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关键词： 高等学校   实验   土力学   教材  

ISBN: (纸本)9787517076773

摘要： 本书旨在使学生加深掌握土的基本概念和性质以及土的渗透、变形、强度三大基础理论，熟悉土力学试验的基本原理、操作步骤、数据分析方法，提高分析和解决问题的能力，达到掌握土力学实验的基本理论、基本方法和数据资料的整理方法并学会选择合适的实验方法及参数进行工程设计、施工与管理。

关键词： 隧道   喷射混凝土   硫酸盐腐蚀   力学特性   稳定性  

摘要： 随着我国交通建设蓬勃发展,隧道工程的基础研究、设计理论和施工技术也得到了快速的提高,取得了一系列的研究成果。同时也发现这样一类棘手情况,即在隧道建设过程中,尤其是城市隧道建设,常常会遇到由于城市垃圾污染导致的带有腐蚀性的地下环境。在这样的条件下进行隧道建设,隧道支护结构容易受到环境中腐蚀因素的影响而无法达到其应有的力学特性,这就使隧道处于一定的安全风险之中。近年来,城市污染等环境问题造成的隧道衬砌腐蚀损伤已经成为隧道领域的研究热点。本文依托自然科学基金面上项目“多场耦合作用下垃圾渗滤液对隧道支护结构的腐蚀机理研究(项目号:51578091)”,选择隧道初期支护结构中的喷射混凝土作为研究对象,根据隧道水化学分析结果,以一种主要污染物——硫酸盐作为腐蚀因子,采用现场“喷大板”取样、室内实验、统计分析、理论分析、计算机模拟相结合的综合研究途径和方法,对硫酸盐腐蚀环境下的隧道喷射混凝土力学特性劣化以及劣化后对隧道整体稳定性的影响进行研究。主要研究工作和成果如下:(1)进行了早期喷射混凝土力学实验并在实验中增加硫酸盐内部腐蚀。实验结果显示,养护时间的变化对喷射混凝土的力学特性,包括弹性模量、峰值强度等影响显著;硫酸盐的不同腐蚀类型(化学腐蚀和物理腐蚀)对材料的力学特性劣化规律的影响明显不同。对于受到硫酸盐内部腐蚀的早期喷射混凝土,不仅材料的最终硬化特性受到损伤,材料力学特性的硬化规律也受到硫酸盐腐蚀影响。通过实验数据拟合,推导了早期喷射混凝土力学参数随时间变化的公式,即力学参数的时间硬化函数。(2)进行了喷射混凝土的硫酸盐长期浸泡腐蚀实验,结合材料腐蚀后的力学试验以及电镜扫描试验结果,得出以下结论:喷射混凝土的硫酸盐腐蚀类型,可以根据硫酸盐溶液浓度的不同分为两种,即硫酸盐化学腐蚀和硫酸盐物理腐蚀。在这两种腐蚀类型下的喷射混凝土的力学特性,在长期的腐蚀弱化过程中表现出不同的劣化规律。(3)通过材料的损伤应力理论对喷射混凝土由于硫酸盐导致的化学腐蚀和物理腐蚀影响的力学机理进行了分析。结果表明,在腐蚀早期,虽然两类腐蚀尚未导致材料的力学参数发生明显变化,但材料的损伤应力已经有不同的变化趋势。证明两类硫酸盐腐蚀对材料的损伤有所不同。化学腐蚀在腐蚀的早期对材料的损伤并不明显,随着腐蚀时间的增长则呈现出指数型的增加;而物理腐蚀则从腐蚀早期开始就使得材料损伤展现出快速的线性发展趋势。(4)喷射混凝土在长期的硫酸盐浸泡条件下表现出明显的弹塑性破坏特征。根据室内三轴试验结果,对材料的摩尔-库伦力学参数进行拟合,建立了该力学参数对应于硫酸盐物理腐蚀浓度和腐蚀时间的函数,并对函数中的系数进行了标定。(5)在传统Duncan-Chang模型和基于M-C屈服准则的应变软化模型中加入材料的时间硬化函数得到喷射混凝土的非线性弹塑性本构模型,得出模型参数的求解公式。通过喷射混凝土的室内力学试验结果对该模型进行验证,结果显示该弹塑性本构模型与实验值相比能够较好描述喷射混凝土材料的应力-应变关系。在此基础上通过引入化学腐蚀与物理腐蚀两种腐蚀因素建立了喷射混凝土长期浸泡腐蚀的损伤演化方程以及损伤本构模型。(6)运用有限元软件对隧道施工过程中的喷射混凝土硬化过程以及硫酸盐长期腐蚀下的材料劣化过程进行模拟。结果表明,在隧道开挖施工过程中,考虑喷射混凝土硬化过程更符合实际。硫酸盐长期腐蚀导致的喷射混凝土的力学特性变化与隧道喷射混凝土初衬的支护效果之间有明显的相关性。而隧道应力、位移变化则表明硫酸盐化学腐蚀和物理腐蚀对隧道稳定性也产生了不同的影响效果。

关键词： 自密实混凝土   损伤   纤维   冻融循环   断面扫描  

摘要： 在我国北方寒冷地区,混凝土冻融循环是引起混凝土性能下降,结构破坏的主要原因之一。针对我国北方寒冷地区长期经受冻融循环作用的自密实混凝土弯曲破坏及冻融损伤问题,分别从冻融循环试验、开口梁三点弯曲试验及冻融循环后断裂面3D激光扫描等方面进行研究,旨在应用分形理论及冻融损伤理论来评价纤维对自密实混凝土试件抗冻性的影响,为北方寒冷地区自密实混凝土结构寿命评估及抗冻耐久性设计等提供相关依据。本文的主要内容如下:(1)参照国内外相关规范,进行了自密实混凝土工作性能试验,通过坍落扩展度试验可以测得新拌自密实混凝土的坍落扩展度(Slump flow)及扩展时间T500(Slump-flow time),坍落扩展度和T500可用于评价新拌自密实混凝土的流动性能与填充性能。通过J环试验,利用试验测得J环内外高差(J-ringΔh)、J环扩展度(J-ring)以及自密实混凝土坍落扩展度与J环扩展度差值(PA)等相关指标评价新拌自密实混凝土间隙通过性能,通过标准筛析试验测得混凝土浮浆百分比(SR),利用混凝土浮浆百分比衡量自密实混凝土抗离析性能。试验结果显示:纤维的掺入能减少自密实混凝土坍落扩展度,提高T500值;纤维的掺入能减少自密实混凝土J环扩展度,提高J环内外高差。(2)通过自密实混凝土试件快速冻融循环试验,研究了纤维与冻融循环作用对混凝土试件冻融损伤的影响,试验结果显示:相同冻融循环次数时,钢纤维对冻融循环后试件质量损失率的影响大于结构型聚丙烯纤维,复掺混杂纤维的掺入对试件质量损失率表现出较好的正混杂效应,在冻融循环作用下,试件超声波波速对于混凝土冻融损伤的反应灵敏度大于其动弹性模量,试验效果更显著。(3)通过冻融循环后试件弯曲韧性试验,研究了纤维种类与掺量对冻融循环后各试件弯曲性能指标的影响。试验结果显示:随着冻融循环次数的增加,各组试件比例极限弯矩、比例极限荷载均发生一定程度的下降,钢纤维与结构型聚丙烯纤维的加入可提高试件的弯曲韧性,当冻融循环次数较少时,混杂掺入钢纤维和结构型聚丙烯纤维对自密实混凝土梁的能量吸收能力具有较好的正混杂效应,当冻融循环次数较高时,混杂效应不显著。(4)开口梁的三点弯曲试验结束后,对试件断裂面进行3D激光扫描试验,实现了冻融循环后试件断裂面3D重构可视化,对试件断裂面Z坐标进行统计,利用标准差、分形维数理论等对冻融循环后试件断裂面形态进行研究,试验结果显示:随着冻融循环次数的增加,试件断裂面Z坐标标准差越大,离散程度越明显。试件断裂面的分形维数与纤维掺量相关,试件断裂面分形维数D随着冻融循环次数的增加而不断增加。

关键词： 石墨尾矿混凝土   碳纤维   力学性能   导电性能   测强曲线  

摘要： 我国是一个石墨产量大国,在生产过程中会产生大量的石墨尾矿,对当地生态环境造成了严重破坏,亟待处理。目前对于石墨尾矿的处理问题仍然是工程上的一大难题,相关研究刚刚起步,需要进一步深入分析。本文通过对石墨尾矿物理、化学性质的分析,提出将石墨尾矿按照不同的体积比例取代砂子,配置石墨尾矿混凝土。分析养护龄期,石墨尾矿掺量和碳纤维掺量对石墨尾矿混凝土的性能影响,研究了石墨尾矿混凝土的力学性能和导电性能。具体研究内容如下:（1）研究尾矿掺量和养护龄期对混凝土强度的影响。在标准养护下,分析3d、7d、14d、28d、56d、90d、150d、180d龄期下的不同尾矿掺量的混凝土的力学性能,结果表明在3～56d尾矿最优力学取代量是30%,90d最优力学取代量是20%,150～180d最优力学取代量是10%。（2）研究不同碳纤维掺量对石墨尾矿混凝土力学性能的影响。将不同质量分数的碳纤维加入到石墨尾矿混凝土中,制备石墨尾矿碳纤维混凝土,在标准养护下,对28d的石墨尾矿碳纤维混凝土进行力学试验,结果表明当碳纤维掺量为水泥质量的0.2%时,混凝土的力学性能最优。（3）研究养护龄期、测量方法、测量电压和混凝土种类对混凝土的电阻率的影响。在标准养护下,对普通混凝土、石墨尾矿混凝土和石墨尾矿碳纤维混凝土的电阻率参数的分析。研究得到养护龄期和混凝土的电阻率呈线性相关,测量方法对电阻率影响较大,不同的测量电压对应的电阻率不同,混凝土的种类对电阻率有一定的影响,测量混凝土的电阻率采用电压为12V的四级法或电压为24V的二极法较为合理。（4）为了建立混凝土的电阻率和力学参数之间的关系。研究不同龄期混凝土的电阻率、回弹值以及抗压强度的相关性,建立fc~o u-R m、f ~ocu-ρ及f~ocu-ρ-Rm三种测强曲线,通过误差和精确度的分析,最终表明f~ocu-ρ-Rm具有更好的相关性,误差更小,采用电阻率回弹综合法预测混凝土强度更为合理。

关键词： 宁波软土   空间变异性   随机场   方差折减函数   相关距离   Bootstrap  

摘要： 土体作为岩土工程中最基本也是最重要的研究对象,其力学特性是进行工程设计、施工、理论计算以及其他工程特性研究的基础。与此同时,土体受复杂地质作用影响,具有显著的不确定性。大量的试验数据和丰富的工程实践经验均表明不确定性是土体的一个与生俱来的特征,表现为土体参数具有明显的空间随机性与空间结构性,称为空间变异性。如何客观地认识和理解土体力学参数空间变异性是开展岩土工程实践的前提与关键。本文依托宁波轨道交通工程,基于随机场理论,对宁波软土力学参数的空间变异性展开了系统研究。其主要研究工作和研究成果如下:1)介绍了随机场的基本理论,详述了随机场的数字特征,平稳性及各态历经性概念,在此基础之上,对方差折减函数与相关距离的概念,及现有的相关距离计算方法进行了介绍。2)依托宁波轨道交通1号线工程地质勘察资料,系统归纳整理了该地区的工程地质概况,并对宁波典型软土力学参数进行统计分析,得到典型软土力学参数的特征统计量及概率分布类型,以表征宁波软土力学参数的空间随机性。3)通过对宁波软土土性参数平稳性与各态历经性的检验,表明随机场模型适用于宁波软土土性剖面。在此基础之上,根据锥尖阻力qc,得到宁波软土各土层竖向相关距离和相关函数形式;通过力学参数Es,得到宁波软土各土层的水平相关距离;并利用Bootstrap方法,对宁波软土各土层相关距离进行均值置信区间估计,得到宁波软土各土层相关距离的代表值,以表征宁波软土力学参数的空间结构性。对宁波软土竖向相关距离展开进一步讨论,对宁波软土各土层竖向相关距离进行拟合优度检验,检验结果表明其最优概率分布为Beta分布,并建立各土层竖向相关距离的概率分布模型;以CPT测试数据为样本,对空间递推法确定竖向相关距离过程中所遇到的多个峰值点问题展开研究,阐明应选取第一个峰值点作为相关距离值;分析取样间距对宁波软土相关距离的影响,提出宁波软土相关距离在取样间距变化时的确定原则。介绍了随机场的建模方法,并应用协方差矩阵分解法,结合实际工程的勘察数据建立力学参数的随机场模型。

关键词： 高延性混凝土   蒸养制度   力学性能   水化机理   微观结构  

摘要： 高延性混凝土(High Ductile Concrete,简称HDC)是一种具有高强度、高韧性和高耐损伤能力的新型结构材料。近年来,它凭借优良的力学性能已被广泛应用于土木工程领域。但由于HDC中含有粉煤灰等水化较慢的矿物掺合料,其养护龄期长达60d以上。而蒸汽养护能加快胶凝材料水化速率、促进混凝土强度发展。因此,研究蒸养后HDC力学性能并提出一种快速养护方法,对HDC的进一步推广与应用具有重要意义。在课题组前期研究的基础上,本文对蒸养后HDC抗压强度、弯曲韧性、抗折强度以及材料水化机理、微观结构进行研究,其主要内容如下:(1)分别进行蒸养后HDC立方体抗压、棱柱体抗折试验研究。以常温养护试块相应强度作为对照,分析恒温温度、恒温时间及蒸养模式对三种强度等级HDC抗压强度和抗折强度的影响;通过对试验数据的回归分析,建立抗压强度与恒温温度、恒温时间的相关公式,为HDC蒸养抗压强度的预测提供依据。(2)进行HDC棱柱体四点抗弯试验研究。分析养护方式、恒温蒸养参数(恒温温度、恒温时间)和蒸养模式对HDC弯曲韧性的影响,其结果主要与粉煤灰高温水化作用有关;建立受弯与受拉转换公式,通过四点抗弯试验结果评价蒸养后HDC抗拉性能。其中,极限拉应变的变化主要与弯曲韧性有关,而抗拉强度的变化程度基本与抗压相似。(3)进行X射线衍射、扫描电子显微镜等材料微观性能试验。对比分析常温养护与蒸汽养护下HDC浆体物相组成的变化规律以及显微结构的特征差异。XRD、SEM试验结果均符合相应宏观力学性能表现。其中,水泥的不充分水化以及硬化浆体产生的微裂缝是影响蒸养后HDC宏观力学性能的重要因素。(4)基于试验探究的九种蒸养制度,综合HDC抗压强度、弯曲韧性、抗折强度等各项力学性能测试结果,分别确定三种强度等级HDC对应的最优蒸养制度;同时,从工程应用角度指出,制定HDC蒸养制度应根据蒸养前早期强度选择相应蒸养模式,实现恒温温度和恒温时间的最优匹配并合理控制升、降温速率,保证蒸养过程中较高的相对湿度。

关键词： 细观力学   随机骨料模型   数值模拟   高强混凝土  

摘要： 现有研究侧重于混凝土的宏观力学性能,在细微观层次涉及较少。细观层次上,混凝土是由水泥基项、骨料和两者之间的界面过渡区构成的三相复合材料。高强混凝土具有优良力学性能,已成为未来混凝土技术发展的方向,但相关研究仍处于初级阶段。本文基于随机骨料方法建立高强混凝土细观模型,在细观层次上分析高强混凝土的宏观力学性能。论文主要工作有:（1）基于骨料分布和形态的随机特性,应用瓦拉文公式确定混凝土试件截面骨料分布,对ABAQUS软件进行二次开发,应用Python编程方法生成随机分布的混凝土骨料颗粒数值模型。（2）通过ABAQUS软件对混凝土随机骨料模型进行有限元网格剖分,并赋予各相细观单元相应的力学性能参数。基于损伤分析方法,应用有限元程序,生成可进行数值模拟的高强混凝土数值模型。（3）以C80高强混凝土为研究对象,利用生成的数值模型,对其进行单轴拉伸、压缩模拟分析,得到了高强混凝土的应力-应变曲线和损伤单元演化图。另外,数值模拟了高温后C80高强混凝土的抗拉压性能。为了对比分析,本文建立了C20、C40、C60混凝土的细观数值模型,并考虑端部约束的影响。由于界面不同,普通混凝土与高强混凝土有本质区别。本文基于细观力学数值方法,研究高强混凝土的力学性能和破坏机理,并探讨高温作用对高强混凝土力学性能的影响。本研究可为进一步讨论高强混凝土在复杂应力作用下的力学性能提供参考。

关键词： 课程建设   微课   案例库   教学改革  

摘要： 《土力学与基础工程》是土木工程专业的核心课,也是道路桥梁与渡河工程专业的专业教育必修课。为丰富《土力学与基础工程》课程教学资源,共制作出24个微课视频,整理出12个工程案例,设计出30道各含60组不同参数的计算题。这些课程教学资源的运用均取得了很好的教学效果。在课程考核方式中增加了课堂表现与回答问题,调动了学生预习、听课、复习的积极性。通过上学期的教学实践,课程建设与教学改革取得了明显的成效。

关键词： 路基工程   水泥煤渣改良土   冻融循环   强度特性   损伤演化   屈服面   本构关系   动力特性  

摘要： 辽宁位于我国东北部,属季节性冻土地区。与常温土相比,季节性冻土的物理力学性质较不稳定,受季节变换的影响巨大。建设在季冻区的道路工程大多存在着不同程度的冻害。对于石灰改良土和水泥改良土此类常用的改良土路基填料,往往在工程建设完成的初期有良好的工程性质,但在经历数次冻融循环作用后其物理力学性质就会有大幅下降,影响工程的使用。因此,季冻区的道路工程除应满足行车荷载的要求外,还需具有一定的抗冻能力。本文以京沈客专阜新-彰武段路基工程作为研究背景,根据京沈客专阜新-彰武段的设计资料以及现场取回的风积砂土样,通过掺加煤渣及水泥的方式对风积砂土进行了化学改良。利用GDS冻土动、静三轴试验系统、GDH2005B型高低温试验箱及GE Optima 520型医用CT机开展了水泥煤渣改良土的冻融循环试验、三轴试验、CT扫描试验和动力特性试验,对冻融循环作用下水泥煤渣改良土的力学特性进行了研究。通过以上研究及分析,获得了以下研究成果如下:通过开展不同配合比及养护龄期下水泥煤渣改良土的强度及冻胀试验得出了水泥煤渣改良土的最优配合比及养护龄期,利用灰色理论构建了冻胀率的GM(1,1)模型,对水泥煤渣改良土的冻胀规律进行了预测,分析其防冻胀机理;开展了不同冻融循环条件下水泥煤渣改良土的CT扫描试验,研究了冻融循环对水泥煤渣改良土内部结构的影响,获得了冻融循环条件下水泥煤渣改良土孔隙的发展规律,结合三轴试验结果得出了综合考虑冻融-加载条件下的总损伤变量表达形式及演化规律;利用GDS冻土动、静三轴试验系统,对不同冻融循环次数下水泥煤渣改良土进行不同围压条件的CD试验,分析了冻融循环次数对水泥煤渣改良土剪胀屈服面及剪缩屈服面的演化规律的影响,通过引入冻融循环影响因子对椭圆-抛物线双屈服面本构模型进行了修正,对修正后的模型进行了验证;开展了不同冻融循环条件下水泥煤渣改良土的动力特性试验,分析了水泥煤渣改良土动力参数的变化规律,建立了水泥煤渣改良土阻尼比的简化计算模型,采用基于结构元的多元模糊回归方法建立了水泥煤渣改良土临界动应力的回归方程,根据模糊临界动应力提出了水泥煤渣改良土累积变形的预测模型。该论文有图89幅,表28个,参考文献151篇。

关键词： 冻结黏土   力学特性   蠕变   本构模型  

摘要： 近年来,随着我国西部大开发战略的不断实施,内蒙古、甘肃、山西、陕西等地区掀起了煤矿新井建设的热潮,冻土的力学特性对于矿井的建设有着很重要的影响,科学家对西部地区冻土的物理力学性质做了大量的研究。由于宁东地区特殊的工程水文地质条件,具有很多的不确定性,我国对于宁东地区的冻土力学特性的研究相对较少,所以本文对宁东地区的冻土力学特性做了进一步研究,希望能够给宁东地区矿井建设提供一定的参考。本文以宁夏红墩子矿区建设为背景,以红四矿主、副矿井的冻土为研究对象,采用、比热测试装置、导热系数仪、微机控制冻土试验机等装置,探究了冻土物理力学特性,包括冻土的组成、热物理特性以及影响因素、单轴压缩试验、三轴剪切试验和单轴蠕变试验,并进一步探究了冻土的本构模型,得到的研究结果如下:1、冻土是比较复杂的多项体系,主要是由固(固体矿物颗粒)、液(未冻水)气体以及冰组成。主要热参数有土的冻结温度、冻土的比热容以及冻土的导热系数等。土的冻结温度与颗粒粗细度、含水率以及深度有关:颗粒细则其冻结温度低,颗粒粗则其冻结温度高,随着含水率的增加,冻结温度呈现上升趋势,冻结温度随深度的增加而降低;冻土的比热容与土层矿物含量以及含水率有关:土层中矿物含量越大,土骨架比热容越高,着含水率的增加,土的比热容也增加;冻土的导热系数与含水率、土性以及温度有关:导热系数随着含冰率的增加而增大,粗颗粒的导热系数比细颗粒的导热系数大,冻土的导热系数随着负温的降低而缓慢增大;冻土的冻胀性与含水率有关,含水率越高,冻胀力越大。2、将试样分别在-5℃、-10℃和-15℃三个温度梯度下进行单轴压缩试验,得到冻土单轴抗压强度的应力-应变曲线,以及冻土的弹性模量与泊松比,试验结构表明:冻土抗压强度随着冻土温度的降低而增加,并且这种增加的趋势逐渐趋于缓慢;单轴抗压强度随着水含水率的升高呈现上凸抛物线的变化趋势;在一定范围内冻土单轴抗压强度随着应力加载速率的增大而变得越来越大;冻土的弹性模量随着温度的降低而增大,而且这种增大的趋势趋于缓慢;随着含水率增加,冻土弹性模量呈现上凸抛物线的变化趋势;冻土的泊松比随着温度和含水率的降低而减小。3、由冻土的三轴剪切试验结果可知:温度越低冻土黏聚力的值越大,冻土的内摩擦角随温度的降低而减小;冻结黏土的黏聚力与内摩擦角随着含水率的增加而降低;随着围压的增加,剪应力-轴向应变曲线在达到强度极限后出现软化现象。4、对宁夏红墩子矿区的冻结黏土进行单轴蠕变试验,确定了基本参数包括m值、A值、α值以及x值,并确定冻土在简单应力作用下的本构方程。