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关键词： 含泥砂土   力学特性   PFC3D模拟   三轴试验   真三轴试验  

摘要： 对于饱和密实含泥砂土力学特性的研究,细观力学特性能很好的揭示砂土试样的宏观力学行为。本文针对南昌某地铁站底板下的砂土为研究对象,采用PFC3D对室内常规三轴试验进行了数值模拟,对砂土模型细观参数的敏感性进行了分析,并通过细观的接触力链和位移场对砂土模型细观力学特性进行了研究。并使用所标定的常规三轴试验的细观参数,通过PFC3D模拟的真三轴试验,进行了验证和分析。本文主要研究工作及成果如下:(1)进行了室内常规三轴试验,试验中掺加了三种含泥量:0%、5%、10%,设置了100kPa、200kPa和400kPa三种围压,并在排水和不排水两种条件下进行试验。(2)采用软件PFC3D对常规三轴试验进行模拟分析,相关模型尺寸和土体参数与试验参数一致,以符合实际试验条件。对各个细观参数的敏感性进行了分析,结合整个剪切过程和弹性变形阶段的偏应力应变曲线,研究了各个细观参数对峰值强度、峰值强度对应的应变变化情况、初始杨氏模量、剩余强度等的影响。(3)对细观参数进行了标定,使模拟的曲线与实际的室内试验曲线相互拟合。将模拟曲线同时与室内试验和理论计算曲线进行对比分析,发现模拟曲线与试验和理论计算曲线拟合度较高。(4)结合含泥量0%、5%、10%的砂土模型,在100kPa、400kPa围压下,分别通过排水与不排水剪切的三轴试验,在轴向应变5%、10%、15%、20%时的模型位移场与接触力链图,分析了含泥量的变化、围压变化等对模型细观破环的影响,并分析了内在的破坏机理。(5)进行了真三轴含泥量为0、5%、10%的试验模拟,将常规三轴标定好的细观参数,带入真三轴模型中,发现PFC3D的数值模拟的曲线大多数与等量代换法b值为1的理论计算曲线能够较好的吻合,并通过模型在5%、10%、15%、20%的轴向应变下的位移场与接触力链,对真三轴的细观破坏机理进行了分析。

关键词： 季冻区   冻融循环作用   水泥改良粉砂土   静力特性、动力特性   微观分析  

摘要： 东北属于典型季节性冻土区,粉砂土分布广泛,在道路工程建设时不可避免遇到粉砂土路基。在反复冻融循环作用下,粉砂土力学性质会发生显著变化,从而导致道路出现严重病害。因此,对粉砂土进行有效改良,对于冻土区路基工程建设、路基工程病害防治、环境保护等均具有十分重要的意义。目前,工程界已经依据工程建设经验使用水泥对粉砂土进行了改良且效果明显。为更好的为水泥改良粉砂土工程实践提供理论、实验参考,本文采用室内试验、电镜扫描分析、理论分析相结合的方式,重点研究了冻融循环作用下水泥改良粉砂土的物理性质、静力特性、动力特性及其变化趋势,并从微观结构变化进行了机理分析。主要内容为:采用静三轴试验、动三轴试验分别对冻融前后不同冻融循环次数、不同水泥掺量、不同含水率条件下粉砂土压实试件的粘聚力、内摩擦角、抗剪强度、静弹性模量和动弹性模量的变化规律进行了系统研究;采用电镜扫描试验,对冻融循环作用下水泥改良粉砂土的颗粒、孔隙变化进行了定性和定量分析,应用灰色关联分析法找出了影响水泥改良粉砂土粘聚力、内摩擦角和抗剪强度变化的微观参数,进一步探究了冻融循环作用对其微观结构参数的影响。结果表明:(1)随冻融循环次数的增加,水泥改良粉砂土的粘聚力、抗剪强度、静弹性模量均呈下降趋势,内摩擦角变化规律不明显,但改良后粉砂土力学性质显著优于未改良粉砂土;(2)随水泥掺量的增加,水泥改良粉砂土的粘聚力、内摩擦角、抗剪强度和静弹性模量均呈增大趋势;(3)随含水率变化,改良前后粉砂土力学性质变化规律不统一;(4)同等试验条件下,未改良粉砂土在往复荷载作用下的塑性变形显著大于水泥改良粉砂土的塑性变形,未改良粉砂土的动弹性模量随冻融次数呈明显下降趋势,而水泥改良粉砂土的动弹性模量可稳定在10.86MPa3.98MPa范围内,且明显高于未改良粉砂土的动弹性模量,并在小幅波动中优先趋于稳定;(5)未改良粉砂土经冻融循环作用后呈蜂窝结构,颗粒呈“碎裂”状态且趋于等轴,颗粒形状更加不规则,中孔隙增多,颗粒定向性减弱;水泥改良粉砂土经冻融循环作用后呈絮凝结构,颗粒呈“聚合”状态,整体为大颗粒构成骨架、小颗粒附着且颗粒趋于等轴,颗粒圆形度降低,大孔隙增多,颗粒定向性显著。

关键词： 红砂岩   改良土   三轴试验   干湿循环   有限元   邓肯-张模型  

摘要： 湘西分布大量红砂岩,此类岩石体具有强度较低,水稳定差易崩解的特性。如何有效利用红砂岩用作填料填筑路基是此工程需要解决的问题。本文通过现场调研、土工试验、工程现场检测、理论分析等,研究了湘西红砂岩改良土力学特性,并用于实际工程应用。主要研究工作包括如下内容:(1)基于室内试验,分析了湖南某高速公路风化红砂岩的矿物成分、崩解特性、粒度分布、液塑限、击实特性等物理性质,为红砂岩力学性质的研究提供基础资料。(2)开展了红砂岩原状土的承载比CBR,膨胀性,直接剪切、回弹模量等试验,研究了红砂岩的基本力学性质。(3)通过承载比CBR,直接剪切,回弹模量以及干湿循环作用下无侧限抗压等试验进行了红砂岩改良土的力学特性研究,分析比较了国内外红砂岩改良的改良效果。通过比较石灰和水泥的力学特性并结合工程实际,选取水泥作为湘西某公路红砂岩填料的改良方案。(4)水泥改良红砂岩试样在常规三轴试验条件下,其试验曲线可以用双曲线来描述,并且应力-应变关系满足邓肯一张模型。利用三个围压环境下莫尔圆的回归切线方程,由摩尔-库伦原理推定了红砂岩原状土和改良土内摩擦角和粘聚力,揭示了掺入水泥可以大大提升红砂岩的粘聚力和内摩擦角。随着水泥的掺量的增加改良土体的抗剪强度和初始变形模量逐步增强。水泥掺量对破坏比的影响并不明显,未改良的红砂岩土初始模量、极限偏应力差是小于水泥改良红砂岩土体的。而初始变形模量和参数K、n的值都随着水泥的增加而增大。(5)基于D-P模型的变形分析表明,风化红砂岩路基在行车荷载作用下路基最大变形值为2.71mm,大于设计要求的1.77mm。采用3%水泥掺量的路基最大变形为1.66mm,符合设计要求,但此时路基土接近塑性破坏。当采用4%水泥掺量时,路基最大变形为1.12mm,路基的应力-应变状态与试验结论基本吻合。(6)通过比较现场改良段与未改良段试验路现场试验结果可知:红砂岩改良土填筑的路基满足设计要求。

关键词： 膨胀土   冻融循环   孔隙水压力   竖向胀缩位移   力学参数  

摘要： 季冻区膨胀土工程的稳定性在膨胀土的不良工程性质以及季冻区特殊的气候条件影响下受到严峻挑战,冻融作用下的水分迁移以及水分变化导致的伴生现象致使浅层膨胀土发生胀缩变形和力学性能劣化,继而严重影响该区域工程运营的安全。因此,针对季冻区膨胀土工程特点,开展基于冻融循环作用的压实膨胀土的相关研究工作对于季冻区膨胀土工程的冻融病害防治是十分必要的。为研究季冻区浅层膨胀土在冻融循环条件下的变形特性与力学特性,首先采用自制的模型箱对压实膨胀土进行冻融循环条件下的一维土柱模型试验,对冻融环境中土体内部的温度、孔隙水压力及竖向胀缩位移的变化规律进行研究。然后通过全自动三轴试验系统对经历0～7次冻融循环试验的不同含水率的试样进行不固结不排水三轴剪切试验,研究压实膨胀土的应力-应变关系、弹性模量与抗剪强度等力学参数随冻融循环次数、含水率及围压变化的规律,并基于三轴剪切试验数据建立膨胀土破坏强度的预测模型。本文的主要研究结论如下:(1)单向降温条件下,较浅处土体距离冷端较近,土体内的温度梯度较大,降温速率较快,开始冻结后温度快速降低,导致其降温曲线与湿土的典型降温曲线相比并没有明显的恒定阶段出现。在冻结过程中,土体内部降温自上而下,在上层土体发生一定程度的冻结之后,下层土体冻结时失去自由面,随着温度进一步降低,未冻水进一步发生相变,导致下层土体受到冰胀挤压,从而导致孔隙水压力小幅增长。在融化过程中,上层土体融化导致冰胀挤压力快速减小,导致下层土体中的孔隙水压力在快速增大后又迅速减小。(2)冻融循环过程中孔隙水压力和竖向胀缩位移的变化受深度和冻融循环次数的影响较大。土层深度越浅,孔隙水压力在冻融过程中的波动越剧烈,竖向位移的变化幅度越大。首次冻融过程中孔隙水压力和竖向位移的变化幅度较大,随着冻融循环次数增加,两者的变化幅度逐渐减小。在第一次冻融过程中,土体的冻胀量大于融沉量,在后期冻融作用下,土体的粘聚力和摩擦力减弱,土体抵抗沉降的能力减小,导致冻胀量小于融沉量,土体相对于初始状态表现为整体下沉。(3)冻融循环作用、含水率及围压对季冻区膨胀土的应力-应变关系有显著影响。在18.2%～24.2%的含水率范围内,压实膨胀土的应力-应变曲线形态在试样含水率不超过最优含水率时均表现为应变软化,其破坏形式均为脆性破坏;而当含水率超过最优含水率时,随着冻融循环作用次数、含水率及围压的增大,压实膨胀土的应力-应变曲线形态从应变软化逐渐向应变硬化发展,其破坏形式从脆性破坏逐渐向塑性破坏发展。(4)压实膨胀土的弹性模量、抗剪强度和破坏强度均随着冻融循环作用次数增加而减小,且均在经历多次冻融循环作用之后基本趋于稳定;随着含水率增大,弹性模量、抗剪强度和破坏强度均急剧减小;随着围压增大,相同含水率试样的弹性模量与围压之间没有表现出明显的规律性,而抗剪强度随着围压的增大而增大,且其增幅随含水率增大而逐渐减小。(5)考虑冻融循环作用和含水率对季冻区膨胀土破坏强度的影响,构建了考虑单个因素影响的二维预测模型及双因素交互作用影响的三维预测模型,并通过试验结果与预测结果的比较验证了预测模型的可靠性和合理性。

关键词： 再生混凝土   建筑垃圾   骨料   侵蚀程度   加载参数   力学性能  

摘要： 随着我国社会经济快速发展，大量建筑物拆迁造成了严重的环境污染和资源浪费。将建筑垃圾回收制备再生混凝土，对缓解垃圾污染具有重要意义。由于再生混凝土和普通混凝土在力学性能、动力性能及物理性能等方面有本质的区别，因此有必要进一步开展再生混凝土力学性能试验。本文运用室内试验的方法，进行再生粗骨料基本性能试验、再生混凝土单轴压缩试验以及三轴压缩试验，主要研究了骨料侵蚀程度及加载参数（包括围压及应变速率）对再生混凝土力学性能（包括轴向抗压强度、轴向峰值应变以及应力一应变曲线）的影响规律。研究结果表明：　　(1)在单轴压缩试验条件下，当再生粗骨料取代率相同时，随着骨料侵蚀程度的加深，再生混凝土的抗压强度降低，峰值应变增加，应力一应变曲线上升段的斜率逐渐变小，下降段的斜率几乎相等;当骨料侵蚀程度相同时，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的抗压强度和峰值应变均先减少后增加。　　(2)在三轴压缩试验条件下，当水灰比相同时，随着围压的增加，再生混凝土的轴向抗压强度和轴向峰值应变均增加，应力一应变曲线上升段的斜率不变，下降段的斜率变小。当围压相同时，随着水灰比的增加，再生混凝土的轴向抗压强度减少，轴向峰值应变增加。　　(3)在动三轴压缩试验条件下，当围压相同时，随着应变速率的增加，再生混凝土的轴向抗压强度增加，轴向峰值应变变化不大，应力一应变曲线上升段及下降段的斜率均未发生明显变化;当应变速率相同时，随着围压的增加，再生混凝土的轴向抗压强度和轴向峰值应变均增加。　　本文研究成果，可为再生混凝土应用和推广提供一定的理论依据，对以后学者做再生混凝土力学性能试验提供参考。

关键词： 全再生粗骨料   混凝土   力学性能  

摘要： 加强全再生粗骨料混凝土研究,可以有效减少对生产设备的改进,减少施工资金的浪费。受到混凝土同水灰配比的影响,其性能和强度也会有所不同。特别是近些年来受到环境污染问题的影响,资源开始出现短缺,使得建筑行业不断提高再生混凝土的利用效率,使废弃的混凝土被再次利用,有效减少了天然骨料的损耗,同时又可以在此基础上对环境进行保护。对全再生粗骨料混凝土力学性能进行研究,已经成为建筑行业工作开展的关键。

关键词： 高强混凝土   耐热混凝土   超细矿物掺合料   力学性能  

摘要： 为了提升高强耐热混凝土的力学性能,确保高温热处理后混凝土建筑材料的安全性,拓展其在非常温领域内的应用,同时实现固体废弃物的资源化利用。本文从耐热混凝土的特性及其设计要求出发,总结了目前耐热混凝土力学性能的发展现状,以及存在的问题。在此基础上,创新性提出采用超细矿物掺合料制备高强耐热混凝土,研究多种超细矿物掺合料对耐热混凝土的力学性能的影响及其作用机理,以期开发出性能更加优异的高强耐热混凝土应用于工程实际中。本文采用单因素实验,以400℃为目标温度,通过调整超细矿物掺合料的复配参数以及选取不同粗骨料制备高强耐热混凝土。以常温强度和残余强度作为指标,研究了用超细矿物掺合料制备高强耐热混凝土的可行性。以残余强度、热强度为指标,测试混凝土的高温力学性能,得到所有耐热混凝土方案中的最佳设计,随后探究其在更高温度条件下的（600、800、1000℃）力学性能变化。采用SEM、XRD对试样浆体进行微观分析,探究超细矿物掺合料对力学性能的作用机理。实验结果表明:掺超细矿物掺合料,可以制备出耐热度为600℃的普通硅酸盐高强（≥100MPa）耐热混凝土,高温热处理过程中无爆裂发生。未掺加超细矿物掺合料的试样,耐热度仅为400℃,且随着热处理温度的升高,结构劣化加快,使得混凝土力学性能大幅度退化;超细粉煤灰的使用可以优化浆体微观结构且在热处理过程中生成耐高温相,使得混凝土力学性能不降反升,但掺量过高容易引起早期强度下降;超细粉煤灰与Ⅰ级粉煤灰复掺使用,会使得常温力学性能降低,但是混凝土残余强度提升;进一步复掺偏高岭土,可以加快混凝土浆体的水化反应,且在热处理过程中生成大量耐高温相,且此过程会修复部分热处理造成的缺陷,使得混凝土耐热度达到600℃（83.5MPa）,但是Ⅰ级粉煤灰掺量不宜超过30wt.%,否则力学性能开始下降。硅灰等量替代配方中的超细粉煤灰,可以明显提升材料的力学的常温力学性能,但是混凝土的工作性能下降,而且在高温热处理过程中极易发生爆裂,同其他超细矿物掺合料复配使用时,其掺量需要严格控制。对高强混凝土安全性以及其力学性能进行对比分析,选择耐热性能最优的设计方案,确定最优配比参数:普通硅酸盐水泥用量390kg/m3,超细粉煤灰掺量为10wt.%,Ⅰ级粉煤灰掺量为20wt.%,偏高岭土掺量为5wt.%,石英砂634 kg/m3,玄武岩1126kg/m3,减水剂掺量为1 wt.%,水胶比为0.21,砂率为0.36。

关键词： 钢纤维   纳米二氧化硅   SFNS-CRC   力学性能   失效机制   高温  

摘要： 纤维纳米改性橡胶混凝土(Steel Fibers and Nano-Silica modified Crumb Rubber Concrete,SFNS-CRC)是一种新型环保高性能混凝土。钢纤维和纳米二氧化硅能使橡胶混凝土的强度提高,弥补橡胶混凝土强度低的缺陷,扩展橡胶混凝土工程应用范围。本文通过试验,重点研究钢纤维体积率、纳米二氧化硅掺量、温度、橡胶体积掺量对橡胶混凝土强度的影响,分析高温中试块破坏形态、质量损失、抗压和劈裂抗拉强度,基于微观分析研究失效机理。主要内容如下:(1)通过工作性能试验,确定纤维纳米改性橡胶混凝土的最优配合比;通过抗压试验和劈裂抗拉试验研究钢纤维体积率和纳米二氧化硅掺量对橡胶混凝土抗压和劈裂抗拉破坏形态、抗压和劈裂抗拉强度的影响。(2)与常温中的力学性能对比,研究温度、钢纤维体积率和纳米二氧化硅掺量对橡胶混凝土高温中质量损失、破坏形态、抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。(3)分析钢纤维体积率、纳米二氧化硅掺量和温度与纤维纳米改性橡胶混凝土强度的关系,建立高温中纤维纳米改性橡胶混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度计算方法。(4)采用SEM扫描电镜和XRD物相分析,研究温度和纳米材料对纤维纳米改性橡胶混凝土微观形貌和物相变化的影响,探讨纤维纳米改性橡胶混凝土失效机制。

关键词： 超高性能混凝土   内养护   纤维拔出   力学性能  

摘要： 超高性能混凝土(UHPC)是一种新型水泥基材料,具有超高强度、良好的韧性和优异耐久性,具有良好的应用前景。超高性能混凝土往往具有较大的收缩,收缩过大会影响UHPC的体积稳定性及耐久性,已有研究证明内养护材料加入超高性能混凝土中能有效降低UHPC收缩与开裂风险。本文首先确定了超高性能混凝土基准配合比,在此基础上选用页岩陶砂作为UHPC内养护用轻集料,重点研究了其对超高性能混凝土纤维基体界面粘结性能及基本力学性能的影响及作用机制。主要研究内容包括以下三个方面:(1)通过研究细集料的种类与级配、水胶比和减水剂掺量对UHPC流动度、抗压强度及抗折强度的影响,确定UHPC基准配合比。结果显示:用普通河砂替代石英砂制备UHPC,抗压强度比传统UHPC强度略有降低,材料成本降低约10%。本研究条件下,水胶比每提高0.02,流动度增加约35mm,水胶比为0.18时UHPC抗压强度最高,水胶比过低或过高均使强度下降。(2)通过纤维拔出实验研究陶砂掺量对UHPC纤维基体界面粘结性能的影响,结合自收缩实验、SEM、热重分析探讨其影响机制。结果显示:随着陶砂掺量的增加,拔出曲线滑移段下降变快,滑移硬化现象变弱。陶砂掺量对纤维基体界面粘结强度影响不大,界面摩擦应力和拔出耗能逐渐减小。陶砂掺量从0增加到30%,UHPC的28d自收缩率减小18%,使得作用于纤维上的夹紧压力减小,减弱了纤维与基体间的摩擦。陶砂自身硬度低使得纤维在受力拔出过程中,陶砂易被纤维捣碎,不能有效提供拉拔阻力。(3)通过测定不同陶砂掺量UHPC的流动度、抗压强度及拉伸性能,研究陶砂对UHPC基本性能的影响规律。结果显示:加入陶砂使UHPC流动度小幅度的提高,基体早期强度下降明显,随着养护龄期增长这种消极影响逐渐减小。随着陶砂掺量增加,单轴拉伸应变硬化现象变弱,初裂强度、峰值应力、峰值应变及耗能均逐渐减小。

关键词： 玄武岩纤维   钢纤维   力学性能   抗裂性能  

摘要： 随着世界经济的繁荣发展,世界各地掀起了基建浪潮,各个城市建起高大上的地标建筑,各个国家建设了很多重大工程。而这些地标建筑和重大工程就会对混凝土提出更高的要求,要求混凝土强度高、韧性好、流动性好,耐腐蚀和抗冲击性能好等。纤维混凝土就在这种背景下被广泛地研究应用。其中钢纤维被率先应用到工程实践中,科研工作者也对其进行了深入的研究,钢纤维具有较高的抗疲劳性、抗拉强度、抗弯极限强度、抗剪性和卓越的抗冲击性能,能够明显改善混凝土的变形性能且经济性好。但钢纤维也有很多难以克服的缺点,容易锈蚀,不耐酸碱,自重大。而玄武岩纤维抗裂性能好、耐高温、化学性能稳定、有良好的力学和物理性能、绿色环保、是增强水泥基复合材料的一种新型纤维,而且玄武岩纤维耐酸碱腐蚀性强,能增加混凝土的基本力学性能。但是玄武岩纤维价格较高,在基本力学性能上的表现没有钢纤维较为显著,尤其是抗压强度。本文以钢纤维和玄武岩纤维为变量,研究两种纤维按不同比例混掺对C60混凝土强度和抗裂性能的影响。钢纤维的掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%,玄武岩纤维的掺量为 0.6kg/m3、1.6kg/m3、2.6kg/m3、3.6kg/m3、4.6kg/m3。本次试验的主要内容和结果为:1、确定C60混凝土的配合比,配制一组C60素混凝土、不同掺量的钢纤维混凝土、不同掺量的玄武岩纤维混凝土和按不同比例进行混掺的钢纤维-玄武岩纤维混凝土,素混凝土用来做对比。养护28天后进行强度试验。2、整理试验数据并分析,发现单掺钢纤维对混凝土的抗折、抗拉强度的增强作用较为显著,当钢纤维的掺量为1.2%时,抗折和抗拉强度分别提高了 64.1%和59.6%,但是对抗压强度的增强幅度不明显,当钢纤维掺量为0.9%时,抗压强度增强了 14.1%。玄武岩纤维对抗压强度几乎没有增强效果,而且随着掺量的增加,还会对抗压强度产生不利影响,但对混凝土的抗折、抗拉强度有明显的增强效果,当玄武岩纤维掺量为3.6kg/m3时,抗折、抗拉强度的增强幅度分别为29.1%和25.3%。当两种纤维混掺时,对混凝土的抗折、抗拉强度的增强作用较为显著,当钢纤维和玄武岩的掺量分别为0.9%和2.6kg/m3时,抗折和抗压强度的增强幅度分别为87.5%和73.3%。3、通过圆环试验法研究了单掺钢纤维混凝土(1.2%)、单掺玄武岩纤维(3.6kg/m3)和混掺钢纤维与玄武岩纤维混凝土(钢纤维:1.2%,玄武岩纤维:3.6kg/m3)的抗裂性能,这三种混凝土中纤维的掺量均是在混凝土基本力学性能试验中得到的最佳掺量比例。分析试验数据发现,与素混凝土相比,掺入纤维的混凝土裂缝的数量更少,宽度也显著地减小了,表明适量的纤维能够提高混凝土的抗裂性能。钢纤维对高强混凝土抗裂性能的增强作用相较于玄武岩纤维有所不足,其裂缝降低系数为69.8%,限裂等级为二级;而玄武岩纤维的裂缝降低系数为84.5%,限裂等级为一级。按最佳掺量比进行混掺的混杂纤维混凝土裂缝的数量和面积都远低于素混凝土,其裂缝降低系数为93.9%,限裂等级为一级,对混凝土抗裂性能的增强作用最为显著。