关键词： 聚丙烯纤维混凝土梁   冻融循环   抗弯性能  

摘要： 随着我国经济建设，城市化建设和乡村振兴建设持续不断地推动，在过去几十年，我国修建的大量建筑随着时间的推移，受工程环境、温度变化、所用材料等因素的影响，建筑物在未达到设计使用年限就因强度降低、剥落甚至开裂，导致工程结构问题日益严重。因此为提高混凝土的抗冻耐久性能，现采用在混凝土中加入纤维的方式去提高抗冻性。通过室内模拟环境方法，研究冻融循环后聚丙烯纤维混凝土基本力学性能和简支梁受弯性能。主要研究内容如下：　　(1)本文选用C40、C50普通混凝土和同等级0.9kg/m3聚丙烯纤维混凝土进行0~200次冻融循环试验,对比分析冻融循环后混凝土外貌特征、抗压强度损失和质量损失。建立了冻融损伤演变模型，并依此对聚丙烯纤维混凝土冻融循环N次后的立方体抗压强度进行了预测。试验结果表明：冻融循环开始到200次结束时，试件表面从刚开始少量孔洞到逐渐连成面积大，深度大的孔洞;表面砂浆由平整光滑到凹凸不平，逐渐加深为大块脱落，最后发展到内部粗骨料脱落。掺入了聚丙烯纤维的混凝土缓解了混凝土微裂缝的扩张，起到了一定的增韧作用，使得混凝土整体较密实，可以减小冻融后混凝土质量损失，同时提高冻融初期混凝土强度损失。　　(2)本文以冻融循环次数、混凝土强度等级和有无聚丙烯纤维的加入为变量，通过简支梁静载试验，研究冻融循环和荷载作用下对简支梁的破坏形态、裂缝数量和宽度、跨中截面混凝土应变、跨中荷载-挠度曲线、开裂荷载和极限荷载的影响规律。试验结果表明：聚丙烯纤维的加入可以防止试件梁发生脆性破坏，仍为延性破坏。冻融循环后的简支梁跨中纯弯段截面应变基本呈线性变化，所有简支梁受弯过程中基本符合平截面假定。随着冻融循环次数的增加，梁在相同荷载下的挠度也增加，梁的刚度逐渐减小，简支梁的开裂荷载和极限荷载逐渐减小。　　(3)基于试验实测数据、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-2008)和过往文献，对冻融循环后聚丙烯纤维钢筋混凝土梁的开裂弯矩和正截面受弯承载力计算公式进行合理修正，并将计算值与试验值进行对比，评价公式的适用性。

关键词： 冻融循环   玉米秸秆纤维   抗弯性能   混凝土损伤  

摘要： 随着科学研究的进步,新兴技术的发展,世界格局发生翻天覆地的改变,不再以牺牲环境为代价来换取经济的腾飞,我国强调绿水青山就是金山银山,强调可持续发展.如今更是禁止焚烧秸秆,随之而来的问题就是大量秸秆如何处理的问题.本文的创新点就在于研究玉米秸秆纤维和混凝土共同工作的性能.本文立足于可持续发展的中心思想,研究玉米秸秆纤维材料,符合绿色发展的道路,也来自古人的智慧,现如今需要将秸秆材料做成纤维状,以期在微观世界中起到抑制混凝土裂缝的作用.由于玉米秸秆纤维属于植物纤维,其耐久性饱受质疑,基于前辈研究材料的基础上,进行纤维的预处理,而后掺入混凝土材料中,研究其对混凝土梁的增强程度以及在冻融循环作用下对混凝土梁的改善程度.本文主要试验内容及研究结论如下:(1)本文利用吉林省本地材料制作玉米秸秆纤维混凝土,考虑纤维掺量和冻融循环的影响,再根据前人得到的掺率区间,确定了最优配合比;(2)用快速冻融法进行冻融,分析经过不同冻融循环情况下试块的表观形态、质量损失率以及相对动弹性模量,其次分析不同冻融循环次数对混凝土力学性能的影响.然后制作玉米秸秆纤维混凝土梁进行四点抗弯试验与普通混凝土梁进行对比;(3)观测冻融后的玉米秸秆纤维混凝土与未冻融的玉米秸秆纤维混凝土的抗压强度损失率、相对动弹模量、质量损失率;(4)通过控制位移加载梁后得出的数据,导入Origin软件,输出荷载位移曲线,对比各组试件,发现从整体来看,不管是未冻融,还是冻融50次、冻融100次,综合能力最好的都是1%纤维掺率的玉米秸秆纤维混凝土;(5)在梁抗弯加载的过程中,使用DIC设备进行裂缝的观测.发现玉米秸秆纤维的掺加,有效提高了混凝土微裂缝的开展.裂缝宽度的发展得以抑制改善;(6)最后使用Abaqus软件进行了冻融循环模拟温度应力的分析,使用输出后的温度应力场,再进行梁的抗弯加载,其破坏方式、裂缝分布及荷载位移曲线和试验数据误差在10%以内,总体趋势不相上下.

关键词： 新型透水混凝土   暴雨内涝   疲劳荷载   冻融循环  

摘要： 近年来,极端暴雨的频率与强度逐渐上升,暴雨诱发的城市内涝灾害席卷全球,严重威胁人们的正常生活,铺装透水混凝土路面可有效降低暴雨内涝的风险。然而,传统透水混凝土普遍存在强度低、长期性能差、在暴雨作用下易堵塞且难修复等问题。且透水混凝土在使用过程中,必将承受荷载与环境因素作用,而这些作用必将影响其暴雨作用下的抗堵塞性能,这也是现阶段制约工程应用的所在。既有研究虽取得了新进展,但面临的主要问题是暴雨作用下易堵塞,且未探明疲劳与环境因素后,透水混凝土暴雨作用下的快速堵塞性能演化规律及机理。基于此,本课题制备了上下直通孔型新型透水混凝土(NSRPC)。探究了疲劳荷载与冻融循环单独及耦合作用对NSRPC抗暴雨内涝的影响及作用机理;获得了不同重现期暴雨作用下,NSRPC抗暴雨内涝的极限状态及性能经时变化规律。取得的主要结论如下:(1)研究了冻融循环对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,利用三种重现期暴雨试验检验了冻融循环后NSRPC的渗透性,获得了冻融循环后NSRPC抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,人工孔道削弱了NSRPC的抗冻性,但300次冻融循环后,NSRPC的质量损失率仍低于2%,相对动态弹性模量高于80%,抗压强度最高为55.4 MPa。随着冻融循环次数的增加,NSRPC的透水系数不断降低,且钢纤维的加入能抑制冻融后期NSRPC渗透性的下降。此外,所有NSRPC均能满足20或50年重现期暴雨作用下无积水的要求;更甚者,钢纤维体积掺量为2%的NSRPC能满足100年重现期暴雨作用后无内涝且排水时间远小于15 min的要求。(2)研究了疲劳荷载对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,同时考虑二级公路对应不同使用年限内疲劳循环次数的变化,得到了基于疲劳荷载的NSRPC抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,适当的疲劳循环次数(<5×10～4)可以增加NSRPC的抗压强度,2×10～5疲劳循环次数作用后,NSRPC的抗压强度下降了15.6%。NSRPC的透水系数几乎不随疲劳循环次数的增加而变化。随着钢纤维含量增加,NSRPC基体内部积累的损伤降低,塑性变形减小。在20年、50年和100年重现期暴雨作用下,疲劳荷载作用后NSRPC表面产生的最大积水深度分别为0.4 mm、0.9 mm和2.1 mm,降雨结束后积水可以通过自排水消散,满足疲劳荷载作用后暴雨期间无内涝的要求。(3)研究了疲劳与冻融循环耦合作用对NSRPC抗暴雨内涝性能的影响,依次通过疲劳-冻融试验检验了NSRPC在疲劳与冻融环境中抗暴雨内涝性能的变化规律。结果表明,疲劳荷载加剧了NSRPC后期的冻融损伤。随着疲劳循环次数的增加,NSRPC的抗压强度和抗折强度损失率不断上升,透水系数先降低后增加。疲劳循环次数的增加促进了微观裂缝的产生与拓展,提供了更多水分侵入基体的通道。疲劳与冻融循环耦合作用后,NSRPC的质量损失最低仅为1.8%,相对动态弹性模量可以达到89.2%;NSRPC在20、50和100年重现期暴雨作用下,最大积水深度小于150 mm,排水时间小于15 min,满足二级公路的使用需求。综合考虑疲劳与冻融循环耦合作用后NSRPC的强度、耐疲劳性、抗冻性能、渗透性及抗暴雨内涝性能,将此种上下直通孔型新型透水混凝土用于缓解城市暴雨内涝问题是可行的。研究结果不仅可以为NSRPC在实际使用过程中提供方向,并可以为相关技术标准的制定提供相关的指导。

关键词： 冻融循环作用   矽卡岩   分形维数   本构方程   边坡稳定性分析  

摘要： 新疆地区矿产资源丰富,为国家经济可持续发展提供了充足力量。然而,由于新疆的严寒气候、季节性温差变化大等原因,矿山岩体工程建设长期受到了冻融风化的影响,对岩体工程的稳定性和矿山工作人员的安全造成了威胁。因此,探究冻融作用下岩石的损伤特性,对长期处在冻融环境下岩体工程安全稳定性具有重要指导意义。通过开展室内试验、理论分析和数值模拟等手段,主要完成的研究工作和成果如下:(1)开展了不同循环次数下矽卡岩的冻融试验和单轴压缩试验,得到了岩样的质量变化率、峰值抗压强度、变形模量等物理力学参数随冻融次数的增大而逐渐减小的趋势;且试样单轴压缩破坏的模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,冻融周期越长,破碎块数目越多。(2)开展不同冻融周期下矽卡岩的P波试验和SEM试验。随着冻融次数的增大,岩石的P波速逐渐降低,试样内部细观结构损伤演化明显,裂纹增加并相互贯通,且试样的SEM裂纹分形维数随冻融循环次数的增大而逐渐增加;对矽卡岩宏观力学性能劣化与细观损伤进行了关联分析,分析了矽卡岩冻融作用下的损伤机理。(3)基于连续介质理论和Weibull统计分布函数,引入以分形维数为基础的系数γ=fn/fs,(fs为岩样SEM图像中的最大的分形维数),建立了冻融作用下矽卡岩单轴压缩的损伤本构模型。并结合室内试验数据对模型的合理性进行了验证。(4)基于广义Hoek-Brown准则的岩体力学参数选取的方法,得到了不同循环次数下矽卡岩体的弱化参数。通过FLAC3D数值模拟对边坡稳定性进行分析评价,发现了边坡稳定性系数随循环次数的增大而逐渐降低,探究了边坡冻融作用下失稳的内在机理。

关键词： 季节性冻土   隧道衬砌   三点弯曲梁冻融试验   数值模拟  

摘要： 多年冻土和季节性冻土分布范围无论是在全球还是我国都十分宽广,冻土主要分布在北半球,而我国冻土区域主要集中在西北、东北、华北、华中部分地区。大量隧道修建于冻土区,在西北地区,由于昼夜温差相差较大,冻融循环作用对隧道衬砌混凝土性能影响较大,同时也是混凝土材料劣化的主要根源。季节性隧道衬砌混凝土在服役期间往往是一侧受到冻融循环作用,因此研究混凝土材料在单面浸水条件下的断裂损伤性能,分析其在此条件下材料微观的断裂机理,通过采用室内试验的方式揭露单侧受冻融循环作用的衬砌断裂性能劣化机理为季节性冻土隧道的建设和管养提供理论指导意义。本文主要研究内容和结论如下:(1)根据对现场隧道附近的温度、湿度环境进行监测,并总结规律,制定室内试验冻融循环机制,然后进行室内冻融试验,分别从混凝土试件表观特征和质量等方面进行分析。冻融试验后混凝土试件经过冻融循环后,表面出现脱落,掉渣等现象。对试件进行质量测试,在冻融次数很少时,混凝土试件的质量出现小幅度增加,随着冻融试验的进行,混凝土试件出现质量降低的情况,在冻融50次循环后,混凝土试件质量损失了2%。(2)将经过冻融循环试验后的混凝土试件进行三点弯曲断裂试验,分别从荷载-位移,抗弯强度和断裂韧度等方面对混凝土试件进行断裂性能分析,随着冻融循环的增加混凝土试件极限荷载出现逐渐降低的趋势,50次冻融循环后极限荷载降低了16.3%。抗弯强度也随着冻融次数的增加而降低。在单面浸水条件下断裂韧度随着冻融循环降低值较小,两者存在线性相关的趋势。(3)裂缝扩展的方向影响着裂缝扩展时间及扩展长度,扩展方向影响着试件的受力状态。扩展角度较大时,裂缝扩展时间长,试件顶部和中部以受压为主,试件底部即预制裂缝尖端以受拉为主,扩展角度较小时,试件主要以受压为主。冻融循环对试件的受力状态有一定的影响,特别是冻融次数较大时影响效果明显。(4)采用数值模拟软件PFC2D对微观参数进行标定,模拟了三点弯曲梁在冻融次数为0次、10次、20次和50次条件下的断裂试验。通过和室内试验结果进行对比,PFC2D数值模拟结果和室内试验结果较为吻合。

关键词： 裂隙灰岩   冻融循环   物理特性   力学特性   劣化机理  

摘要： 本文以川藏线沿线寒区工程为背景,灰岩为研究对象,采用预制裂隙的方法,设置了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7组不同倾角裂隙灰岩试件,并以1组完整灰岩试件作为对照,首先通过查阅资料、预实验等方法确定了冻融循环试验参数,然后通过冻融条件下的物理力学试验,结合冻融损伤力学、冻土学、岩石力学等理论分析,系统研究含裂隙灰岩在冻融循环作用下的物理力学特性变化及劣化机理,主要成果如下:(1)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的质量、吸水率等物理性质的分析,发现裂隙灰岩的质量损失率和吸水率随着冻融循环次数的增大而增大,但增加速率不同,质量损失率在40～60次冻融循环后的增长速率快于20～40次和60～80次,吸水率则相反,并因此定义了冻融循环作用下裂隙灰岩的两个劣化阶段:孔隙发育阶段和物质剥落阶段。(2)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的物理特性劣化特征,对试件的剥落和新孔隙形成情况进行了研究,并通过岩石冻融循环后新形成的开口孔隙率表示岩石孔隙劣化特征,实现了动态描述单个试件在冻融循环过程中所新形成的开口孔隙,避免了吸水率只能通过对比不同试件,不同冻融循环次数后的吸水情况来描述整体变化情况的不足。通过对裂隙灰岩试件表观劣化特征分析,发现裂隙灰岩在裂隙尖端和试件的端面出现由外向内、由浅到深的层进式剥落现象,并将其定义为冻融循环导致的灰岩局部层进式劣化机理。(3)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的强度参数、变形参数、抗冻性系数等力学参数的分析,发现预制裂隙对灰岩试件强度的影响大于冻融循环作用,冻融循环作用对裂隙灰岩试件新孔隙的形成作用大于预制裂隙,且预制裂隙的存在会促进冻融循环对裂隙灰岩新孔隙的形成。试件的强度参数和变形参数都随着冻融循环次数的增大而减小,裂隙对试件强度参数的影响大于变形参数,冻融循环作用对试件变形参数的影响大于强度参数。本次冻融循环试验后裂隙灰岩试件的抗冻性系数R任然大于0.75,表明本次试验所用试件抗冻性较好。(4)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的力学特性劣化特征,对裂隙灰岩力学参数的劣化情况进行了分析,发现各力学参数的劣化度和阶段劣化度都随冻融循环次数的增加而增大。第一、第二冻融循环阶段,劣化影响序列为变形模量>弹性模量>峰值强度,第三、第四冻融循环阶段,劣化影响序列为弹性模量>变形模量>峰值强度。然后根据体积膨胀理论和水迁移原理对裂隙灰岩冻融循环后力学损伤机理进行了分析,发现冻胀力犹如在岩体内部进行循环加载,最终使裂隙灰岩力学参数出现劣化。最后运用宏观损伤力学方法,推导了本次试验灰岩在冻融循环作用下的损伤劣化方程,并用试验所得结果进行了验证。

关键词： X型节理岩体   DIC技术   冻融循环   冻胀力   损伤模型  

摘要： 随着以川藏铁路为代表的大批重点工程持续向寒区推进,工程岩体常处于寒区大温差环境下,常与外界产生长期冻融风化作用,导致岩石力学性能劣化。同时,受构造应力的影响,自寒区工程岩体除平行节理岩体外,还存在大量X型节理岩体,节理空间几何特征对岩体力学特性均具重要影响。目前,在相交节理间相互干涉及冻融循环耦合影响下,X型节理岩体破坏机理尚不明确,限制了对相关岩体工程的科学评价。本文以典型X型节理岩体为研究对象,以该岩体在冻融循环与荷载耦合作用下的工程环境为背景。将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞及包围孔洞的岩石组成。基于圆孔扩展、体积冻胀等理论,考虑岩石I型断裂韧度的细观演化,采用岩体单元表征方法建立有效抗拉面积弱化的I型断裂韧度劣化模型。考虑两相交节理相互之间的干涉效应,根据节理几何特征、节理结构面应力分布、结构面间的冻胀力等参数,得到X型主次节理尖端的应力强度因子。将冻融循环作用下I型断裂韧度劣化模型与节理尖端I型应力强度因子相结合,建立岩体宏观结构面扩展模型。利用X型节理岩体相似材料加载试验,采用高速摄像仪等精细化量测手段,验证相交节理间干涉效应的结构面扩展模型。综合运用断裂力学、损伤力学等理论深入研究相交节理间相互干涉及断裂韧度的劣化构建X型节理岩体损伤模型。利用该模型揭示相交节理间的相互干涉机制及冻融循环对X型节理岩体力学性能劣化机制,能为寒区相关岩体工程的科学评价提供理论依据。