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ISBN: (纸本)9787568089005

关键词： 玻璃纤维   页岩陶粒混凝土   基本力学性能   受弯性能  

摘要： 轻骨料混凝土的性能优势满足了混凝土轻质高强、多功能的发展要求,但由于轻骨料混凝土弹性模量较小,对刚度与强度有不利影响,限制了其在承重结构中的应用。所以应加强对轻骨料混凝土构件力学性能的研究,为其在实际工程中的推广提供试验依据。本文以粉煤灰、硅灰、玻璃纤维为试验因素,通过正交试验探究各试验因素对玻璃纤维页岩陶粒混凝土基本力学性能的影响规律,并得出最优水平组合。开展最优水平组合下试验梁正截面受弯力学性能测试,分析试验梁的破坏机理与受弯性能。主要研究内容与结论如下:(1)设计了3因素3水平的9组正交试验,探究粉煤灰取代率(15%、20%、25%)、硅灰取代率(5%、7%、10%)、玻璃纤维掺量(0.4%、0.6%、0.8%)对玻璃纤维页岩陶粒混凝土基本力学性能的影响,并通过极差分析确定最优水平组合为粉煤灰取代率15%、硅灰取代率10%、玻璃纤维掺量0.6%。(2)玻璃纤维页岩陶粒混凝土梁与页岩陶粒混凝土梁跨中混凝土应变均符合平截面假定,且所有试验梁的受弯破坏形态类似,具体可以分为开裂前的弹性工作阶段、带裂缝工作阶段以及极限破坏阶段。(3)玻璃纤维的掺入可以抑制页岩陶粒混凝土梁的裂缝发展,相同荷载等级下,玻璃纤维页岩陶粒混凝土梁的最大裂缝宽度小于页岩陶粒混凝土梁;在正常使用极限状态下,试验梁的最大裂缝宽度均小于0.3mm,满足规范要求。(4)玻璃纤维的掺入使页岩陶粒混凝土梁抗弯性能得到了改善,缩小了与普通混凝土梁变形性能的差距。(5)粉煤灰、硅灰与玻璃纤维的掺入,提高了玻璃纤维页岩陶粒混凝土梁的正截面承载力,与普通页岩陶粒混凝土梁相比,其开裂荷载提高21.8%、极限荷载提高了10.6%。分析试验值与计算值之间的差异,可以确定参照现行规范进行玻璃纤维页岩陶粒混凝土梁与页岩陶粒混凝土梁的正截面承载力设计是安全可行的。

关键词： 土力学   光滑粒子流体动力学法   固–液两相流   水土耦合   大变形   数值模拟  

摘要： 在泥石流、雪崩等自然灾害中，固–液两相流普遍存在。针对固–液两相之间复杂的相互作用机制和现有数值计算方法的不足，通过结合土体本构方程，建立两层两相光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法，在连续介质理论框架下运用统一的控制方程实现水土两相耦合模拟。通过空气中饱和土体垮塌数值算例近似真实的泥石流事件，借此验证所建立的数值方法在计算流体、土体以及土水耦合相互作用问题时的精度及可靠性，在此基础上，对流体黏度、土体有效粒径和初始孔隙率等参数进行敏感分析，并对比土–水耦合中不同的渗流模型的影响。结果表明：两层两相光滑粒子流体动力学法用于模拟土水耦合大变形问题是合理有效的；环境流体及土体的参数对结果有重要影响；粒子雷诺数较大时，渗流模型对于正确模拟固–液两相之间的相互作用和捕捉固相和液相之间的界面至关重要。该工作对于充分理解泥石流中的固–液相互作用机制及防灾减灾工程具有一定的参考意义。

关键词： 低真空   温度   混凝土   力学性能   微结构   预测模型  

摘要： 真空管道超高速列车是利用“磁悬浮+低真空管道”技术,实现列车在低机械摩擦、低空气阻力、低噪音模式下超高速行驶的新型轨道交通技术。在列车运行过程中,管道基础设施不仅要承受极低气压的影响,还要受到因电磁感应产生的高温作用。而混凝土材料作为超高速列车低真空管道基础设施的重要组成部分,其在低真空高温环境下的力学性能稳定性对超高速列车的安全运行至关重要。因此,研究低真空高温环境下混凝土力学性能演变规律及机理将为混凝土材料在超高速列车低真空管道基础设施的应用提供技术支撑和理论基础,这对于推动超高速列车的发展具有重要意义。本研究以水泥净浆、砂浆和混凝土为对象,通过环境模拟暴露试验明确了低真空高温环境下混凝土抗压强度、抗折强度、抗冲击等力学性能的时空演变规律;同时借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞法(MIP)和X射线断层扫描(X-CT)等检测技术探明了低真空高温环境下基体的物相组成、微观形貌和多尺度孔结构的演变特征,建立了混凝土微结构特征和宏观力学性能之间的相关性,揭示了该环境下混凝土力学性能的演变机理。最后,建立了马尔科夫灰色残差模型,实现了对低真空环境下混凝土相对动弹性模量的预测。研究得到的主要结论如下:(1)与普通大气环境相比,低真空暴露后不同龄期净浆试件的动弹性模量均相对较低;对于早龄期净浆试件,短期(28d)低真空暴露会显著迟缓其抗压强度和抗折强度的提升,且随着暴露时间的增加,低真空环境会造成试件抗折强度的劣化;对于成熟净浆试件,短期低真空暴露会促进其抗压强度的提升,但长期低真空暴露对强度的维持和发展是不利的。(2)与普通大气环境相比,低真空暴露后砂浆试件的动弹性模量相对较低,而且低真空暴露1～3月后试件的强度相对较高,而暴露4～6月后试件的强度相对较低;砂浆的力学性能与暴露深度呈正相关关系,而与暴露气压呈负相关关系;短期(6个月)暴露过程中高温作用会导致砂浆的力学性能产生不同程度的提升。(3)低真空环境下混凝土的强度整体上随暴露时间的增加而提高,但与普通大气环境相比,短期(1个月)低真空暴露会促进混凝土抗压强度的提升(与暴露气压负相关),而长期低真空暴露则会限制混凝土强度的发展;低真空环境下混凝土的强度与暴露深度和养护龄期呈正相关关系,但与水灰比呈负相关关系;低真空环境下长期(12个月)高温作用会限制混凝土强度的发展。(4)低真空暴露后的试件在抗折试验中表现出了更为明显的脆性破坏;而且在冲击荷载作用下,低真空暴露后试件的破碎程度明显高于暴露前和普通大气环境中的试件,且低真空环境下的试件具有最小的动态抗压强度和韧性性能。(5)低真空环境基本不会改变硬化水泥浆体的物相种类,但高温作用会导致基体中Aft分解;低真空暴露后基体中主要水化产物(C-S-H凝胶、Aft、方解石等)的总量与混凝土的强度发展规律之间具有较高的相关性;基于ITZ微观形貌和多尺度孔结构特征也可以合理解释低真空高温环境下混凝土力学性能的时空发展规律。(6)通过马尔科夫灰色残差GM(1,1)模型实现了低真空环境下混凝土相对动弹性模量的预测。经过验证,该模型具有较高精度(平均误差为2.6439%),而且寿命预测结果显示,与普通大气环境相比,低真空环境下混凝土达到寿命极限的时间会缩短5.7%。

关键词： 土力学   渗透注浆   扩散半径   堆积颗粒   多尺度分析   预测模型  

摘要： 为精准预测渗透注浆在粗粒土中的扩散半径，基于堆积颗粒的几何特征，提出微尺度颗粒几何特征识别与中尺度注浆通道重建算法，并结合大尺度注浆扩散模型，构建多尺度渗透注浆扩散半径预测模型。首先，基于粗粒土CT断面图像，采用颗粒几何特征识别算法(GIM)识别颗粒的椭圆度、粗糙度、长轴倾角以及粒径参数；而后依据这些识别参数，结合孔隙率和级配，通过中尺度注浆通道重建算法(GRM)建立渗流通道模型；基于该模型，联合运用多场耦合有限元(FEM)与蒙特卡洛法(MC)，获得具有统计意义的中尺度渗透注浆模型；通过渗流速度将中尺度渗透注浆模型与大尺度注浆扩散模型耦合，建立多尺度渗透注浆扩散半径预测模型。通过与试验结果对比，验证预测模型的合理性(误差小于10%)。最后，采用该模型系统研究椭圆度、粗糙度、粒径、孔隙率、长轴倾角、流性指数和浆液平均黏度对注浆扩散半径的影响，大小关系为：粒径>浆液黏度>长轴倾角>流性指数>孔隙率>椭圆度>粗糙度，对应的皮尔逊相关系数依次为0.5,-0.374,-0.238,-0.188,0.161,-0.036,-0.019；通过对浆液扩散过程分析，发现堆积颗粒几何特性对浆液扩散的影响机制主要包括“孔喉约束”、“惯性阻力”、“通道宽度”以及“流固界面”效应。

关键词： 土力学   饱和土   大变形   热固结   非线性   数值模型  

摘要： 基于分段线性有限差分法，建立饱和土层一维大变形非线性热固结模型TCS2。该模型将土层热传导与固结变形相耦合，可以考虑土体自重、大应变、非线性压缩性和渗透性关系、温度效应和固结变形影响下土性参数的非线性变化。采用Fortran编写计算程序，并对该模型进行验证。小变形情况下，TCS2数值解与基于小变形假设的热固结解析解一致；大变形非线性条件下，TCS2数值解与室内试验实测值基本吻合。结合算例分析，进一步探讨土体自重、应变大小和应力路径对饱和土层热固结的影响，忽略土体自重、固结变形，以及简化的压缩性和渗透性关系，对土层热固结分析会产生较大误差。

关键词： 碱激发超高性能混凝土   力学性能   高温   微观结构   应力-应变关系  

摘要： 碱激发超高性能混凝土(UHPGC)是一种绿色的超高性能混凝土。它结合了超高性能混凝土良好的力学性能和碱激发胶凝材料的低成本、可持续性,实现了混凝土的生态化。因此,在国内外工程材料领域,这种新型材料已成为研究的热点。但目前对其研究主要集中在常温力学性能和高温后残余力学性能上,而其高温下的抗火性能却很少有人涉及。本文对UHPGC高温下不同钢纤维掺量UHPGC立方体抗压性能及单轴应力-应变关系试验进行研究,主要工作和具体成果如下: (1)分析水玻璃模数、减水剂掺量、水胶比、钢纤维掺量和养护制度在常温下对UHPGC工作性能和力学性能的影响。结果表明:UHPGC流动度随水玻璃模数、减水剂掺量和水胶比的增加而增加,随钢纤维掺量的增加而减小;UHPGC立方体的抗压强度随水玻璃模数和水胶比的增加先增大后减少,随钢纤维掺量增加而增大,减水剂对其抗压强度影响较小;凝结时间随水玻璃模数增加而增加,同样减水剂对其凝结时间也几乎没有影响;在蒸养下试件抗压强度均比标养高,而蒸养1d、2d试件最高强度相差不大,蒸养3d抗压强度会出现回缩。综合考虑分析,确定配合比水玻璃模数为1.5,减水剂掺量为1.5%,水胶比为0.32,养护方式为先蒸汽养护两天,再常温养护7天。 (2)通过对高温后UHPGC试件的试验研究,可以发现不同钢纤维掺量试件的外观特征和质量损失变化规律相同。随着温度的升高,试件表面颜色由青灰色逐渐转变为黄白色、黄灰色、黑灰色,并且在400℃时开始出现细微的裂纹,600℃时裂纹数量略有增加,800℃时裂纹数量增多且更为明显。此外,随着温度的升高,试件的质量损失逐渐增大,200～400℃范围内的质量损失最快。 (3)对高温下UHPGC进行强度试验,得到高温下UHPGC立方体抗压强度和轴心抗压强度。结果表明:钢纤维的掺入可有效提高高温下UHPGC力学强度,400℃以下时,立方体抗压强度随钢纤维掺量增加而增大;600℃时,随钢纤维掺量增加先增大后减小。轴心抗压强度随温度增加而降低。通过回归分析,拟合出掺钢纤维UHPGC立方体和棱柱体相对抗压强度随温度变化的计算公式,拟合曲线与试验数据相关度较高。 (4)实测了不同高温下钢纤维UHPGC的应力-应变关系曲线,并分析了不同温度对UHPGC轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变和韧性等力学指标的影响。结果表明,在高温条件下,掺钢纤维UHPGC受压应力-应变曲线逐渐变得平坦,轴心抗压强度、弹性模量和韧性也随温度的升高而降低,但峰值应变则随温度的增加而增大。通过进行回归分析,建立了高温下轴心抗压强度、弹性模量与峰值应变的变化计算公式。对高温下钢纤维UHPGC单轴受压应力-应变曲线的上升段和下降段进行拟合,并通过计算推导,确定方程中相应参数值,由此得到的拟合曲线与试验数据基本一致。 (5)通过扫描电子显微镜进行试验研究,观察UHPGC微观结构形貌和裂缝在不同温度时的变化规律。结果表明:200℃,UHPGC水化程度加剧,其微观结构得到改善;400～600℃,C-S-H凝胶部分脱水,形态由连续块状变为颗粒状,基体与骨料间隙加大;800℃,C-S-H凝胶受热分解消失,基体间基本丧失连接性能。

关键词： 竖井   钢纤维混凝土   力学特性   破坏模式   综合评价   相似模拟试验   钻孔卸压  

摘要： 云南某矿山深部竖井支护期间出现衬砌剥落,钢筋裸露等难题,通过开展深部竖井钢纤维混凝土衬砌支护结构力学特性试验研究来优化钢纤维混凝土衬砌支护方案,探究竖井卸压支护结构,确保深部矿山安全高效生产。本文依据现场工况,设计了三种水泥标号,24种钢纤维掺量配方,自制混凝土试样开展劈裂拉伸、四点弯曲、动态冲击等动静态试验,借助数字图像相关技术、声发射、应变仪等装置记录并分析了不同钢纤维混凝土配方的力学性质和破坏模式,并对钢纤维混凝土配方进行综合评价及优选。进一步在相似条件下,自制相似材料探究不同卸压支护方式对竖井井壁的控制效果并运用数值模拟进行验证。本文主要内容以及结论性成果如下: （1）在钢纤维混凝土试样动、静态试验中,钢纤维的加入对混凝土的单轴抗压强度提升较小;三掺钢纤维混凝土配方（长纤维掺量40kg/m3,中长纤维掺量5kg/m3,短纤维掺量10kg/m3）对混凝土劈裂抗拉强度提升效果最佳;四点弯曲试验中钢纤维的加入对混凝土试样强度提升范围为10.3%～39.7%,三掺钢纤维配方对试样韧性提升效果最佳(韧性指数I5提升了5.5%～17.4%,I10提升了6.7%～10.9%)。相同水泥标号和气压下的动态试验中,损伤程度最高的为素混凝土试样,损伤程度最低的为三掺钢纤维混凝土试样（T11）。 （2）在对试验中数字图像相关技术监测图像进行处理和分析后,发现随着钢纤维种类的增加,试样到达峰值荷载时表面衍生裂纹数量和剥落量明显减少,混凝土内部固结后形成金属网结构的孔隙度不断降低,试样表面完整性得到有效控制,试样到达峰值荷载时最大主应变降低,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力（起裂应力与峰值应力比值）逐渐降低,三掺钢纤维配方相对起裂应力最低(71%Fmax),平均裂纹扩展速度最慢。添加钢纤维后试样断面粗糙不平整;试样表面裂纹多以树枝状或网状衍生,且伴随多条裂纹同时发育扩张。 （3）对不同钢纤维配方试样的试验结果进行综合评价与回归预测,利用评价模型计算10种SFRC支护方案的相对贴合度分别为:42.11%,50.44%,49.17%,51.32%,47.12%,44.28%,53.74%,50.64%,57.08%,48.55%,最终优选出支护方案T2-30（长纤维掺量40kg/m3,中长纤维掺量5kg/m3,短纤维掺量10kg/m3）SFRC衬砌支护配方作为矿山深部竖井井壁最佳支护方案。将优选支护方案应用于矿山现场,优选后的衬砌支护方式对竖井井壁完整性与井筒稳定性控制效果明显优于先前的单掺钢纤维混凝土支护方案。并运用随机森林模型对钢纤维混凝土强度进行预测,预测结果较精确,可为现场工程中混凝土配方强度预测提供参考。 （4）对于不同卸压支护方式下真三轴相似试验,得出试样加载至破坏过程可分为压密、弹性、塑性变形、破坏四个阶段,试样加载至破坏时,实验组中峰值强度最大的是钻孔卸压支护,且试验机加载至地应力水平时,实验组的竖井试样井壁剥落量少,钻孔卸压支护方式下位移量最低（1.68mm）,对竖井井壁变形控制效果最佳。不同支护方式下井壁破碎程度排序:钻孔卸压A<钻孔卸压B<开槽卸压A<椭圆填充A<开槽卸压B<椭圆填充B<对照组。 （5）根据数值模拟结果可知,试样进行卸压后井壁周围应力均有不同程度的转移,井壁围岩应力排序:钻孔卸压<开槽卸压<椭圆填充<对照组,针对试样表面塑性区对比,钻孔卸压方式下井壁围岩塑性变形最低。最小主应力方向施加低频动载对竖井井壁强度整体起到增益效果,增益范围为13.45%～20.56%,在最大主应力方向施加低频动载时,动载扮演着促进裂纹萌生扩展的角色,造成竖井内部损伤,降低了竖井试样的峰值荷载。最后对相似实验进行验证,将相似竖井变形转化为实际变形量为0.184～0.346m,相对变形为3.36%～6.29%,符合现场工况,理论上真实有效。

关键词： 火山土   物理力学性质   界面剪切试验   室内模型试验   桩-土力学参数  

摘要： 随着当今社会和经济的高质量发展,大量基础设施建设方兴未艾。完善东北地区铁路网结构是十四五规划中的重点任务。新建的沈白高速铁路穿越长白山火山土堆积区域,将不可避免把火山土作为重大工程的地基。由于火山土具有特殊的物质组成和结构特征,其力学性质与其他类土不同,同时当前对火山土的工程地质性质缺乏足够的研究,因此火山土地基承载力及桩-土力学参数的确定缺少依据。在总结已有研究成果的基础上,本文选取长白山火山堆积层地区的火山土为研究对象,开展火山土的物理力学试验、火山土-混凝土界面剪切试验、室内小尺度桩基模型试验,结合有限差分数值模拟方法,对火山土地层中桩-土作用参数进行了研究,并分析了桩径与桩周土体扰动范围的关系。主要研究工作及成果如下:(1)采用颗粒分析试验得到颗粒级配曲线、不均匀系数及曲率系数,并判断土的级配状态;采取击实试验,确定试验土的最优含水率和最大干密度,为试样的制备提供依据。(2)通过进行火山土大型直剪试验,获得了在最优含水率下剪切强度随剪切位移的变化表现出应变软化的特征。试验表明,随着压实度的增大,火山土的粘聚力增大了26.96%,内摩擦角增大了7.35%。(3)通过改进的试验方法进行了火山土-混凝土界面剪切试验。同时根据各组试验的最大剪切应力-法向应力拟合曲线得到了剪切界面的抗剪强度参数。试验表明:界面剪切过程主要分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段;混凝土养护龄期的增长主要通过增大界面摩擦角来增大界面剪切强度。其中不同压实度下的摩擦角增长幅度为15.1%～52.8%。火山土压实度增大将引起摩擦角及粘聚力不同程度的提高,其中对粘聚力的影响更为显著。(4)通过室内单桩静载荷模型试验获得了荷载沉降曲线。结果表明,桩侧摩阻力在较小位移下即充分发挥,并主要承担桩顶总荷载。随后桩端阻力逐渐增大来承担桩顶总荷载。(5)明确了桩径、桩长和火山土压实度对单桩极限承载力、端阻力荷载分担比以及桩侧摩阻力均有一定影响。扩大桩径将使得单桩极限承载力和端阻力荷载分担比呈现增大的趋势。在火山土压实度较大时,扩大桩径对单桩极限承载力的增大较为明显,增长幅度为9.88%;桩长的增大使得不同试验组的单桩极限承载力的增加幅度为8.23%、6.37%,端阻力荷载分担比分别减小了20.77%和11.02%。故而桩长对端阻力荷载分担比的影响较桩径更为显著;增大火山土压实度同样将增大极限承载力、减小端阻力荷载分担比。随着桩径、桩长以及火山土压实度的增大,桩侧摩阻力也随之增大。其中桩长对桩侧摩阻力的影响最大,而桩径对其影响最小。(6)利用有限差分软件进行数值模拟并与室内模型试验结果进行对比,验证了室内模型尺寸设置的合理性。分析了桩径对桩周土体扰动范围的影响。结果表明,桩径的增大将引起桩周土体扰动范围的扩大。提出的二次多项式及对数模型能够较好地反映桩周土体扰动范围随桩径的变化规律。