以及龄期60d的自收缩和干燥收缩影响,并与水泥混凝土对比。结果表明:地聚物再生骨料混凝土抗压强度、劈拉强度都随着再生骨料替换率提高而降低,且前期强度较高。高温蒸养下,GRAC0抗压强度最高90.4MPa,劈裂抗拉强度提升了4.7%-10.3%,高温蒸养对地聚物再生混凝土力学性能增强作用显著。对地聚物再生骨料混凝土自收缩和干燥收缩,各组收缩趋势基本一致,均随再生粗骨料取代率的增加而逐渐增大,龄期60d时不同取代率的干燥收缩增长都比自收缩大。 （3）通过向地聚物再生骨料混凝土中加入纤维,并与全再生骨料地聚物混凝土对比,研究纤维的掺入的对地聚物再生骨料混凝土力学性能的影响,结果表明:加入纤维的地聚物再生混凝土,其力学性能力提高。对于抗压强度,单掺钢纤维组效果最好;劈裂抗拉强度提升效果最好组别是钢纤维与玄武岩纤维混掺组;抗折强度提升最高的是1%钢纤维与0.1%的玄武岩纤维组。 （4）通过向地聚物再生骨料混凝土中加入纤维,进行纤维地聚物再生骨料混凝土60天龄期自收缩和干燥收缩试验,探究纤维的加入对地聚物再生骨料混凝土收缩性能影响,结果表明:自收缩改善最好的是单掺1%的钢纤维组,混掺1%钢纤维和0.1%的玄武岩纤维组次之;改善干燥收缩效果最优的是混掺1%的钢纤维和0.1%的聚丙烯纤维组。收缩预测模型GL2000上考虑纤维参数影响,依照干燥和自收缩测试结果,通过对试验结果的拟合分析,提出了纤维地聚物再生混凝土收缩应变预测模型,拟合效果较好。

关键词： 偏高岭土地聚物混凝土   氢氧化钙   力学与耐久   硫酸盐干湿循环   能量演化  

摘要： 在碳达峰碳中和背景下,地质聚合物作为一种先进绿色低碳建筑材料,储藏着不可估量的发展潜力。以地质聚合物为胶凝材料的地聚物混凝土具有卓越的力学性能、耐久性和耐腐蚀性,是当下低碳建筑材料中的热点话题。然而地聚物混凝土在水利工程中的实际应用近乎为零,因此通过模拟现实环境开展地聚物混凝土的基础研究和室内研究显得尤为重要。本文研究了标准养护下和硫酸盐干湿循环后偏高岭土地聚物混凝土(MGPC)的常规力学性能和腐蚀耐久性能,以及单轴压缩过程中的能量演化机制。本研究的主要目的是确定氢氧化钙掺量对标准养护下MGPC的强度特性、细观损伤和微观层面的影响作用,分析氢氧化钙掺量和硫酸盐干湿循环次数对MGPC外观、质量、动弹性模量和抗压强度等耐久性指标的影响方式以及氢氧化钙掺量和硫酸盐干湿循环次数对单轴压缩过程中MGPC的能量演化、能量特征和破坏模式的影响机理。本文的主要研究内容如下: (1)通过改变偏高岭土地聚物混凝土中的Ca(OH)2掺量,研究了不同养护龄期下MGPC的抗压强度和劈裂抗拉强度,并建立了考虑Ca(OH)2掺量和养护龄期的抗压强度预测模型;对28d龄期的立方体和圆柱体试件分别开展了单轴压缩同步声发射监测和核磁共振氢谱测试,以及破碎试块的热重差热分析。结果表明:MGPC的强度随Ca(OH)2掺量的增加而呈现出先增加后降低的变化规律,转折点为氢氧化钙掺量为6%时;较高的钙含量可以加速地质聚合物体系的反应速率,使地聚物混凝土展示出较高的早期强度。声发射监测说明地聚物混凝土的应力水平越高,声发射信号的强度和密度越高,并且AE计数峰值总是滞后于应力峰值。Ca(OH)2掺量越大,地质聚合物的质量损失越大,发生峰值失重所需的破坏温度更高;Ca(OH)2掺量的增加细化了地聚物混凝土的孔隙结构,使内部结构更加致密。 (2)对达到56天龄期的偏高岭土地聚物混凝土开展了硫酸盐干湿循环试验,以外观、质量、动弹性模量和抗压强度作为耐久性指标,分析了Ca(OH)2掺量和干湿循环次数对MGPC耐久性的影响方式。结果表明:MGPC在遭受硫酸盐干湿循环侵蚀后,试件的表面附着了大量白色沉淀物,其成分为析出晶体和反应产物,在后期由于膨胀应力的累积,试件出现了微裂纹、裂缝和孔隙,以及混凝土剥落现象。在侵蚀过程中试件的质量和动弹性模量都呈现出了先增大后减小的变化过程。试验前期,少量析出晶体和反应产物填充了试件孔隙,增加了试件的密实度,增加了质量和动弹性模量。试验后期,反应产物引起的损伤应力不断积累,导致试件孔隙增多、裂缝扩展和混凝土剥落,从而降低了质量和动弹性模量。S0-S6组试件抗压强度不断减小,S8组抗压强度先增大后减小,超过临界掺量后,额外的Ca(OH)2在干湿循环前期中的高温烘干环境中使未发生反应的活性偏高岭土与碱活化剂充分反应,导致强度先增大。借助熵权法建立了综合评价指标耐久性值,结果显示Ca(OH)2掺量越高,地聚物混凝土的耐久性能越好,并且可以用抗压强度耐蚀系数对耐久性能进行评价。 (3)借助能量法,分析了Ca(OH)2掺量和干湿循环次数对偏高岭土地聚物混凝土能量演化特征的影响机制。结果表明,MGPC的能量演化特征曲线可以主要分为4个阶段。Ca(OH)2掺量的增加使试件具备更好的弹性变形,增加试件内部储存的能量,提高试件抵抗受压时变形破坏的能力;并且Ca(OH)2掺量较高的试件破坏较为严重,整体架构失效,发生断裂破坏,碎块脱落,贯穿性裂缝布满试件表面和内部。Ca(OH)2对MGPC在单轴压缩变形破坏时的吸能和储能具有一定的强化作用,弱化了受压过程中的能量消耗。地聚物混凝土在硫酸盐干湿循环后,其吸能水平和储能极限均出现了严重下滑现象,能量消耗占比更大。侵蚀次数越多试件所受的物理化学损伤愈发严重,在压缩过程中,试件从外界吸收的总能量向耗散能转化的转化率更高,在峰前变形过程中发生的塑性变形活动更多,消耗的能量越多。当侵蚀次数较多时,试件破坏时显示出局部剪切和局部张拉混合破坏特性。

关键词： 土力学   基坑降水   总应力变化   土体参数变化   耦合模型   地面沉降  

摘要： 为研究总应力及土体参数变化条件下基坑降水诱发地面沉降的变化机理及计算方法，以西霞院输水及灌区工程渠首倒虹吸段基坑工程为例，构建研究区地下水渗流三维数值模型。采用理论推导与实例分析相结合的方法，对基坑降水过程中的应力、参数及沉降变化进行分析对比，提出考虑总应力及土体参数变化的渗流–沉降耦合模型计算公式及方法，并对不同理论模型下地面沉降的计算结果进行对比分析。结果表明，建立的总应力与土体参数变化的渗流–地面沉降耦合模型沉降计算值最小且与实测值的拟合效果最好，可以合理解释以往研究中沉降计算值都明显大于实测值的现象，更加符合实际沉降过程。研究成果可为类似工程开展地面沉降预测提供参考和指导，具有重要的现实意义。

关键词： 钢纤维混凝土   力学性能试验   数值模拟   多元线性回归分析   BP神经网络  

摘要： 钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete,SFRC)是一种由钢纤维,水泥,粗细骨料和水等材料混合而成的改良型混凝土,钢纤维通常以短而细的形式均匀分散在混凝土中,形成一个纤维网络,其相较于普通混凝土具有更好的抗拉、抗折、抗裂性能,也具有更好的抗冲击性能和耐久性。前人已对SFRC的力学性能做了一系列探索,继续深入研究钢纤维混凝土的力学性能对提高建筑结构的安全性具有重要意义,可节约维护成本并推动建筑行业的可持续发展。本文通过力学性能试验、有限元数值模拟等方法深入研究钢纤维掺量、长径比等因素对SFRC抗压、抗拉、抗折性能的影响,其主要研究内容如下。 (1)本文以C40混凝土作为基体,掺入镀铜平直钢纤维。设计制作了5种纤维掺量(0%,0.4%,0.8%,1.2%,1.6%)和三种纤维长径比(40,60,80),共计13种不同配合比的钢纤维混凝土试块。 (2)本文一共设计39组,117个试块;其中26组(78个)标准立方体试件用来测定SFRC的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度;另外13组(39个)非标准试块用来测定SFRC的抗折强度。研究钢纤维掺量、长径比等因素对混凝土力学性能和破坏形态的影响。试验结果表明,与素混凝土相比SFRC的破坏形态主要呈现延性、塑性破坏。抗压试验中,选用1.2%掺量,80长径比的情况下抗压强度最高,与素混凝土相比提升了13.6%;抗拉试验中,选用1.2%掺量,60长径比的情况下抗拉强度最高,与素混凝土相比提升了54.46%;抗折试验中,选用1.6%掺量,60长径比的情况下抗折强度最高,与素混凝土相比提升了66.06%。 (3)利用python脚本在ABAQUS中建立一种钢纤维均匀分布在混凝土基体中的力学模型,选择相应的钢纤维与混凝土本构模型。根据试验数据先后建立不同纤维参数下的SFRC抗压试验与抗折试验模型,分别得到其Mises应力云图、塑性损伤云图、应力-应变曲线(抗压)和荷载-挠度曲线(抗折),数值模拟结果与试验结果的规律吻合,验证了模拟的可靠性。随后分别模拟混凝土基体强度、钢材材质对SFRC抗压和抗折性能的影响,模拟结果表明钢纤维的加入对中等强度混凝土提升效果最好,而且随着钢纤维型号的提升,钢纤维混凝土的抗压与抗折强度也随之提升。 (4)分别使用多元线性回归分析和BP神经网络两种方法,研究钢纤维掺量、长径比、砂率、粗细骨料含量等多因素对混凝土力学性能的影响。通过多元线性回归分析,使用SPSS软件对SFRC的抗压、抗折、抗拉性能进行分析,最终得出其线性回归方程。接着运用MATLAB软件建立了一个拓朴结构为5-10-1的BP神经网络,研究SFRC的力学性能与各项参数的非线性关系,预测结果的相关性系数皆接近1并且大于多元线性回归分析,预测结果与试验结果的误差率除个别点皆在5%以下,说明BP神经网络在大量数据下对SFRC力学性能的预测效果更好,但对于小样本问题,神经网络容易过拟合,需要足够大的数据集来进行训练。