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关键词： 多孔混凝土   一维应变加载   能量耗散   霍普金森压杆   抗爆性能  

摘要： SAP（Super Absorbent Polymers,简称SAP）多孔混凝土因其独特的成孔方式,具有成本低廉、施工方便以及环境友好的特点,在充填采矿、军事防护工程、建筑工程等领域有广泛的应用前景。为进一步研究SAP多孔混凝土材料的力学性能和耗能特性,本文制备出三种孔径（2mm、5mm、8mm）和三种孔隙率（40%、50%、60%）配比的9种SAP多孔混凝土材料。开展了SAP多孔混凝土静态单轴实验、SHPB实验、水下爆炸实验及水下爆炸实验数值模拟,取得的主要成果如下:利用MTS材料试验机研究了SAP多孔混凝土在一维应变加载下的力学性能和耗能特性,结果表明,在弹性阶段:SAP多孔混凝土的弹性模量随着孔隙率的增加而减小,随着孔径的增大而增大,其中孔隙率对材料的弹性模量的影响最大。60%孔隙率的2mm试样弹性模量最小,为14MPa;40%孔隙率的8mm试样的弹性模量达最大,为178MPa。在平台阶段:随着孔隙率的增大,应力平台长度增加,平台应力幅值呈降低趋势,其中60%孔隙率的2mm试样平台应力最小,为1.4Mpa;40%孔隙率的8mm试样的平台应力最大,为8.8MPa。在能量吸收方面,孔径相同时,能量吸收值随着孔隙率的增大而减小,并且8mm孔径试样在40%孔隙率下的能量吸收值最大,达到2.56MJ/m3;吸能效率峰值随着孔径的增大而增大,并且在应力值为1.76MPa时,8-60试样的吸能效率峰值达到最大,为25.9%。利用SHPB实验装置研究了高应变率下(346～579s-1)SAP多孔混凝土一维应变加载条件下的动态力学性能和耗能特性。结果表明,SAP多孔混凝土具有明显的应变率效应,且孔隙率越小、孔径越大其动态屈服强度的增强效应就越明显。在能量耗散方面,不同规格多孔混凝土的能量耗散WL和破碎耗能密度Wd均随入射能增大而增大,然而受到多孔混凝土的能量耗散能力的限制,其与入射能并未呈比例增加。此外,孔隙率越大多孔混凝土的能量耗散值越小,但孔径对能量耗散影响不显著。对比分析了静动态条件下SAP多孔混凝土的能量耗散值发现,静态条件下的能量耗散值明显大于动态能量耗散值。动态条件下,在0.4MPa冲击气压下,孔隙率为40%的8mm孔径多孔混凝土能量耗散值最大,其仅为静态能量耗散值的21.25%。通过水下爆炸实验,研究了多孔混凝土的抗爆性能和耗能特性。结果表明,在爆炸载荷作用下,5mm孔径的多孔混凝土板完整性最好,其次是2mm孔径、8mm孔径,并且在背板边界处存在局部剪切导致的塑性大变形。另外,3种孔径的SAP多孔混凝土背部次生冲击波强度均随孔隙率增大而减小,其中,60%孔隙率的8mm孔径多孔混凝土对次生冲击波的衰减效果最好。采用LS-DYNA对SAP多孔混凝土抗爆实验进行数值模拟。结果表明:随着孔隙率的减小,多孔混凝土的耗散能占总能量的比例由54.61%增加到61.73%,面板的耗散能占比由30.78%下降至23.52%,但孔隙率对背板能量耗散的影响不明显。此外基于数值模拟结果,通过一维应力波理论和一维激波管理论研究密封舱内次生冲击波的生成规律,结果表明:理论值与模拟值存在差异,这是因为一维应力波理论和一维激波管理论分别从应力波的透射和背板运动两方面考虑次生冲击波的生成规律,而密封舱内次生冲击波的生成很可能是二者耦合作用的结果。

关键词： 定向钢纤维   超高性能混凝土   力学性能   破坏形态   各向异性  

摘要： 超高性能混凝土相较于普通混凝土具有更加优异的力学性能,钢纤维的掺入使其具有更高的抗拉强度以及弯曲韧性,但也产生了成本过高等问题。钢纤维在混凝土基体中的分布方向是随机的,与混凝土在受力后的应力方向存在夹角,纤维的利用效率较低,一般通过掺入更多的纤维来满足其受力要求。这导致了钢材用量较大、成本较高以及不够绿色、低碳、环保。 如果使全部钢纤维沿着应力方向分布,则能极大的提高纤维的利用效率,从而提升材料的力学性能。纤维定向排布后,由于纤维分布方向的不同,会使定向钢纤维超高性能混凝土变为一种各向异性材料,各个方向的力学性能有较大不同,需要进行系统研究。本文基于电磁学的基本原理,制备了定向钢纤维超高性能混凝土,同时考虑材料的各向异性,研究钢纤维掺量和排布方向对材料的抗压性能、抗弯性能的影响。 针对纤维掺量、纤维类型和纤维长径比等关键参数,研究了关键参数对定向钢纤维超高性能混凝土立方体抗压强度以及受压破坏形态的影响,对发现的规律进行了分析;研究了关键参数对定向钢纤维超高性能混凝土轴心抗压强度、弹性模量和峰值应变以及受压破坏形态的影响,对强度、弹性模量的变化规律进行了分析;研究了关键参数对定向钢纤维超高性能混凝土弯曲抗拉性能的影响,对比了不同纤维分布方向的抗弯极限承载能力和初裂强度,采用两种评价方法对弯曲韧性进行了评价。 研究结果表明,纤维与拉应力方向平行排布时,可以极大的提升材料的抗拉强度。在纤维掺量相同的条件下,定向超高性能混凝土可较非定向超高性能混凝土抗压强度提升约10%,抗折强度提升约79.6%～143.7%。定向和非定向超高性能混凝土在抗压强度相同的条件下,钢纤维定向后,钢纤维用量可减少约60%;在抗折强度相同的条件下,钢纤维定向后,钢纤维用量可减少约75%。在力学性能保持不变的条件下,将超高性能混凝土中的钢纤维加以定向可以有效节省钢纤维的用量,使超高性能混凝土成本降低30%～40%,有利于实现绿色可持续发展。

关键词： 红土   含水率   应力路径   干湿循环   静动强度  

摘要： 水利枢纽、灌区、水库等水利工程的各项水工建筑物需要常年经受水域枯水、丰水期交替引起的干湿循环作用,以及货物交通运输等因素引起的应力变化。针对江西省水利工程中,各类红土边坡的开裂、失稳等问题,本文开展了典型红土力学特性及水敏性相关试验研究,以江西省抚州市东乡区一段失稳、垮塌的输水干渠周边红土为研究对象,运用三轴试验仪、直剪仪等试验仪器,分别对试样在不同应力路径下、干湿循环作用下、以及不同应力状态下的力学行为规律及静动力特性进行了研究,取得主要结论如下: (1)试样在低含水率状态下,抗剪强度随着应变的增大而增大,直至应变到达5%～10%时不再增加,中等含水率状态下应力与应变成正比,高含水率状态下应变量增至1%～2%时抗剪强度就已达峰;红土的卸载强度仅在低含水率状态下相对较高,其他含水率条件对其影响不大,不同应力下的试样结果发现,轴向加载路径下含水率的增多,使红土的粘聚力和内摩擦角随即减小,侧向卸载路径下红土的抗剪强度随原始围压的增大而增大,且土体应变达到1～2%时,抗剪强度达到最大,与高含水率加载时的应力应变关系较为相似,此后即便剪应力不再增大,变形仍然快速发展,使土体迅速失稳。 (2)红土试样的裂隙在干湿循环作用开始后迅速发育,直到第5～6次后开始放缓,15～20次后裂隙不再发育;粘聚力和内摩擦角在前5～6次循环中逐渐减小,循环约10～15次后试样的强度参数基本趋于稳定;随着干湿循环引起的裂隙逐渐增多,红土的土体粘聚力、内摩擦角等参数均开始减弱,直到次数增加到不再有新的裂隙发生时,土样的强度水平也即维持在相对稳定状态。 (3)在小变形阶段,红土原状、重塑试样间的强度大小并无可比性,但原状—重塑红土应力差却随剪切应力的发展逐渐增大直至稳定,水对土颗粒间的胶结作用影响较大,相同应变下,低含水率的红土静、动强度均大于高含水率的,高含水率红土的结构性在固结和剪切的开始阶段便全部挥发,不再随着剪切作用而改变;同时,含水率、固结状态的发展与红土的结构强度密切相关,含水率增高和固结作用减少会引起静动强度的降低,反之亦然。

关键词： 土力学   刚性挡土墙   位移模式   土压力   极限状态   破坏模式  

摘要： 挡土墙位移模式对墙后土压力分布及土体滑移变形与破坏模式具有重要影响。研究采用开发的可视化挡土墙模型箱和石英砂填料，开展平动、绕底部转动、绕顶部转动、绕中点逆时针转动和绕中点顺时针转动5种模式的模型试验。将实测土压力与现有计算理论进行对比，对静止土压力、极限土压力及其土压力随挡墙位移变化规律进行了分析，同时采用粒子图像测速技术分析土体的滑移变形特征和破坏模式。结果表明：静止土压力沿墙深呈线性增长趋势，由于砂土超固结导致实测值大于理论值；不同位移模式土体达到极限状态所需的位移量存在较大差异；由于砂土密实程度高，导致平动、绕底部转动、绕顶部转动极限土压力实测值小于理论值；绕中点逆时针转动和顺时针转动极限土压力合力作用点较绕顶部转动和绕底部转动分别出现上移和下移；不同位移模式的滑移面呈现出不同的形态，实测滑移面倾角略大于理论值；绕底部转动、绕中点顺时针转动表现为渐进式破坏，平动、绕顶部转动、绕中点逆时针转动表现为整体式破坏。

关键词： 土力学   淤地坝   压实性黄土   初始含水率   压实度   微观结构   “陡坎”冲蚀  

摘要： 近年来短时强降雨导致我国黄土高原地区淤地坝水毁灾害频发，鉴于该领域研究基础薄弱，不同因素影响下压实黄土冲蚀特性和“陡坎”冲蚀机制尚不明晰。开展黄土材料微观孔隙结构的定性和定量测试，以及14组压实黄土“陡坎”冲蚀水槽试验，重点研究初始含水率和压实度对“陡坎”冲蚀过程的影响，揭示压实黄土微观孔隙结构对“陡坎”冲蚀模式和冲蚀速率的影响机制。试验结果表明：压实黄土持水状态是影响“陡坎”冲蚀模式和冲蚀速率的重要因素，水分子通过影响黄土的微观孔隙结构进而改变土体的宏观冲蚀规律；土体在低含水率状态下，“陡坎”以层状冲蚀为主，由基质吸力提供的“假黏聚力”对冲蚀速率影响较小；随着土体含水率提高，“陡坎”冲蚀模式发生转变，以间歇性块体失稳的形式向上游溯源冲蚀；压实度的改变不影响“陡坎”冲蚀模式，而是通过调整颗粒骨架、颗粒接触面积影响“陡坎”冲蚀速率，其量值提高能够显著增强黄土的抗冲蚀能力。研究成果可为压实性黄土淤地坝溃坝机制研究及灾害预测提供理论支撑。

关键词： 红黏土   微生物诱导碳酸钙沉淀   废弃陶瓷   物理力学性质试验   微观机理  

摘要： 为研究废弃陶瓷协同微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcite Precipitation)改良红黏土的力学性能及揭示其作用机理。对陶瓷协同微生物改良红黏土进行物理性质试验与力学性质实验,对试样分析其强度参数指标与应力应变变化规律及力学特性变化。随机选取不同养护时间及掺量不同的试样进行电镜扫描试验(SEM)和X射线衍射试验(XRD)分析土体微观结构变化及晶体矿物成份和形态特征,并对电镜图像进行二值化处理分析试样孔隙度及平面纹理度变化。 (1)陶瓷的加入削弱了红黏土遇水膨胀的特性,再加上碳酸钙的生成需要消耗营养液,随养护时间的推移,吸水率不断下降,碳酸钙生成量不断增长,干密度不断增大,养护至10d后各物理性质指标增长缓慢。 (2)常规三轴试验改良红黏土试样的应力应变曲线均呈现应变硬化型,且具有较好一致性。随养护时间推移,试样强度逐渐提升。养护1～3d的试样应力应变曲线无明显变化,试样养护6d后试样强度较养护初期有明显提高,养护6～10d为土体强度为快速增长期,养护10d后,试样强度增长变缓,逐渐趋于平稳,因此,最佳养护时间为10d;陶瓷-微生物复合红黏土试样的黏聚力及内摩擦角随着养护时间的递增呈整体上升趋势。 (3)无侧限抗压强度随养护时间递增而增大,养护至10d后增长缓慢。共经历三个阶段,即加压时抗压强度值不断增长阶段、达到峰值后不断下降阶段、继续下降至零值阶段。陶瓷改良土在无侧限抗压强度试验后的破坏模式大体呈现为劈裂破坏与剪切破坏。 (4)经MICP作用的陶瓷改良土比未经MICP作用的试样孔隙明显减少,经过对电镜扫描图像二值化处理并进行分形维数测算,得知孔隙度的不断缩减与及土体强度呈正比关系,孔隙度不断缩减,土体强度越高。通过X射线衍射试验,对比分析陶瓷改良土与经MICP作用的陶瓷改良土矿物成分作对比,经MICP作用的陶瓷改良土生成的方解石成分明显增多。陶瓷颗粒为土体提供一定骨架作用及为微生物提供生存活动空间,使得微生物能渗入土体内部;微生物诱导析出的碳酸钙结晶为土颗粒与陶瓷颗粒提供胶结作用,增强陶瓷与土颗粒的摩擦阻力,从而提高土体摩擦强度。

关键词： 疏浚砂混凝土   冻融循环   断裂性能   声发射   孔隙结构  

摘要： 抗冻性一直是混凝土在寒冷地区需要克服的难题,冻融循环作用下混凝土结构内部孔隙裂缝萌生,影响混凝土的力学性能。基于此,为了研究疏浚砂混凝土的力学性能及抗冻性,本文设计了 5种不同疏浚砂取代率(0%、12.5%、25%、37.5%和50%)的混凝土,对疏浚砂混凝土进行不同冻融次数(0、25、50、75和100)的冻融循环试验,并结合声发射技术对疏浚砂混凝土试件进行三点弯曲断裂试验,同时对不同冻融循环次数下的疏浚砂混凝土进行了 CT扫描试验、压汞试验(MIP)、扫描电镜试验(SEM)、X射线衍射试验(XRD),从宏观角度和微观角度探究冻融循环作用下疏浚砂混凝土的力学性能及抗冻性能损伤劣化机理。所得的结论如下:(1)随着冻融循环次数的增加,疏浚砂混凝土的表观形貌逐渐劣化,质量损失率增加,相对动态弹性模量和抗压强度减小。随着疏浚砂的掺入,混凝土抗压强度损失率明显下降,说明掺入适量的疏浚砂能够提高混凝土的抗冻性。基于相对动态弹性模量和质量损失率建立了冻融损伤模型,预测了疏浚砂取代率为0%、12.5%、25%、37.5%和50%的混凝土冻融寿命分别为128、92、134、147和163次。(2)通过CT技术重建疏浚砂混凝土三维模型,研究了冻融循环作用下疏浚砂混凝土的孔隙结构演化规律,疏浚砂的掺入能够减小混凝土内部的孔隙率;疏浚砂混凝土冻融劣化具有区域性特征,冻融劣化由外至内逐渐加深。根据压汞试验结果,50%疏浚砂的掺入使无害孔增加了 3.60%,多害孔减少了 3.42%,表明疏浚砂的掺入改善了混凝土孔结构,增加了密实度,提高了混凝土强度;疏浚砂混凝土孔隙结构具有分形特点,分形维数的变化反映疏浚砂混凝土冻融损伤程度。基于孔隙率建立了冻融损伤演化模型,预测了抗压强度在不同冻融循环次数下的预测值。通过SEM和XRD对疏浚砂混凝土进行了形貌和物相分析,表明疏浚砂主要以物理方式影响混凝土的性能。(3)随着疏浚砂取代率的增加,混凝土的断裂性能和抗冻性能得到提高。随着混凝土疏浚砂取代率的增加,断裂面分形维数减小。随着冻融循环次数的增加,断裂面的分形维数增大,断裂面越粗糙。冻融循环次数越大,疏浚砂混凝土的峰值荷载、断裂韧度和断裂能越低。疏浚砂取代率越高,疏浚砂混凝土的断裂能越大。声发射累计振铃计数、声发射能量和声发射b值可以反映疏浚砂混凝土的三阶段断裂破坏过程。基于声发射事件建立的疏浚砂混凝土损伤模型服从威布尔分布,能较好地反映冻融循环对损伤的影响。

关键词： 土力学   土–水特征曲线   全吸力范围   固化土   滞回现象  

摘要： 由于降雨–蒸发、水位升降等原因，固化土作为人工填土或路基材料等进行资源化利用时其含水率常处于周期性变化状态，对其持水特性的研究具有较强的理论和工程应用价值。目前有关固化土的土–水特征曲线(SWCC)的研究较少，尚未得到全吸力范围内统一、明确的固化土的土水特征曲线以及固化土的持水特性规律。采用压力板法、滤纸法、蒸汽平衡法3种试验方法，测量吸湿与脱湿2种不同路径下全吸力范围内固化土的土–水特征曲线。结合电镜扫描试验和压汞试验，对不同水泥掺量固化土的土–水特征曲线以及持水特性进行分析研究。试验结果表明：随着水泥掺量的增加，固化土的孔隙分布更加均匀，土颗粒之间大孔隙逐渐减少，孔隙体积变小，固化土的持水能力提高。固化土在脱湿与吸湿路径下的土–水特征曲线具有明显的滞回现象，随着水泥掺量的增加，水化产物增多，土颗粒团聚体表面粗糙度变大，固化土的滞回效应愈发明显。

关键词： 混杂纤维再生混凝土   配合比设计   力学性能   收缩性能  

摘要： 随着建筑业的快速发展，混凝土材料暴露出资源能耗高、环保效益差等诸多弊端。将废弃混凝土经过一系列工艺流程处理，全部取代天然粗细骨料而制成的再生混凝土，对于提高建筑材料回收利用率、降低建筑材料的碳排放、缓解目前面临的生态环境恶化问题有着重要意义。而再生混凝土存在强度低、收缩变形大等问题，限制了其应用范围。为了扩大再生混凝土的应用范围，提高建筑材料结构安全性，本文对混杂纤维再生混凝土配合比设计、基本力学性能及收缩性能展开研究，主要内容如下:　　(1)通过设计9组不同水胶比及粉煤灰掺量的再生混凝土配合比，对54个边长100 mm的立方体试件进行抗压、劈拉试验，18个100 mm×100 mm×400 mm试件进行抗弯试验。采用极差分析方法，分析水胶比、粉煤灰掺量等因素对再生混凝土基本力学性能及工作性能的影响规律。研究结果表明水胶比是影响再生混凝土强度的最主要因素，粉煤灰的掺入能有效改善再生混凝土工作性能。根据试验结果确定了水胶比为0.35,粉煤灰掺量为20 ％的混杂纤维再生混凝土基础配合比。　　(2)通过16组混杂纤维再生混凝土配合比共94个边长100 mm的立方体试件的抗压、劈拉试验，研究了纤维类型、纤维掺量以及混掺纤维对再生混凝土抗压强度、劈拉强度、劈拉荷载-变形曲线、劈拉韧性指标的影响规律。其中PF(聚丙烯纤维)1.2kg/m3,SF(钢纤维)0.5 ％的混掺量对抗压强度增强效果要优于其他试验组，相比普通再生混凝土增幅为56.9％。混掺组中，PF0.9kg/m3,SF1.0 ％的混掺量劈拉韧性提升效果最好，增幅为36.9 ％。　　(3)通过16组混杂纤维再生混凝土配合比共48个边长100 mm×100 mm×400mm棱柱体试件的弯曲性能试验，研究了纤维类型、纤维掺量以及混掺纤维对再生混凝土弯曲强度、荷载-挠度曲线、弯曲韧性指标的影响。PF和SF的掺入，能有效提高再生混凝土的抗弯强度。PF掺量为1.5kg/m3,SF体积掺量为1.5 ％,弯曲韧性最好，相比于同SF掺量的PF00SF15组增幅为361.2 ％。根据试验数据拟合分析，建立了适用于混杂纤维再生混凝土的弯曲强度与抗压强度换算关系式。　　(4)通过16组混杂纤维再生混凝土 120天的非接触式自生收缩试验，研究了纤维类型、纤维掺量以及纤维混掺对再生混凝土自生收缩率的影响。试验结果表明，随着纤维掺量增加再生混凝土的收缩率不断减小，钢纤维再生混凝土收缩变形的抑制作用优于聚丙烯纤维。混掺纤维组收缩变形量都小于单掺纤维组，聚丙烯纤维为1.5 kg/m3,钢纤维体积分数为0.5 ％时，对收缩变形的抑制效果最好。　　(5)将再生混凝土收缩率实测值与通过ACI209R、CEB-FIP(2010)、GL2000、JTG D62-2004四种收缩预测模型计算得到的混凝土收缩率进行对比分析，并对吻合度较好的GL2000模型进行修正。在此基础上，结合纤维再生混凝土收缩变形的特点，引入纤维影响系数，建立了适用于单掺及混掺纤维再生混凝土的三个自生收缩理论计算模型。

关键词： 含界面黄土   微型静力触探   变角度触探   锥尖阻力   抗剪强度参数   界面效应   耦合欧拉-拉格朗日分析法  

摘要： 黄土中存在的天然界面及人工界面往往由于渗透性强、压实度不足等原因易形成潜在破坏面,控制着黄土的力学性能。土体原位界面力学参数的精确获取是保障黄土地区工程活动顺利开展的关键,本文通过开发孔内自适应微型变角度静力触探装置,结合现场调查、室内试验、数值模拟等手段,研究了界面对土体力学参数的影响,创新了深部土体界面原位力学参数识别的技术方法,具体研究内容及结论如下:(1)研发了一套孔内自适应微型变角度静力触探装置。此装置主要由固定系统单元、转动系统单元、贯入系统单元、控制及采集系统单元组成,四个单元协同合作,共同完成触探过程,实现了对含界面黄土抗剪强度参数的快速获取,丰富了静力触探技术的测试功能。(2)探明了界面效应在黄土中的表现形式。基于对含界面黄土的现场调查与室内试验,明晰了界面对土体剪切破坏形式及剪切破坏过程的影响规律,量化了界面对土体抗剪强度参数的影响程度,厘清了含界面黄土力学特性在不同试验条件下的变化规律。(3)提出了微型变角度静力触探识别含界面黄土力学参数的方法。通过自主研发的多功能地压模拟式模型箱及孔内静力触探设备进行了大量模型试验,探究了锥尖阻力的变化过程,提取了峰值锥尖阻力,分析了其随干密度、含水率的变化趋势,建立了含界面与不含界面土体抗剪强度参数与峰值锥尖阻力、含水率、法向应力等因素的经验关系。(4)揭示了微型静力触探在含界面黄土中的贯入机理。基于有限元软件ABAQUS,利用耦合欧拉-拉格朗日分析法(CEL),明晰了触探过程中含界面黄土内部的应力场响应,发现了土体的触探过程与剪切过程的关联统一性。