关键词： 岩土工程   防盐-冻胀道路结构   盐-冻融循环试验   盐-冻胀变形   防灾效能  

摘要： 新疆南疆盐渍土分布较广,盐渍土引发的工程灾害也较为严重,南疆的城市道路因季节性的盐-冻融循环作用产生的损伤破坏问题是亟需研究的重要课题。南疆阿拉尔市初建的大学路和塔里木大道损伤破坏路段变形监测及试验研究表明:造成道路损伤破坏的主要原因是其水泥稳定基层受季节性的盐-冻融循环作用,道路结构水盐迁移积聚后水泥稳定基层发生盐-冻胀变形所致。研究提出防盐-冻胀道路结构设计方案,应用水-盐-温多场耦合环境模拟实验系统对防盐-冻胀道路结构进行盐-冻融循环作用试验,开展防盐-冻胀道路结构盐-冻融循环作用机制研究。运用实时监测系统监测不同环境工况下道路结构内部水-盐-温变化和盐-冻胀变形,分析盐-冻融循环作用后各结构层材料强度衰减规律,结合SEM微观表征分析方法,研究总结道路结构盐-冻融循环作用机制,评价防盐-冻胀道路结构的防灾效能。主要研究结果如下:(1)道路各结构层的温度梯度随着路基高度的升高呈现增大的趋势。在20次盐-冻融循环作用下,路基底基土在环境水盐浓度为0%时,其体积含水率最大为36.5%;当环境水盐浓度升高到1%时,其电导率最大为2.293,且对底基土水分和盐分的重分布影响最大,其体积含水率的最大增量为9.8%,电导率的最大增量为1.843,说明较低盐浓度更利于水盐在底基土中迁移聚集。(2)在不同的环境水盐浓度,盐-冻融循环作用使道路结构试样产生的最终变形都呈现累积增大的特性。环境水盐浓度为0%时,道路结构试样仅发生较小的冻胀变形,随着环境水盐浓度的升高,道路结构试样产生的盐-冻胀变形量随之增大。(3)道路各结构层材料的强度衰减分析表明:随着盐-冻融循环作用的增加,沥青混凝土面层材料的强度显著减小,说明其承受荷载能力减弱;级配碎石稳定基层材料的承载比呈减小趋势;风积砂垫层材料中盐结晶持续增多导致其强度降低;在底基土中,参与盐-冻融循环作用土样的CBR值均低于未冻融循环土样CBR值(3.3%),均都不满足路基填料承载比的要求。(4)防盐-冻胀道路结构在水盐迁移阻断方面,道路各结构层自下而上电导率和含水率大小相差较大且呈递减规律;在不同的环境水盐浓度中,防盐-冻胀道路结构产生的盐-冻胀变形量均小于原道路结构的变形量,说明防盐-冻胀道路结构具有较好的抵抗硫酸盐侵蚀的能力,防盐-冻胀病害效果显著,更能适应南疆地区盐渍化道路环境。

关键词： 海水海砂混凝土   应力-应变曲线   冻融循环   数值模拟  

摘要： 我国建筑行业在近年来的飞速发展中，各类大规模的工程建设如高速公路、大型桥梁、高层建筑等对混凝土的需求量也随之不断增加，势必会导致天然河砂及淡水资源日益匮乏，与我国走可持续发展的道路相悖。因此开发利用储量丰富的海水和海砂，对建筑工业可持续发展具有重要的战略意义。海水海砂混凝土是指用海水和海砂全部或部分代替淡水及天然河砂作为原材料制备而成的混凝土，本文开展了海水海砂混凝土力学性能及抗冻耐久性能试验研究，分析了海水海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线，提出了海水海砂混凝土冻融环境下单轴受压本构模型。并在试验研究的基础上通过有限元软件ABAQUS进行了数值模拟，验证了模型的可靠性。具体工作如下:　　(1)本次试验按照规范制备两种不同设计强度(C40、C60)的立方体及棱柱体试件，完成了工作性能、立方体抗压强度和轴心抗压强度试验。试验结果表明海水海砂混凝土工作性能良好，配制的试件符合设计强度要求。　　(2)选取快速冻融法对海水海砂混凝土进行冻融循环试验，并从表观形态、质量损失率、相对动弹性模量和强度损失率4个方面评估海水海砂混凝土分别在淡水/海水溶液环境中的抗冻耐久性能。结果表明海水溶液环境中混凝土的冻融损伤比在淡水溶液环境中的损伤更严重。高强海水海砂混凝土比普通强度海水海砂混凝土的抗冻耐久性强。最后基于试验数据，建立了海水海砂混凝土冻融环境下单轴受压本构模型。　　(3)利用ABAQUS有限元分析软件进行海水海砂混凝土冻融循环数值模拟，首先对未冻融的棱柱体模型进行轴心抗压试验数值模拟，与试验所得的应力-应变曲线对比;随后进行温度场的模拟，得到模型温度变化曲线，用顺序耦合的方式将温度场计算结果作为预定义场导入热应力分析当中。根据结果分析了模型的热应力和热应变以及两者随冻融次数变化的关系;最后对经历冻融循环后的棱柱体模型进行轴心抗压试验数值模拟，以强度等级和冻融循环次数为变量，分析棱柱体模型的力学性能;对比数值模拟结果与试验结果，发现用数值模拟的方式研究海水海砂混凝土冻融损伤是可行的，两者结果基本吻合。

关键词： 活性白土   水泥土   冻融   重金属Cu2+   力学性能   微观机理  

摘要： 水泥土具有使软土加固后具有优良的抗压的特性。但如果只加入水泥的话会造成水泥水化产生的OH不能够得到成分的利用,因此在水泥土中加入一些具有火山灰活性的材料使得水泥水化产生的OH得到有效的利用已成为当前研究的热点。本文通过对活性白土改性水泥土的力学特性以及在冻融和Cu影响下的力学性质进行了系统的研究。阐明了活性白土改善水泥土力学性能的作用效果和作用机理,探究了活性白土改性水泥土在冻融和重金属Cu侵蚀下的工程力学性质。以活性白土的掺量和龄期为研究对象,通过无侧限抗压试验和三轴不固结不排水剪切试验,分析无侧限抗压强度、残余强度、破坏应变、弹性模量、内摩擦角和粘聚力指标后发现:试样在掺入活性白土后,养护7d时,加入3%的活性白土的试样与基准组相比,其无侧限抗压强度达到了1146k Pa提高了66%。养护28d时,加入5%的活性白土的试样与基准组相比提升了41%。且试样在加入活性白土之后其残余强度、破坏应变和弹性模量均要优于基准组,而活性白土对试样抗剪强度的影响主要是对粘聚力的影响。同时确定活性白土的最优掺量为3%。以3%活性白土掺量为基准,设计了1、3、5和7次冻融循环次数、通过试验发现,加入活性白土可以降低试样的膨胀量,且加入活性白土后可以有效的减少试样的强度损失率,同时试样的无侧限抗压强度也相较于不加活性白土的高,但是其最终强度损失率相差不大。并且在经历冻融之后,加入活性白土还依然可以保持较高的残余强度和破坏应变,粘聚力方面加入活性白土与不加入活性白土的基准组相比分别提升了26%、0.6%、10%和12%。即随着冻融循环次数的增加,加入活性白土的试样与基准组的内摩擦角φ值均表现出逐渐上升的趋势。以3%活性白土掺量为基准,养护7d时,掺入不同浓度的Cu试样的无侧限抗压强度与不掺Cu的相比,分别下降了3%、8%、23%和35%。在养护28d时,加入3%活性白土的无侧限抗压强度与养护28d的对照组相比分别降低了17%、34%、32%和44%,加入活性白土可以明显提升试样的残余强度。在加入活性白土后在不同Cu浓度时,试样的破坏应变均高于不加活性白土的基准组。养护7d时,高浓度的Cu能够抑制加入活性白土的试样的E,使得试样抵抗变形的能力变差。养护28d时,加入3%活性白土在一定Cu浓度下可以提升试样的E,但是在高浓度（2500mg/kg）时,其效果低于只掺入水泥的基准组。粘聚力和内摩擦角方面:活性白土的掺入在养护7d时受Cu浓度的影响较大,但是当试样养护28d时,CCSA3的粘聚力与CCSA0相比,其粘聚力有明显的提升,而Cu对试样的内摩擦角的影响不大。通过进行XRD表征分析后发现活性白土中的活性Si O能够与水泥水化产生的OH发生火山灰反应。通过FT-IR可知,发现Cu主要通过与C-S-H凝胶相互作用,从而导致试样的强度的降低。通过SEM分析并通过灰白二值法定量分析,证明了活性白土对水泥土强度的提升主要通过火山灰反应和孔隙填充作用。而在冻融循环对试样的作用是通过自由水结冰膨胀导致的试样孔隙扩大,从而导致的试样的强度降低。

关键词： 地聚物复合材料   冻融循环   冻结温度   矿渣掺量  

摘要： 目的：提高地聚物的抗冻融循环性能对确保地聚物在寒区中的耐久性具有重要意义。本文旨在研究冻结温度对矿渣改性的偏高岭土基地聚物物理和力学性能的影响，以期为地聚物在寒区中的实际应用和耐久性评估提供参考。创新点：1.提出了冻融循环条件下地聚物复合材料的最佳矿渣含量；2.发现矿渣的掺入可以抑制地聚物在寒冷环境中的开裂，提高地聚物复合材料的抗冻融性。方法：1.制备不同矿渣的纤维增强聚合物并对其开展三种冻结温度的冻融循环试验；2.分析不同矿渣的纤维增强聚合物的孔隙结构特性；3.分析冻融循环后不同矿渣的纤维增强聚合物的物理力学性能；4.提出冻融循环作用下地聚物复合材料的最佳矿渣含量。结论：1.随着矿渣含量的增加，地聚物复合材料的孔隙率降低，且凝胶孔和过渡孔均逐渐减小；2.冻融循环后，地聚物复合材料中的裂缝宽度和数量都随着矿渣含量的增加而减少，表明矿渣的掺入可以抑制地聚物在寒冷环境中的开裂；3.矿渣的掺入可以显著降低地聚物复合材料在冻融循环后的质量损失率和强度损失率，进而提高地聚物复合材料的抗冻融性；4.40.0%和50.0%矿渣含量的地聚物复合材料在冻融循环后仍能保持较高的力学性能。

关键词： 细粒硫酸盐渍土   盐冻胀力   盐冻胀变形   水盐迁移   微观结构  

摘要： 盐渍土在失水或者温度降低的情况下会产生盐胀现象,严重影响结构物的正常使用。为研究细粒硫酸盐渍土盐冻胀特性,选取青海乐都公路段二十里铺区沿线硫酸盐渍土作为研究对象,采用自制试验箱,开展室内冻融循环试验,分析冻融循环条件下,不同含盐量盐渍土盐冻胀力、盐冻胀变形特性,并开展盐冻胀机理研究,主要结论归纳如下:(1)细粒硫酸盐渍土盐冻胀力随着含盐量和冻融循环次数的增加而增大,盐冻胀力的增长趋势随着冻融循环次数的增加逐渐降低。当温度低于冻结温度时,非盐胀性盐渍土仅产生冻胀力,且随着冻融循环次数的增加,冻胀力变化较小,说明冻胀具有一定累加性,但累加量不大;具有盐胀性盐渍土,盐胀与冻胀同时存在,产生盐冻胀力。不论含盐量大小,硫酸盐渍土的盐冻胀力表现为明显的累加性,含盐量越大累加性越大。冻结温度以上盐胀占比大于冻胀占比,冻结温度以下冻胀占比逐渐增大,并逐渐大于盐胀占比,温度低于-15℃以后冻胀占比约为100%。在一个冻融循环周期内,按照盐冻胀力中盐胀占比及冻胀占比随温度的变化规律,将盐冻胀力变化分为四个阶段:盐胀阶段、盐冻胀耦合阶段、冻胀阶段、融化阶段,并测得含盐量为1.5%～4.0%的细粒硫酸盐渍土冻结温度在2℃～-5℃内变化,且冻结温度随着含盐量的增加而降低。(2)土样冻结峰值和残余值随着冻融循环周期的增加而增大,且含盐量越大的土样增长速率越快,冻结峰值与冻融循环次数之间呈线性增大的关系。含盐量越大的试样其峰值增量越大,累加性越大。含盐量越大的盐渍土土样盐冻胀量越大,且随着冻融循环次数的增加而增大。残余盐冻胀力随冻融循环次数增加而增长的趋势与峰值盐冻胀力增长趋势相似。(3)土样内部的降温速率和温度变化区间均随着土样高度的增加而增大。含盐量不同,土样不同高度处的温度变化也有所不同,但其变化趋势相似。降温过程中,温度变化速率均呈现先急后缓最后趋于平稳的趋势;升温过程中,温度变化速率表现状态与降温过程相似。含盐量相同的土样在不同冻融循环周期的水分迁移规律相似,不同含盐量盐渍土在冻融循环过程中水分产生向冷端迁移的现象。随着含盐量的增加,土样冻结温度降低,冻结速率变缓,土体内部含水率迁移的速率增大。在冻融循环过程中土中的含盐量呈现向上迁移的现象,即向冷端迁移。不同含盐量土样盐分随土样高度的变化趋势相似,部分呈现“S”形分布。含盐量越大的盐渍土盐分迁移量越大,顶部与底部的含盐量差越大。水盐迁移规律对盐冻胀力和盐冻胀量的有影响,温度的变化引起水分的迁移从而带动盐分的迁移,使土样产生膨胀,说明水盐迁移是引起土样力和量变化的主要因素。(4)对无盐胀性土样进行冻融循环前后的电镜扫描分析,土颗粒间连接较为紧密,颗粒较为均匀主要以结合水连接;冻融循环后土样粉状颗粒较多,并填充土颗粒间的孔隙。具有盐胀性盐渍土土颗粒间结构连接方式以结合水与易溶盐连接为主,土颗粒大小分布不均匀,同时土颗粒表面存在少量未充分溶解的盐结晶。冻融循环前土颗粒主要呈现圆粒状,存在极少量片状结构,呈骨架状结构,颗粒间连接方式主要为胶结接触,表面存在盐结晶。土样含盐量逐渐增大时,明显看出土体中的孔隙数量增加,大孔隙和小孔隙交叉分布在土样内部。具有有盐胀性盐渍土冻融循环后,土体结构逐渐疏松,孔隙数量及大小均有所增加,架空结构增多且分布不均。在冻融循环过程中土样自土层底部到顶部的热量损失逐渐增加,温度变化梯度逐渐变小,产生的冰结晶与盐结晶逐渐减少,产生的膨胀量逐渐减小。表现为盐胀性的土样自土层底部到顶部的土颗粒孔隙数量和大孔隙数量增加且分布不均匀。

关键词： 红砂岩   冻融循环   三轴压缩   损伤演化   颗粒流模拟  

摘要： 西部大开发、“丝绸之路经济带”是我国重要的发展战略,因此越来越多的岩土工程出现在寒区。寒区具有昼夜温差大、低温持续时间长、四季交替明显等特点,这使得工程岩体易受到冻融循环作用的影响。岩石是天然地质作用的产物,内部存在微裂隙、粒间空隙、晶格边界等缺陷,在冻融循环作用下,这些缺陷会不断发育,最终导致岩石力学性能的下降,从而威胁到岩土工程的稳定性。因此,本文以红砂岩为研究对象,运用室内试验和数值模拟的方法,探究冻融循环作用对红砂岩物理力学特性的影响,并运用电子扫描电镜(SEM)从微观角度分析冻融损伤机理。主要研究内容如下:(1)对不同冻融循环次数下的红砂岩的表观特征和体积的变化进行了研究,分析了冻融循环对红砂岩物理特性的影响,并结合电镜扫描技术,从微观角度揭示冻融循环损伤机理。(2)通过对不同冻融循环次数下的红砂岩开展常规三轴力学试验,分析了冻融循环作用对红砂岩强度、变形以及破坏特性的影响,并基于力学试验结果,以弹性模量为损伤因子,建立了冻融与荷载共同作用下岩石的损伤演化方程,分析了冻融与荷载共同作用下红砂岩的损伤演化规律。(3)在颗粒流软件PFC中引入水颗粒,建立了饱水红砂岩数值模型,通过赋予水颗粒膨胀系数,来模拟冻融循环作用对岩石的影响,得到了多次冻融循环过程中试样内部微裂纹的发育情况,模拟了试样经历冻融循环作用后的变形特征和强度特征,并分析了试样加载过程中裂纹随轴向应变的演化规律。该论文有图59幅,表6个,参考文献90篇。

关键词： 冻融循环   冻融循环次数   冻结温度   冻融-蠕变模型   砂质泥岩  

摘要： 我国超80%露天煤矿分布于北纬38°以北的高寒地区,昼夜及季节性温差使得边坡岩石发生显著的冻融现象。特别是露天煤矿软岩边坡,岩石冻融损伤效应更加明显。在边坡覆岩静载的长期作用下,极易发生大规模滑坡灾害。本文从寒区露天煤矿软岩边坡的长期稳定性这一工程需要出发,以露天煤矿边坡常见的砂质泥岩为研究对象,考虑冻融循环次数和冻结温度两个因素,通过开展冻融循环试验、电镜扫描试验、单轴压缩试验和单轴蠕变试验,研究冻融损伤对砂质泥岩细观结构、物理力学特性和蠕变特性的影响规律,并基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型。得到的主要结论如下:(1)测试了冻融前后砂质泥岩质量和纵波波速,并通过电镜扫描试验分析了砂质泥岩的细观结构特征。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩质量损失率和纵波波速损失率均呈非线性指数型增大,增长幅值逐渐减小;砂质泥岩细观结构由致密变为松散,细观表面由平整变为粗糙,微裂纹和孔隙缺陷逐渐发育,冻融损伤逐渐增大。(2)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了单轴压缩试验,分析了砂质泥岩单轴力学特性和破坏特征变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩单轴抗压强度和弹性模量均呈非线性指数型减小,减小幅值逐渐降低;峰值应变呈非线性指数型增大,增大幅值逐渐降低;同时,砂质泥岩单轴破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,裂纹数量与破裂程度明显增大。(3)基于声发射试验分析了单轴压缩过程中砂质泥岩裂纹演化特征。结果表明:声发射振铃计数峰值、声发射累计振铃计数、裂纹起裂应力和裂纹损伤应力均随冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而减小,砂质泥岩整体由脆性逐渐表现出延塑性破坏特征;而裂纹起裂应力和裂纹损伤应力与峰值应力的比值基本不随冻融循环次数和冻结温度的变化而变化。(4)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了蠕变试验,分析了砂质泥岩蠕变特性和破坏特征变化规律。结果表明:相同应力水平下,砂质泥岩瞬时应变、蠕变应变和等速蠕变速率随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而增大;长期强度与单轴抗压强度之比基本不受冻融循环次数和冻结温度影响,整体维持在一定水平波动,与裂纹起裂应力有着较好的一致性;同时,砂质泥岩蠕变破坏模式由剪切破坏逐渐向复杂的张拉-剪切复合破坏转变,主裂纹数目有着明显增加,岩样完整性明显降低。(5)基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型,并对冻融-蠕变模型中的参数进行了识别和验证。结果表明:基于冻融-蠕变模型得到的拟合曲线与试验数据具有较高的一致性,可以较好地反映不同冻融循环条件下砂质泥岩的蠕变变形特征。本文研究成果可为高寒地区露天矿软岩边坡稳定性研究提供理论基础及工程指导。

关键词： 冻融循环   石灰改良粘土   静力特性   动力特性   微观分析  

摘要： 近年来随着我国综合实力不断提升,公路、铁路等基础设施建设快速推进,土体作为公路建设中必不可少的工程材料,对其进行改良,对节省工程成本,提高工程质量具有重要价值。吉林省属于季冻区,且省内多为粘土,粘土路基在冻融循环的作用下,道路经常出现各种病害,严重影响交通安全。选用石灰对粘土进行改良可以提高土体的力学性能,本文针对冻融循环作用下的石灰改良粘土进行力学试验研究。为探究石灰改良粘土在冻融循环作用下的力学特性及微观机理,本文选取0%、1.5%、3%、4.5%、6%共五种石灰掺量改良粘土,分别配制最佳含水率(w)和±2%w控制含水率条件,冻融循环次数选取0、1、2、4、6、8次。通过冻融循环试验、静三轴试验、动三轴试验得到石灰掺量、冻融循环次数对土体静、动力参数的影响。并通过电子扫描显微镜拍摄得到微观结构图像,对土体的微观结构参数进行定量分析,使用灰色关联法探究其微观参数和宏观力学参数的关联程度。本文的具体工作如下:(1)通过静三轴试验,得到抗剪强度、粘聚力和内摩擦角随石灰掺量、含水率、冻融循环次数的变化规律。研究发现冻融循环会使粘聚力、内摩擦角和抗剪强度下降,石灰的掺入会提高土的最佳含水率,当石灰掺量为4.5%时,改良土对冻融循环的抵抗性最好。(2)通过动三轴试验,研究得到素土和4.5%石灰掺量改良土在冻融循环作用下,土的动弹性模量、动剪切模量和阻尼比随冻融循环次数和加载循环次数的变化规律。研究发现随冻融循环次数增加动弹性模量、动剪切模量和阻尼比呈下降趋势。(3)借助扫描电子显微镜拍摄土样微观照片,通过Image-Pro Plus 6.0对微观照片进行图形处理并提取微观结构特征相关参数。选取结构单元体分布、平均粒径、丰度(扁平度)、分形维数和定向概率熵作为微观结构特征代表,研究分析石灰掺量和冻融循环次数对石灰改良粘土微观结构的影响。研究发现冻融循环作用使土颗粒分布松散。石灰与土发生反应使土颗粒朝等轴方向发展,冻融循环对土体的破坏同样导致丰度变大,颗粒和孔隙均向等轴方向发展。相同石灰掺量条件下石灰改良粘土的分形维数随冻融循环次数增加呈先减小再增大的趋势。石灰改良粘土的定向概率熵冻随冻融循环次数增加而增加,石灰的掺入可以小幅延后改良粘土的定向概率熵受冻融循环影响开始的时间。