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关键词： 原状黄土   结合水   力学特性   微观结构   颗粒流模拟   多尺度  

摘要： 原状黄土具有小密度,低湿度,结构松散,孔隙发育和显著的湿陷性等特征。黄土的工程性质与其内部结构和含水量密切相关,结合水是影响黄土强度特征的重要因素,结合水含量增加会破坏原状黄土的内部结构,从而降低原状黄土自身强度。本文以陕西富平县石川河地区的原状黄土为研究对象,采用三轴压缩、电镜扫描等室内试验方法,结合离散元的数值模拟方法,从土体的宏观、微观和细观角度入手,系统研究了结合水对黄土力学性能及变形特性的影响。(1)通过室内三轴压缩试验,分析了不同结合水含量的原状土试样以及在饱和含水率条件下的重塑土试样在固定围压下的变形及力学特性;分析了强结合水含量(w=10%)和弱结合水(w=25%)含量的试样在变围压下的变形及力学特性,研究了不同结合水和不同围压对原状黄土力学特性的影响。结果表明:弱结合水是影响土样变形的主要因素;随着结合水含量的提高,原状黄土的结构性越弱;提出以强、弱结合水的分界含水率作为区分原状黄土弱应变硬化和强应变硬化的分界含水率;结构性参数对原状黄土的压缩特性显示出良好的灵敏性。(2)进行电镜扫描试验,对原状黄土的微观结构进行了定性分析,分别对比了不同结合水和不同围压条件下的试样微观结构上的差异,从微观机理上对原状黄土的压缩特性进行了解释,并应用IPP(Image-Pro Plus)软件进行定量分析。结果发现:强结合水含量下的土样颗粒直径偏大,颗粒多向扁圆形发展;以弱结合水为主的试样颗粒(孔隙)的圆形程度、形状复杂度及定向性均高于强结合水含量下的黄土;强结合水含量下土样的镶嵌孔隙和架空孔隙的比率偏小,说明强结合水下土样的结构性较强;随着围压的增大,颗粒发生破碎并以小直径为主;大、中孔隙减少明显,细小孔隙增多。(3)基于室内三轴压缩试验,应用离散元建立三维颗粒流数值模型,进行细观参数标定,对结合水含量为10%和25%下原状黄土三轴压缩试验进行了数值模拟,获得了模型应力曲线、破坏形式、接触力分布、孔隙率分布的变化规律;计算结果与宏观应力特性相符合,表明所建模型合理、有效。

关键词： 干湿循环   红黏土   抗剪强度   本构参数   微观参数   边坡稳定性  

摘要： 红黏土是一种特殊粘性土,具有高液限、高孔隙比、高强度、低压缩性等特点,湿胀干缩、易产生干缩裂缝使得其具有不良的工程特性。我国红黏土广泛分布在南方多雨区域,道路工程施工建设期需要解决红黏土因降雨、干湿循环作用引起的工程问题。同时,随着我国红黏土地区的基础设施建设正不断加快,红黏土边坡发生垮塌、滑坡,路基开裂、不均匀沉降等时有发生。因此,对红黏土干湿循环作用下的力学特性及强度演化规律进行研究具有重要意义。本文以广西某高速公路边坡红黏土为研究对象,开展系统得试验研究,包括基本物理力学试验、不同含水率和干密度条件下的直剪试验、干湿循环下的直剪试验和固结排水三轴试验,分析红黏土的强度随干湿循环作用的变化特征,以及土体本构参数的演化规律。同时,对干湿循环的红黏土进行扫描电镜试验,定性分析红黏土微观结构,选取3种微观结构参数,统计分析了干湿循环作用下微观参数的变化规律。最后,建立现场红黏土边坡的三维模型,进行变形和稳定性分析。得到如下结论:(1)红黏土在干湿循环作用下抗剪强度会产生衰减,随着干湿循环次数的增加,抗剪强度得衰减率减小,最后趋于稳定。红黏土的裂隙发育受含水率和干湿循环的共同影响,脱湿过程含水率在一定范围(20%～15%)时,裂隙开展最快。(2)室内红黏土干湿循环试验的应力-应变曲线呈塑性硬化型,三轴固结排水状态的强度同样随干湿循环次数的增加而降低,红黏土的本构参数与循环次数呈现规律性,塑性硬化(P-H)模型适用于饱和红黏土的分析计算。(3)干湿循环作用下红黏土的微观结构参数的变化呈现规律性,并与宏观力学性质相适应。干湿循环作用下微观颗粒及孔隙呈定向性排列,颗粒粒径分布向中间靠拢,椭球形颗粒含量最高。干湿循环下红黏土微结构的破坏是其强度下降的主要原因。(4)红黏土边坡在干湿循环作用下产生较大的累积位移,安全系数在初次干湿循环后衰减最大。同时,干湿循环作用易使红黏土边坡表面产生裂隙,对边坡的安全性产生不利影响,边坡开挖应选择合适的含水率下进行,开挖后要尽快防护,避免坡面失水产生开裂。

关键词： 热水-干热组合养护   超高性能混凝土   力学性能   爆裂   微观结构   机理  

摘要： 近年来,超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)以其超高的抗压强度和极为优异的耐久性能,逐渐应用到土木工程多个领域当中。已有研究表明,热养护制度可以显著改善UHPC的力学性能。组合养护作为一种新型的热养护制度,备受学者们关注,但目前关于组合养护的研究还不够深入,其作用机理尚不明确。此外,微观结构极为致密的UHPC,在高温火灾作用下极易发生爆裂,导致结构或构件的承载力显著下降,因此,研究UHPC的抗高温爆裂性能也极为必要。基于此,本学位论文主要研究了热水-干热组合养护制度对UHPC力学性能和抗高温爆裂性能的影响,并与三种单一养护制度(20℃常温泡水养护、热水养护和干热养护)进行了对比;同时,通过改变组合养护中干热养护的持续时间和温度,确定了最佳的养护制度。为揭示组合养护的作用机理,本研究以微观测试技术(如X射线衍射定量分析、热重分析、扫描电子显微镜观测和压汞法)为辅,对不同养护制度下UHPC净浆的微观结构进行了测定。此外,本文还研究了组合养护对高性能混凝土(High performance concrete,HPC)力学性能和微观结构的影响,并与UHPC作了对比,进一步明确了组合养护对两混凝土作用的差异性。所得主要结论如下(1)与三种单一养护制度相比,热水-干热组合养护能够显著改善UHPC的力学性能和抗高温爆裂性能,且提高干热养护的温度或延长干热养护的持续时间,更有利于组合养护作用效果的发挥。本文以90℃热水养护2 d+250℃干热养护3 d(250CC-3d)时效果最佳,所制备的素UHPC抗压强度和劈裂抗拉强度最高,分别比20℃泡水养护时提高了65.1%和73.9%,达到197.1 MPa和8.0MPa;同时,经该种养护制度后的UHPC,在加热过程中没有任何爆裂现象发生(2)热水-干热组合养护可以显著降低受热UHPC内部的峰值蒸汽压,且深层处的蒸汽压较浅层处更高,这与三种单一养护制度时明显不同(3)组合养护增强UHPC力学性能和抗高温爆裂性能的作用机理为:前期的热水预养护使得UHPC内部形成了致密的结构框架体系,而其后的干热养护在这样致密的框架结构中建立了一种高温、高湿、高压的高温蒸汽环境,显著促进了水泥颗粒的进一步水化和矿物掺合料的火山灰反应,导致数量更多、结构更加致密的水化产物得以生成(如:C-S-H凝胶、托勃莫来石、硬硅钙石、加藤石和水化硅酸镁等),它们紧密堆积在热水预养护所形成的框架中,优化了混凝土的微观结构,使得UHPC的力学性能显著提高。与此同时,消耗了大量混凝土内部自由水,导致制备出的UHPC在高温加热过程中所能形成的蒸汽压较低,进而不足以引发高温爆裂。(4)热水-干热组合养护也有助于提高HPC的力学性能,但与UHPC明显不同的是,延长其中干热养护的持续时间(6h～3d),导致HPC的力学性能逐渐下降。与250 ℃组合养护6 h相比,经历250℃组合养护3 d后,HPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能分别下降了 16.2%、22.8%和34.9%。(5)相比于UHPC,水胶比较高的HPC在热水预养护阶段形成了相对疏松的微观结构,这将导致干热养护时混凝土内部自由水容易蒸发逸出到试件外部,进而难以建立UHPC中形成的那种高温蒸汽环境,使得水泥水化程度不能明显提高且火山灰反应效果微乎其微。此外,随着干热养护持续时间的延长,HPC内部自由水的不断逸出会造成孔隙结构的进一步粗化,进而导致力学性能下降。因此,热水-干热组合养护是一种适用于改善低水胶比UHPC力学性能的特定养护制度,而并不适用于HPC。本学位论文提供了一种显著改善UHPC力学性能和抗高温爆裂性能的新方法,即热水-干热组合养护制度。同时,基于微观测试结果,揭示了组合养护的作用机理。这不仅具有一定的理论指导意义,而且对UHPC在工程中的推广和应用起到显著的促进作用。

关键词： 纤维加筋土   粘聚力   内摩擦角   动剪切模量   阻尼比  

摘要： 纤维加筋土作为一种新型的土工材料，其能显著提高土体的抗剪切强度，因此常被用作加固路基以及挡土墙的材料。本文针对玄武岩纤维加筋粉质黏土这种路基填料的静动力学特性进行试验研究，要研究内容及成果如下：　　(1)基于固结不排水(CU)三轴压缩试验，研究了围压、玄武岩纤维掺入量以及含水率等因素对加筋土剪切特性的影响。结果表明：粉质黏土以及玄武岩纤维加筋粉质黏土的峰值主应力差随着围压的增大而增大;随着纤维掺入量的增大呈现先增大后减小的趋势，在本试验范围内，最优纤维掺入量为0.2%;随着含水率的增大呈现先增大后减小的趋势，在最优含水率18.5%时，峰值主应力差有最大值。土体的粘聚力随着纤维掺入量的增大先增大后减小的趋势，而内摩擦角随纤维掺入量变化的趋势不明显;粘聚力随着含水率的增大也呈现先增大后减小的趋势，而内摩擦角随含水率而减小。　　(2)基于固结不排水循环三轴试验，研究了围压、玄武岩纤维掺入量以及含水率几个因素对纤维加筋土动剪切模量-动剪应变关系曲线的影响规律，结果表明：其他条件一定时，土体动剪切模量随着围压的增大而增大;随着纤维掺入量的增大呈现先增大后减小的趋势，在本文的试验中，玄武岩纤维的最佳掺入量为0.2%;动剪切模量随着含水率的增大也呈现先增大后减小的趋势，在含水率为18.5%(最优含水率)时，土体的动剪切模量值最大。　　(3)通过对不同工况下土体的动剪切模量-动剪应变关系曲线的拟合，得到了不同工况下土体的初始动剪切模量值，并分析了围压、玄武岩纤维含量以及含水率几个因素对初始动剪切模量的影响规律：无论是粉质黏土还是玄武岩纤维加筋粉质黏土的初始动剪切模量的数值总是随着围压的增大而增大的;随着纤维掺入量的增大先增大后减小，不同工况下，当玄武岩纤维掺入量为0.2%时，土体的初始动剪切模量数值最大，这也同样验证了本文所用玄武岩纤维的最佳掺入量为0.2%;初始动剪切模量随着含水率的增大呈现先增大后减小的趋势，同样在最优含水率18.5%时，初始剪切模量有最大值。　　(4)基于固结不排水循环三轴试验，研究了围压、玄武岩纤维掺入量以及含水率几个因素对纤维加筋土阻尼比-动剪应变关系曲线的影响规律，结果表明：其他条件一定时，土体的阻尼比随着围压的增大而减小;随着玄武岩纤维掺入量的增大先减小后增大，总体来说，掺入玄武岩纤维的粉质黏土的阻尼比要小于未掺入玄武岩纤维的粉质黏土的阻尼比;随着含水率的增加，土体的阻尼比先减小后增大。

关键词： 应用型   土力学   教学改革   实践  

摘要： 根据地方应用型本科院校土力学课程教学现状,对课程内容安排、教学方法选择和学习兴趣培养等方面存在的问题进行了分析和探讨,并结合应用型人才培养目标和自身课程教学实践,提出了相应的教学改革方法和措施,旨在提升土力学课程教学质量,强化学生工程素养,培养优秀工程技术人才。

关键词： 非饱和土   离散元   接触模型   吸力   抗剪强度  

摘要： 非饱和土在自然界中广泛存在,尤其是在干旱与半干旱地区。受气候条件的影响,地球表面存在着若干种具有特殊性质的土类,如膨胀土、黄土与残积土等特殊土,它们均具有非饱和土的基本特性。在工程实践中,如在路堤及土坝工程的建造过程中,通常涉及到膨胀土、湿陷性土的变形分析以及边坡稳定与滑坡等问题。但由于土体通常处于不饱和状态,孔隙水和孔隙气共存,使得非饱和土的基本工程力学特性非常复杂。以往的研究大都通过室内直剪试验与三轴试验,来获得非饱和土的强度参数以及应力-应变曲线等宏观力学性质,或通过离散单元法,从细观角度分析土颗粒的运动规律以及孔隙水的作用力。三轴剪切试验的优点在于可以控制围压,应力状态、应变测量方便可靠,能够反映试样受力变形直到破坏的全过程。但是,室内三轴剪切试验成本高、制样复杂,技术要求高,且耗时长。相比之下,三维离散元数值模拟不仅能通过控制颗粒级配、孔隙率等生成数值试样,借助标定细观参数的方式考虑含水率、剪切强度等因素,还具备成本低、效率高、易建模等明显的优势。本文在已有研究成果和室内非饱和重塑黄土三轴剪切试验的基础上,基于颗粒流理论,借助离散元数值模拟工具PFC,综合考虑非饱和土的孔隙水压力、含水率等因素,分别基于Hill接触模型和线性平行黏结模型,建立了非饱和土的颗粒流模型,并从细观角度深入分析了非饱和土的力学特性,旨在从数值模拟方面高效地解决实际工程中涉及到的变形及强度等问题。本文主要研究内容如下:(1)对离散单元法以及PFC颗粒流程序的基本思想和原理进行了介绍,重点对PFC3D中Hill接触模型和线性平行黏结模型的基本原理,从材料性质、力-位移定律、模型属性三方面进行了详细的阐述,为非饱和土三轴剪切试验离散元模拟提供理论依据。(2)在Hill接触模型下,建立了非饱和土三轴剪切试验离散元模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同密度、围压及吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,得到了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,得到了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明:Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。(3)在线性平行黏结模型下,建立了非饱和土三轴剪切试验离散元模型。根据室内试验中相同围压不同含水率下的应力-应变曲线,标定了不同含水率下颗粒间黏结强度的变化规律,得到了土体宏-细观参数之间的关系。通过三轴剪切试验离散元模拟,揭示了不同围压、含水率下模型试样的应力-应变关系、体应变-轴向应变关系、强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同含水率下离散元试样的强度包线,得到了含水率与抗剪强度参数之间的关系,并将模拟结果与室内试验结果进行了比较,进一步证明了结论的准确性。(4)从模型细观参数的差异,土体宏-细观参数之间的关系以及数值模拟结果三方面系统阐述了两种不同接触模型的区别与联系。结果表明:两种模型均可以用来模拟非饱和土试样,但在Hill接触模型下进行数值模拟更加准确、合理,且适用性强。

关键词： 《岩土力学》   编辑部   出版者  

摘要： 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊,中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国科技论文统计源期刊,《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》全文收录,也是国际三大检索系统之一的美国《工程索引》(EI compendex)文摘收录期刊(光盘版)。

关键词： 镍铜污染土   无侧限抗压强度   渗透试验   加速碳化   微观  

摘要： 我国的城市工业污染场地约近百万个,一旦污染控制不严格,这些企业在运转过程中产生的工业废气、废液与废渣会入侵土壤,改变土壤的物理与化学性质,形成严重的重金属污染土(Pb2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+等)。目前,重金属污染土的修复已成为一个迫切解决的问题与学者研究的热点。利用水泥、粉煤灰与石灰等无机结合料对重金属污染土进行固化稳定修复是比较常用的方法之一,具有技术成熟与经济效益适合的优点。本文主要是针对镍铜离子污染土,以水泥、粉煤灰与脱硫石膏一定比例的混合物为固化剂,采用室内试验与理论分析、宏观与微观角度的方法,对其标准养护与碳化作用下的力学特性、抗碳化能力进行分析。本研究具体主要的研究的内容包括:论文以水泥-粉煤灰-脱硫石膏固化稳定镍铜污染土为研究对象,进行了标准养护和碳化条件下固化污染土的抗压强度、柔性壁渗透,并设计了碳化深度、扫描电镜与XRD衍射试验。对比分析了镍铜离子浓度、养护龄期、固化剂掺量等对固化土强度、变形、渗透与抗碳化特性的影响,从宏观与微观的角度,初步分析了固化镍铜污染土与碳化作用机理。试验结果表明,镍与铜离子的存在都会使固化土的抗压强度降低,不同重金属离子浓度对强度的影响大致可分为以下3种情况:一是重金属浓度较低(Ni0、Ni0.02),二是重金属浓度中等(Ni0.4),三是重金属浓度较高(Nil、Cul、NilCul),并建立强度预测模型;随着养护龄期的增加,固化土的强度在逐渐增加,前中期(3 d-14d)强度提高较快,中后期(14 d-28d)强度提升较缓慢,且不同重金属离子浓度试样的渗透系数都在下降,并建立固化镍铜污染土的渗透系数与养护龄期的预测模型,随着固化剂掺量的增加,试样渗透系数会较大的降低;固化污染土的抗碳化能力表现为:NilCul>Ni0Cu0>Nil>Cul>Ni0.02>Ni0.4。并推出碳化深度与碳化时间平方根的拟合公式。图[60]表[15]参[81]

关键词： 改性水泥土   沙柳木丝   力学性能   耐久性能   微观结构  

摘要： 资源的合理有效利用是可持续发展的核心。水泥土以天然土与一定量水泥为原料制成,这种材料广泛应用于岩土工程以及基础建设领域,拥有造价成本低、取材方便、施工简便等优点。然而普通水泥土在耐久性以及早期强度方面表现较差。论文将沙柳粉碎后,作为外加剂加入到水泥土当中,探究其对水泥土力学性能以及耐久性能的影响,为平茬后待利用的沙生灌木乃至废旧木材的利用寻找新途径。1.用粉碎机将沙柳进行粉碎,并根据产物形态与长度大小之间的差异进行分类。根据分类结果设计单因素与正交试验方案进行无侧限抗压强度试验,通过单因素试验得出养护龄期对于水泥土抗压强度影响为正相关。比较粉状、纤维状、丝状的沙柳作为外加剂时,最优形态为木丝。针对木丝这一形态,设计正交试验,采用三因素四水平的方法综合考虑水泥掺量、木丝的不同长度大小、木丝掺量三个因素进行探究。综合各试验结果得出,水泥掺量为15%、木丝长度约为11.8mm掺量为1.5%时水泥土抗压强度最高,并称其为改性水泥土。2.对试验得出的应力应变曲线进行进一步分析,比较各形态的外加剂对水泥土变形特性中峰值应变、韧性以及弹性模量的影响。设置验证试验对改性水泥土力学性能进行验证。接下来通过观察试件破损后照片,并结合相应的应力应变曲线,对各水泥土破损规律进行讨论。3.对比分析改性水泥土与普通水泥土的耐冻融、耐干湿以及耐腐蚀性能,得出改性水泥土的耐冻融与耐腐蚀性能皆有所提升。在于湿循环15次以内的水泥土强度不仅没有下降反而有所提升。采用扫描电镜观测各水泥土的微观结构特征,结合水泥土固化过程,分析各外加剂对水泥土的影响。

关键词： 再生粗骨料   自密实混凝土   基本力学性能   简支梁   受弯力学性能  

摘要： 近年来,商品混凝土的产量在持续增长,对砂石骨料需求与日俱增。其次,加速的城市发展导致大量建筑拆除重建,将产生大量废弃混凝土,若能将其变废为宝回收利用,替代天然砂石骨料配制自密实混凝土,不仅保护环境,节约自然资源,而且可以改善混凝土施工条件,节省施工费用。因此,本文将废弃混凝土经过破碎形成再生骨料,配制再生粗骨料自密实混凝土(Recycle Coarse Aggregates Self-Compacting Concrete,简称RCASCC),针对其基本力学性能和简支梁受弯力学性能展开研究,具体内容如下:一方面是再生骨料形状指数、颗粒级配、取代率对RCASCC工作性能和力学性能影响,通过工作性能测试、基本力学性能试验,分析了不同再生粗骨料取代率下的工作性能和基本力学性能变化规律,并建议了RCASCC的应力-应变本构方程,结果表明:(1)利用再生粗骨料可以配制出满足规范要求的SCC,建议粉煤灰取代水泥用量的20%;再生粗骨料形状指数较为接近针片状,将大石子减少20%时再生粗骨料颗粒级配最优;形状指数、颗粒级配对RCASCC工作性能影响较大,对力学性能影响不大;(2)RCASCC的破坏过程和破坏形态与NC基本相似,随取代率的增加,RCASCC流动性能随之减小,各个强度指标总体呈现下降趋势,建议再生粗骨料的取代率为50%左右;(3)RCASCC轴心抗压强度和劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的比值分别为0.823、0.096;建议RCASCC的本构关系可采用NC单轴受压本构方程,控制参数取值a为0.7,b为7。另一方面是对RCASCC简支梁受弯性能试验,通过破坏形态、裂缝分布情况、平截面假定、承载力、荷载挠度曲线、钢筋和混凝土的荷载应变曲线等,对比分析了颗粒级配调整前、后RCASCC简支梁和SCC简支梁三者之间的差异性,结果表明:(1)RCASCCL-50%、RCASCCL-JP、SCCL三者与NC简支梁的破坏形态、破坏过程基本相似;(2)现行混凝土结构设计规范依然适用于RCASCC受弯构件的计算;再生骨料的加入会使承载力明显下降,但颗粒级配调整会使承载力又明显上升;(3)再生骨料的加入不会对挠度和变形产生较大影响,但会明显增大钢筋极限应变,而颗粒级配调整会减小挠度和变形,并且会使受拉钢筋和混凝土极限应变减小,使得其延性变差。