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关键词： 碳纤维   纳米偏高岭土   再生混凝土   性能研究   微观结构  

摘要： 在旧建筑拆除过程中会产生不可估量的建筑垃圾,如废弃混凝土等。研究表明,再生混凝土(RAC)技术是解决废弃混凝土问题最行之有效的手段之一,但再生骨料(RA)各项性能较差,未达到工程应用标准,需对其进行改性。纳米偏高岭土(NMK)性能优异且价格低廉,用于改性RAC具有较好的改善效果。然而经过NMK改性后的RAC抗拉及抗折强度依然处于较低水平。为了克服上述问题,本文选用碳纤维(CF)增强NMK再生混凝土,并且为了更好的激发CF及NMK的增强效果,亟需寻求一种能同时分散CF和NMK的分散剂。因此,本文基于最优分散剂,选用CF增强NMK再生混凝土,对其力学及耐久性能进行试验研究,结合压汞法(MIP)、氮吸附法、扫描电镜法(SEM)分析CF对NMK再生混凝土的影响规律及作用机理,主要研究成果如下:(1)研究不同表面活性剂对CF和NMK分散效果,采用表面张力法初步分析表面活性剂对CF和NMK悬浊液的分散效果,后采用抗压试验进一步佐证表面活性剂的分散效果。结果表明:质量分数为1%的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对CF及NMK分散效果最佳。(2)基于最佳分散剂SDBS,以NMK掺量、CF掺量,RA取代率,CF长度作为影响因素,设计正交试验,研究不同因素与RAC抗压强度、劈裂抗拉强度及拉压比的影响关系。结果表明:影响RAC抗压强度的显著影响因素为RA取代率和NMK掺量,且RA取代率的影响效果比NMK掺量更为显著,影响劈裂抗拉强度和拉压比的显著影响因素为CF掺量。(3)基于正交试验结论,选取显著影响因素NMK掺量和CF掺量作为变量进行RAC抗折强度试验,探究其对RAC抗折强度的影响规律。结果表明:CF的掺入对RAC抗折强度具有明显的增强效果,但在不同NMK掺量下,CF的最佳掺量有所不同;在相同CF掺量下,随NMK掺量的增加,RAC抗折强度呈现先增大后降低的趋势。当NMK掺量为10%,CF掺量为0.15%时,RAC抗折强度达到最大值,此时强度较普通RAC增幅59.1%。(4)以显著影响因素NMK掺量和CF掺量作为变量进行RAC抗氯离子渗透和抗冻融循环试验,以此来评估二者对RAC耐久性能的影响。结果表明:适量的CF和适量的NMK均能够增强RAC的抗氯离子渗透性能,且同时掺入时增强效果更佳。当NMK掺量为10%、CF掺量为0.15%时,RAC抗氯离子渗透性能最强,此时抗氯离子迁移系数较普通RAC降低29.6%。同时掺入CF和NMK后,RAC质量损失率及相对动弹性模量试验结果较两种材料单独掺入时更优,此时RAC抗冻融循环性能最强。因此,同时掺入CF和NMK对RAC耐久性能的增强效果比两种材料单独掺入时更为显著。(5)选用MIP、氮吸附法和SEM法共同分析得出CF对NMK再生混凝土的作用机理。结果表明:CF的掺入致使RAC内部孔隙增多,但NMK的掺入填充了部分增多的孔隙,使得孔隙率增大的幅度较小。CF具有的分隔及阻裂效应,细化了RAC的孔隙结构,并且乱向分布的CF不仅起到传递应力及承载作用,也使得裂缝扩展路径更加复杂,改善RAC的延性。同时掺入CF和NMK后,由于NMK较好的填充及火山灰效应,消除CF掺入对RAC抗压强度造成的不利影响,增强界面过渡区强度,使得CF与基体粘结更加紧密,更能发挥其作用,两种材料相互补充,共同增强RAC的力学及耐久性能。

关键词： 红黏土   路基模型试验   有限元分析   土水特征曲线   三轴试验  

摘要： 路基是路面结构的基础,工作性能优良的路基能为路面结构长期承受行车荷载提供重要的支撑。路基在服役期间的初期,通常具备足够的强度和抵抗变形的能力,但是,受气候环境影响,路基湿度逐渐增大,使得路基模量逐渐降低,进而导致路基工作性能的劣化,其抵抗变形的能力难以达到设计初期的预期目标,从而可能引发路面结构病害,导致道路服务水平下降。因此,对湿度作用下的路基结构变形行为开展系统性研究,具有重要的理论意义和工程价值。红黏土广泛分布于我国的南方地区,具有承载力高、抗剪能力强和压缩性低等优良的力学特性,常被用作天然的路基填料。但是红黏土是一种水敏性强的特殊土,由于遇水软化、失水开裂等不良工程性质的影响,红黏土路基存在很大的工程隐患。为此,本文结合国家自然科学基金项目“行车荷载与湿度变化作用下路基结构动回弹模量计算方法及演变机理”(项目编号:51908562),以“G5513益阳至常德高速公路扩容工程”的红黏土路基填料为研究对象,采用室内试验、模型测试和数值分析等手段,对红黏土的基本物理力学性质、持水能力、变形特性、及其结构变形等问题开展了系统的研究,主要工作如下:(1)采用室内试验手段,对红黏土试样的矿物成分、土性参数和击实特性开展了研究。试验结果表明:由X-ray衍射测试结果可知,土样的主要矿物成分为云母,其次为石英和高岭土等次生黏土矿物,具有较强的亲水性;根据颗粒筛分和液塑限试验可知,测试土样为高液限黏土;通过重型击实试验,确定土样的最佳含水率和最大干密度分别为20.2%和1.74g/cm3。(2)通过滤纸法,对不同压实度情况下红黏土的土水特征曲线开展了试验研究,并比较分析了不同数学模型的预估精度。试验结果表明:不同的压实度对测试土样的持水特性有明显影响,当含水率相同时,压实度越大,基质吸力越小;由数学模型预测结果可知,如果土样具有较高的压实度,则其内部土体的孔隙较少,导致测试土样的饱和含水率较低,持水能力较强;通过比较预估结果可知,VG-3参数模型和Fredlund&Xing模型能够较好地描述不同压实条件下红黏土的土水特征曲线,为后续的路基结构湿度场计算提供了理论依据。(3)通过三轴试验,研究了不同湿度和压实度条件下红黏土的应力-应变行为,并根据测试曲线,分析了土样初始弹性模量的变化规律。测试结果表明:随着围压的增大,测试曲线的最大偏应力逐渐增大,土样的剪切破坏模式从“脆性破坏”转变成“塑性破坏”;随着含水率的增加,土样的剪切强度发生了“软化”现象,破坏偏应力逐渐减小;本研究提出了初始弹性模量的指数型预估模型,该模型能够较好的反映湿度和围压对弹性模量的影响。(4)基于上述红黏土的持水和变形特性,本文设计了能够反映湿度影响的路基结构模型试验,并利用PFWD测试,研究了不同结构层厚度和湿度条件下路基结构变形行为变化规律。研究结果表明:随着土层厚度的增加,路基结构的顶面回弹弯沉逐渐增大;由湿度计实测结果可知,在模型顶部注水后,经过渗透过程且水分达到稳定后,模型内的土体湿度沿着深度方向逐渐增大,能够反映路基结构的湿度变化;在荷载作用下,路基结构内部各点的应力发生不同程度的响应,随着深度的增加,应力的变化幅值越小。(5)为了进一步表征路基结构的变形行为,本文建立了考虑湿度状态的路基结构有限元模型,并与室内模型试验进行对比验证。研究结果表明:与室内模型的弯沉结果比较,数值计算结果有很好的相关性,且能够模拟路基湿度变化对路基变形的影响;与传统的线弹性模型比较,本文提出的数值计算方法能够描述路基内各点弹性模量的非均匀性,更符合实际情况;在后续计算中,应当引入不同气候环境下的湿度场变化情况,从而实现对服役期内路基结构的变形行为预测。

关键词： 土力学   液化场地   离心机振动台试验   土–结界面模型   有限元分析  

摘要： 当地下结构穿越液化土层，场地液化可能会对结构的动力响应产生影响。基于已开展的局部液化夹层场地地下结构离心机振动台模型试验，建立二维局部液化场地土–结构动力相互作用的有限元模型。计算模型考虑砂土液化后易产生剪切大变形的特点以及饱和两相介质与结构接触的非线性特性，通过与试验结果对比，验证数值模型的正确性，进一步分析土–结构接触非线性特性对结构地震响应的影响。研究结果表明：孔压的增长是由于地震作用的累积效应；近场砂土由于土结相互作用的存在超孔压比上升的更快，且由于土与结构变形不协调而更易消散；对于局部液化夹层场地，土结捆绑接触会放大结构的地震响应，随着地震动强度的增大，砂土层液化程度提高，场地非线性特性增强，土结刚度差异增大，土结界面采用捆绑接触所带来的误差越大，故应合理考虑土结界面接触非线性问题。

关键词： 岩土工程   膨胀土   剪切特性   速率效应   应变率参数   邓肯-张模型  

摘要： 本文以南阳地区原状超固结膨胀土为研究对象,利用GDS三轴试验系统,开展了三种不同方法下其力学特性的应变速率效应研究,包括等压固结-恒定速率剪切、等压固结-变速率剪切、K_o固结-变速率剪切三轴试验。考虑了应变速率对南阳原状膨胀土不排水抗剪强度的影响,详细研究了其不排水抗剪强度在应力-应变关系、孔隙水压力-应变关系、有效应力路径、强度应变速率参数等方面存在的差异。将三种不同方法下得到的试验结果结合邓肯-张模型进行拟合对比分析后,认为K_o固结-变速率剪切条件下得到的相关参数更加符合实际情况,建立了K0固结条件下膨胀土抗剪强度与应变速率和固结围压的理论表达式,并进行了验证,效果良好。该研究可用于指导膨胀土地区基础设施建设项目,主要研究成果如下:（1）等压固结-恒定速率剪切试样时,膨胀土应力-应变曲线均呈现应变硬化趋势,固结围压相同时,应力-应变曲线随应变速率的增大,整体上移;孔隙水压力在低围压下受应变速率影响较小,随着围压的增大,孔隙水压力-应变曲线由软化型转为硬化型,孔隙水压力峰值随应变速率的增大逐渐减小,而孔隙水压力峰值对应的应变则随应变速率的增大而增大;原状膨胀土不排水抗剪强度随应变速率增加而增大,通过引入应变速率参数,发现在试验范围内应变速率每增加10倍,不排水抗剪强度将增加14.3%～23.2%,平均值为18.4%。（2）等压固结-变速率剪切试样时,膨胀土应力-应变曲线均呈现应变硬化趋势,在较高围压和大应变速率条件下,应力-应变曲线的趋势线整体上移;孔隙水压力在低围压下的发展趋势随应变速率阶跃变化较为显著,在高围压下受应变速率阶跃变化影响较小;南阳原状膨胀土不排水抗剪强度随应变速率的增加而增大,通过引入应变速率参数,发现在试验范围内应变速率每增加10倍,不排水抗剪强度将增加5.9%～11.4%,平均值为8.7%。（3）K0固结-变速率剪切试样时,膨胀土应力-应变曲线虽也呈现应变硬化趋势,但与等压固结-恒定速率、等压固结-变速率剪切试样时得到的应力-应变曲线有所不同,其应力-应变曲线的初始点为负值而非零,在较高围压和大应变速率条件下,应力-应变曲线的趋势线呈上移趋势;随着应变速率阶跃变大,孔隙水压力的发展趋势由软化型向硬化型转变,高围压促成了这一趋势的发展。引入应变速率参数后,发现在试验范围内应变速率每增加10倍,不排水抗剪强度将增加4.3%～6.9%,平均值为5.6%。（4）应变速率对邓肯-张模型参数的影响:随着应变速率的增加,拟合参数a值和b值逐渐减小,拟合参数Ei值逐渐增大;K0固结-变速率剪切下所得的参数值与另外两种方法存在一定差异,为了得到与实际情况更为一致的参数值,应选用K0固结-变速率剪切方式获取膨胀土的抗剪强度及其参数值。在此方法的基础上,建立了K0固结条件下膨胀土抗剪强度与应变速率和固结围压的理论表达式,并进行了验证,效果良好。

摘要： ~~

关键词： 应力路径   平面应变   强度   变形  

摘要： 伴随着社会经济的不断发展,越来越多的关乎民生的大型项目工程奔涌而出,如高铁、高层建筑物、高速公路、城市地铁、住房楼宅等,在这些项目中会涉及到填土高填方路基、隧道开挖、基坑开挖支护、边坡支护等工程。这类工程可以看成平面应变状态下竖向加卸荷问题。研究表明,应力路径对土的应力-应变关系影响较大,不同的应力路径对土体变形强度差异明显。而在大多数情况下,土的参数及本构模型一般通过单一应力路径试验确定,并在实际工程中进行了设计和计算实践。这样就使项目设计依据偏离了实际土体参数,潜在的风险也不一样。因此,开展不同应力路径下的竖向加卸载试验具有重要意义。本文利用自行研制的平面应变仪开展了平面应变试验,研究了不同应力路径、不同固结应力和不同应力加载比,对应力-应变关系、侧向应变和偏应力的影响,得出了土体各项强度变形参数。根据试验结果,结合数值模拟,探索了路基沉降的影响因素。本文的研究内容及结论如下:1.对比研究了不同的应力路径试验下,粉土试样的变形与强度特性。研究表明:四种不同应力路径试验下,偏应力、侧向应变与竖向应变趋势一致。初始干密度对粉土应力-应变关系影响较大。在不同应力路径下,随着干密度的增大,竖向应变和侧向应变增大幅度减小,两者成负相关。初始含水量对应力-应变无显著影响。2.研究了固结应力对试样变形及强度的影响。不同的固结应力作用下,粉土偏应力应变曲线呈硬化型。曲线切线模量随固结应力增加而增大,剪切破坏时,偏应力随着固结应力的变大而增大。随固结应力增大,粉土偏应力不断增加,粉土竖向应变亦不断增大,但是变化幅度较小。当孔隙水压力达到一定程度后,土样会产生塑性流动而发生剪胀变形,极限竖向应变是逐步增加的。不同干密度的试样在加荷路径下的破坏主应力线相同。3.研究了加载比对试样变形的影响。在不同加载比（Δσ3/Δσ1）下,粉土的偏应力-应变曲线均为硬化曲线。随着加载比例的增加,应力应变曲线的斜率变大,试样破坏时的破坏偏应力变大。随着加载比例的增大,粉土在破坏过程中偏应力值变大,破坏后竖向应变变大。破坏偏应力（σ1-σ3）_f随加载比的增加呈线性增加,且不同干密度的曲线基本平行。4.通过数值模拟分析了影响路基沉降的因素。在填方路基中,路基沉降随填筑高度增大而线性增大;路基的坡高比对路基沉降的影响呈线性增加趋势,沉降变形的影响相对较小。在不同的填方材料中,聚苯乙烯泡沫塑料沉降变形最小。而对于同一种材料来说,压实度对于沉降变形有明显的影响,应该选择合适的压实度。

关键词： 地聚物再生混凝土   强化再生骨料   钢纤维   力学性能   井壁模  

摘要： 城市日益发展使自然界砂石资源逐渐减少,而利用建筑拆除回收处理后的建筑垃圾为原材料作为再生骨料,以此来代替天然骨料,不仅可以保护环境、节省有限的自然资源,还能实现建筑工程的可持续发展。然而与天然骨料相比,再生骨料较低的表观密度,较差的力学性能,以及高孔隙率和高吸水率,阻碍了再生混凝土在建筑工程中的广泛应用,而对再生骨料进行强化可以改善骨料的物理性能,从而提升再生混凝土的力学性能,使再生混凝土能更有效的应用于建筑行业中。并且采用地聚物材料代替水泥作为混凝土的原材料,可以增加工业废产物的利用,从而进一步保护环境。因此本文通过不同强化方法对再生骨料进行改性,研究改性后的再生骨料和钢纤维来对地聚物再生混凝土的力学性能和井壁力学性能的影响,为强化再生骨料与地聚物混凝土在构件中的应用提供一定的参考建议。 本文的主要内容如下: (1)开展了硅酸钠溶液、水泥浆液和地聚物浆液强化再生骨料物理性能的试验,研究了硅酸钠溶液浸泡浓度(0%、3%、5%和8%)和浸泡时间(0h、1h、3h和5h)、地聚物浆液的激发剂模数(1.2、1.5、1.8)和胶凝材料比例(矿渣、粉煤灰、硅粉比例,6:3:1、5:4:1和4:5:1)、水泥裹浆处理在水灰比(0.4、0.5、0.6、0.7)和减水剂掺量(0%、1%)对再生粗骨料压碎指标、吸水率和表观密度的影响,其中水泥和地聚物强化再生骨料的压碎指标提升效果较好,硅酸钠强化处理可以有效降低再生骨料的吸水率。并通过对比分析不同强化类型中的不同处理方式对再生粗骨料物理性能的改善程度,得到每种强化类型中最佳的再生骨料强化方式。 (2)开展了强化骨料-钢纤维地聚物再生混凝土的力学性能试验,试验通过得到的三种强化类型中最优的再生骨料强化方式制作地聚物再生混凝土,研究了再生粗骨料替代率(0%、30%、50%和100%)及其强化类型(硅酸钠溶液浸泡处理、水泥裹浆处理、地聚物浆液处理)和钢纤维掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%)对地聚物混凝土影响。研究发现水泥强化处理再生骨料以及1.5%的钢纤维掺量的地聚物再生混凝土力学性能最高,但各种强化类型的力学性能均随再生粗骨料取代率增加逐渐减小;同时进一步分析了强化骨料-钢纤维地聚物再生混凝土的应力-应变曲线,探讨了峰值应变和弹性模量的变化规律,并基于试验建立了强化骨料-钢纤维地聚物再生混凝土的单轴受压本构模型。 (3)开展了强化骨料-钢纤维地聚物再生混凝土井壁模型试验,通过地聚物混凝土力学试验得到的最优强化类型和最优钢纤维掺量,对比分析了普通地聚物混凝土井壁、钢纤维普通地聚物混凝土井壁、再生混凝土井壁和水泥强化钢纤维地聚物再生混凝土井壁的力学性能。试验得到了四种不同类型的地聚物混凝土模型井壁的极限承载力以及环向与轴向应变的变化规律,其中采用水泥强化再生骨料的井壁能达到天然地聚物混凝土井壁极限承载力的82%,相比普通地聚物再生混凝土井壁提升了16%。

关键词： 土力学   软土   微观结构   压汞试验   孔隙分布特征  

摘要： 软土的微观结构研究对工程建设具有重要意义。为探讨珠海软土的微观结构特征，通过压汞试验对珠海软土微观孔隙特征开展试验研究，结果表明：珠海软土孔隙直径分布在3 nm～338μm范围，总孔容位于0.2～0.3m L/g，平均孔径为50～85 nm；珠海软土孔隙特征曲线呈单峰分布，随着深度增加，土体孔隙体积逐渐减小，优势孔径逐渐减小，土体孔径更加集中；堆载预压对珠海软土处理效果显著，总孔容可降低15%，孔隙率可降低10%；根据累计进汞的百分比曲线明显存在2个转折点，珠海软土微观孔隙可分为微孔隙(<10 nm)、小孔隙(10～360 nm)及大孔隙(>360 nm)，其中大孔隙约占4%，微孔隙约占5%。

关键词： 土力学   南沙软土   综合管廊   软土基坑   破坏机制  

摘要： 粤港澳大湾区为中国经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。由于该区域广泛分布海积相和海陆交互相深厚软土，给工程建设带来了诸多困难，甚至造成巨大经济损失和人员伤亡。通过对广州南沙某基坑进行理论计算和数值模拟，结合对监测资料的详细分析，探讨广州南沙某深厚软土区综合管廊基坑破坏发生的成因和变形特征，所得结论如下：本基坑失稳破坏模式属于踢脚破坏和倾倒破坏的组合破坏模式，以踢脚破坏为主，基坑破坏位置桩顶水平位移整体向右，产生这种现象的原因是由于大型运输车辆在基坑左侧行驶，引起基坑单侧超载；受横撑的约束作用，基坑桩顶水平位移和竖向位移在基坑破坏前位移仍然比较小，不能有效的反映基坑的变形和安全情况，因此要重视基坑深层水平位移监测；深层水平位移最大位置主要集中在基坑深度6～11 m，基本处于基坑底部以下；深层水平位移的变形范围达到18 m左右深度，表明基坑开挖引起的支护桩变形影响范围达到坑底以下12m，变形影响深度和基坑深度的比值为3；基坑进行回填之后基坑位移明显收敛，表明回填可以有效抑制基坑变形的扩展，避免连续性破坏。