关键词： 黄土地基   冻融循环   抗压强度   微观结构   力学性质  

摘要： 新疆伊犁河谷地区位于我国西北季冻区，且广泛分布第四系黄土，冻融循环过程会影响土体物理力学特性，对该地基础设施建设造成巨大危害。本文以伊犁河谷黄土作为研究对象，通过基础物理指标试验、无侧限抗压强度试验、扫描电子显微镜试验，对冻融循环下土体的力学特性及微观结构进行研究，利用灰色关联方法,建立力学强度与微观参数间的关联分析，基于力学试验数据建立冻融黄土破坏强度的预测模型，深入研究冻融作用对土体力学性质的影响。主要研究成果如下:　　（1）伊犁黄土经历冻融循环后，土体表面碎土屑增多，冻融循环一定程度后,出现凹槽、小土块掉落等现象;试样冻融前后，含水率存在不同程度的降低，但降低幅度较小，认为由冻融循环过程造成含水率变化对后期试验无影响。　　（2）冻结温度的降低和初始含水率的增加，会导致冻融土体的弹性模量和无侧限抗压强度表现出衰减的趋势;而冻融循环次数的增加，则会导致弹性模量和无侧限抗压强度表现出先降低再增大后继续减小至趋于稳定波动变化趋势。对影响因素进行显著性分析，得出:初始含水率的影响最为显著，冻融循环次数、冻结温度的影响次之;交互作用中，初始含水率和冻融循环次数两两交互作用影响较显著，其它交互作用影响较弱或影响不显著;基于BP神经网络，利用力学试验结果，建立了冻融循环下伊犁河谷黄土的弹性模量和无侧限抗压强度预测模型,计算模型决定系数R2,分别为0.9921和0.9806,证明建立的模型预测效果良好，可以利用该模型对伊犁地区黄土力学强度进行预测。　　（3）采用扫描电镜测试及数字图像处理技术，定性分析在冻融作用下黄土微观结构变化规律，定量研究颗粒和孔隙的平均直径、丰度、圆形度、形态分布分形维数、各向异性率和定向概率熵等微观结构参数，认为在冻融循环作用中土体颗粒结构逐渐变得简单、均匀，而微观孔隙特征则变得更加复杂。　　（4）基于灰色关联分析方法理论，进一步探讨冻融循环作用下无侧限抗压强度与微观结构参数之间的关联度，得出颗粒圆形度、颗粒平均直径、孔隙平均直径、孔隙平均丰度、颗粒定向概率熵和颗粒各向异性率6项微观参数对无侧限抗压强度的关联度较高。

关键词： 垃圾渗滤液   冻融循环   冻结温度   电阻率   冻结平台持续时间  

摘要： 随黄土地区经济社会的快速发展,人类活动与工程建设使环境气候变化下特殊岩土工程体面临着新的问题和挑战。目前我国对垃圾填埋采取严格的防渗措施,但从实际情况可知垃圾渗滤液仍会产生渗漏并对垃圾填埋场安全运行产生巨大安全隐患。考虑到垃圾渗滤液驱替黄土衬垫层与覆盖层中原有孔隙水以及地表污水入渗改变孔隙气、液与污染物迁移的影响,在经历冻融循环下将直接影响到黄土地区垃圾填埋场覆盖层的服役性能和长期变形。土体冻结温度是界定土层是否处于冻结状态的重要判定因素,影响着土体未冻水含量和冻结缘的发展过程,因此冻结温度对土体的相变过程、冻结缘的发展以及冻结状态的判定十分重要。本文以人工配制垃圾渗滤液污染黄土为研究对象,并结合冻结温度试验与电阻率试验进行机理分析,结果表明:(1)通过土体冻结温度试验可得,土体冻结温度随含水率升高而升高,但土体冻结温度始终低于0℃,在低含水率时土体冻结温度变化幅度大;在高含水率时,土体冻结温度趋近于纯水冻结温度且变化幅度小,同时土体冻结平台持续时间也随含水率的升高进而增大。土体冻结温度随垃圾渗滤液浓度的增加而降低,基本呈线性相关;土体冻结平台持续时间随垃圾渗滤液浓度逐渐增加进而逐渐减小,且在高含水率时减小程度明显。在冻融作用下,土体冻结温度与土体冻结平台持续时间,随冻融循环次数逐渐增大呈现先降低后稳定的状态;当N>10次时,土体达到稳定状态且两者变化量不显著,土体冻结温度与冻结平台持续时间主要下降区间处于2

关键词： 砂岩   冻融循环   分形理论   损伤力学   本构模型  

摘要： 我国季冻区面积约占国土面积的1/2,随着我国大力推进基础工程的建设,季冻区隧道工程的数量也逐年上升。在隧道工程的建设中,开挖后裸漏在外的洞口岩体常年处于冻融循环与围岩压力的双重作用下,导致洞口处岩体稳定性受到影响,而岩体失稳时产生宏观破坏的形式有所不同,这是由于砂岩内部细观结构变化导致的。因此,从细观角度揭示洞口岩体在复杂环境条件下的宏观损伤机理对隧道工程的建设具有十分重要的意义。本文以季冻区隧道洞口岩体稳定性为研究背景,选取砂岩为研究对象,对其进行了冻融循环试验、力学特性试验、CT扫描实验,通过有限元软件模拟了冻融作用下砂岩温度场的变化,对CT图像预处理后进行三维可视化重构;定性和定量研究了砂岩细观结构的演化特征,基于分形理论从二维和三维的角度分析砂岩分形维数与冻融循环之间的联系;将试验结果与ABAQUS有限元模拟得到结果进行对比,分析不同冻融次数砂岩在不同围压下的力学特性与开裂后的裂隙特征;基于损伤力学理论,以分形维数变化特征作为冻融损伤变量,并引入荷载损伤建立关于砂岩在不同冻融循环作用下的损伤本构模型,本研究得到的主要结论如下:(1)冻融侵蚀降低了砂岩的纵波波速,冻融循环的前40次,砂岩质量呈上升趋势,超过40次后质量有所下降;通过ABAQUS有限元软件模拟砂岩在冻融条件下温度场的变化,结果发现冻融次数越高的砂岩试样,冻结时岩心的温度越接近-20℃,融化时砂岩表面与岩心的温度梯度越大;通过中值滤波法、双峰法对图像进行降噪以及二值化处理后,在切片图像中观察到的裂隙特征更加显著。(2)对CT图像进行量化处理,发现砂岩的体裂隙比与各层面裂隙比随着冻融次数的增加而增加,经过多次数的冻融循环后,砂岩内部结构从介孔结构向大孔结构转化,并且随着冻融次数的增加砂岩内部孔喉发育显著,冻融循环从0增加到80次后,孔隙的最大配位也从8增长到18,喉道的最大等效半径从3816μm增长到8537μm,冻融循环作用增大了砂岩的连通性;从分形维数的角度来看,随着冻融循环次数的升高,砂岩的切片分形维数与体分形维数随之降低,砂岩的体分形维数从2.666下降到2.170。(3)砂岩的峰值强度与变形模量随着冻融次数的增加逐渐减小,泊松比与冻融循环次数呈正相关;围压从0MPa增加到3MPa时,砂岩的变形模量与峰值强度有所增加,当围压从3MPa增加到6MPa时,砂岩变形模量与峰值强度增加的趋势变缓;对比模拟软件与CT实验结果可知,从三维模型和二维切片的角度发现试样失效后裂纹的演化具有相似的规律,冻融次数低的砂岩破坏后有明显的剪切面,随着冻融次数的增加,剪切面与周围的边界变得模糊,而且在主裂纹的周围分布许多细小的衍生裂纹,通过模拟力学试验得到的结果也能够很好的验证冻融侵蚀削弱砂岩强度和围压削弱冻融侵蚀作用这两个关键的结论。(4)随着冻融次数的增加,冻融损伤参数增长速率先快后慢,并且砂岩的体分形维数与峰值强度呈正相关。在冻融损伤的基础上引入荷载损伤后发现:冻融循环的前、中、后期,砂岩内部发生破坏时分别以荷载损伤为主导、冻融损伤为主导、荷载损伤为主导。基于冻融-荷载损伤变量建立的本构模型能够准确预测不同冻融侵蚀程度下砂岩强度的变化规律,并且本构模型中的参数与砂岩强度具有一定的关联性。该论文有图59幅,表11个,参考文献101篇。

关键词： 黄土状盐渍土   冻融循环   应力路径   微观试验   数值模拟  

摘要： 青海地区广泛分布着氯盐渍土和硫酸盐渍土。由于特殊的气候环境该地区盐渍土每年都会经历冻融循环的过程。为了研究冻融循环与不同应力路径作用下盐渍土的力学特性,本文选取青海西宁地区黄土状盐渍土为研究对象利用SLB-1型三轴剪切仪与冻融循环试验箱通过冻融循环试验、应力路径试验得出盐渍土在不同条件下的宏观力学性质,结合扫描电镜微观试验从微观层面定量和定性分析盐渍土宏观力学性质发生变化的原因,并通过PLAXIS 3D有限元分析软件模拟三轴试验与室内试验结果进行对比分析。主要结论如下:（1）对于青海西宁黄土状盐渍土而言,相同条件下其主应力差峰值从大到小依次为常规三轴、等压三轴和减压三轴应力路径,三种应力路径的主应力差峰值均随着冻融循环次数的增大而减小。相同冻融循环次数下三种应力路径下的黏聚力的大小排序为CTC>TC>RTC,而内摩擦角的排序为RTC>TC>CTC。（2）相同条件下,RTC下的黄土状盐渍土初始卸荷比R要大于等压三轴应力路径下的R,相同卸荷应力路径下,随着围压的增大初始卸荷比R有所降低。随着冻融循环次数的增大盐渍土破坏时的结构性参数M呈现先增大再减小的趋势,相同的轴向应变不同应力路径下盐渍土的结构性参数大小排序依次为RTC>TC>CTC。（3）冻融循环前土颗粒间的接触较为紧密,土样内部孔隙分布均匀。卸荷应力路径下土颗粒较破碎少量土颗粒保持完整,粒间孔隙较大,排列较为松散。冻融循环作用下土体内部变得疏松多孔,并且冻融后卸荷应力路径下颗粒破碎程度较高。常规三轴应力路径下盐渍土颗粒平均形状系数ff要高于卸荷应力路径下的平均形状系数。常规三轴应力路径下土颗粒的定向概率熵Hm大于卸荷应力路径下的定向概率熵。（4）利用土体硬化模型可以较好的模拟出黄土状盐渍土的力学性质,数值模拟下的抗剪强度小于室内试验的抗剪强度,破坏强度的大小排序为CTC>TC>RTC。将土体硬化模型参数进行优化,得出的孔压曲线与不同应力路径下的破坏形态与室内试验结果相似。

关键词： 改良路基填料   冻融循环   三轴试验   强度劣化   微观分析  

摘要： 为研究冻融循环作用对煤渣改良路基填料的力学性能影响，揭示冻融循环作用对煤渣改良路基填料的作用机理，对不同煤渣掺量的路基填料开展了冻融循环试验和固结不排水三轴压缩试验（CU），获得了冻融循环作用对改良路基填料应力-应变关系的影响规律，并对上述试验后的试样开展不同放大倍数下的电子显微镜扫描试验（SEM），而后基于软件计算和分形理论进行微观结构的定性和定量分析。　　（1）改良路基填料的应力-应变曲线表现出应变硬化性，冻融循环作用对路基填料力学性质具有一定的劣化作用，煤渣改良后路基填料的破坏强度和弹性模量随冻融次数的增加而减小，但随着煤渣掺量增加冻融循环作用对路基填料产生的劣化效果减弱;（2）随着冻融循环次数增加，相同煤渣掺量的改良土的抗剪强度指标均降低，改良土的抗剪强度指标在冻融循环6次后趋于稳定。经历相同的冻融作用，随着煤渣掺量的增加试样的黏聚力和内摩擦角均逐渐提高，但内摩擦角增加幅度较小，同时对抗剪强度指标进行回归分析，考虑煤渣掺量与冻融循环作用的影响，拟合出煤渣改良路基填料破坏强度随两种因素变化的曲线方程;（3）考虑冻融循环作用对路基的劣化作用，定义并分析冻融作用对改良填料的强度劣化系数。发现掺入一定的煤渣能有效改善冻融循环作用对路基路面的劣化影响，提高季冻区路基路面工程中路基填料的耐久性。相同煤渣含量下，劣化系数变化与冻融次数成正相关性，这是因为随着煤渣掺量的上升，发生化学反应越发剧烈，增强了土体间的胶结作用。但是冻融6次后，劣化系数的变化幅度逐渐放缓;（4）对试样进行微观分析，由于煤渣对土体提供骨架作用及煤渣中活性氧化钙与土体中的水发生水化反应进一步产生更多的钙质，填充颗粒间的孔隙，并为土颗粒提供胶结作用，从而内部孔隙数量大量减少以及孔隙的孔径减小，内部的裂隙减少到几乎消失。

关键词： 冻融循环   土石混合体   含石量   颗粒运动   数值模拟  

摘要： 随着我国高速铁路“以风为速,以轨为尺”的快速发展,线路所涉及到的工程地质、水文和气候条件愈加复杂,尤其在冻土区域。一直以来,冻土工程建设都是工程技术上的难点,而土石混合体冻胀对结构物的作用又正是冻土工程的研究核心,掌握土石混合体冻融循环条件下的力学特性与应变规律是进一步推动冻土工程建设大力发展的前提。目前,虽然前人对冻融作用下颗粒运动规律进行了初步探索,然而受观测手段限制,冻融循环驱动下土石混合体颗粒的空间运移规律及机制尚不够清晰。因此,本文通过室内试验与数值模拟相结合的方式,对冻融循环作用下土石混合体的细观颗粒运动规律进行了初步探究,旨在为冻土工程勘察、设计和运维提供参考。主要得出以下结论:(1)土石混合体重塑试样冻融试验中,含石量为90%的试样经历冻融循环,其块石的可视面积增加,即随着冻融循环,块石在试样内部的位置发生改变,则产生了运动。并且,土石混合体试样的含石量在邻近80%存在一个最优含石量,趋近这一含石量过程中,含石量的增加可显著体现块石的骨架作用,从而抵抗冻融循环引起的变形;当含石量继续提高时,土不能完全填充块石间隙,则在冻融循环作用下形变更甚。(2)基于人工神经网络的深度学习方法,建立能够预测冻融过程中土石混合体的形变。以部分土石混合体重塑试样冻融数据为训练集,其余为测试集,将预测数据与试验数据对比,可得LSTM模型对于冻融循环作用下土石混合体的形变预测具有较高准确度,则验证了LSTM模型在土石混合体冻融形变预测上的适用性。(3)块石冻融循环试验中,根据对冻融前后的图像进行块石数量、面积分数、颗粒运动轨迹追踪等方面的分析可知,冻融前后各分区块石的数量产生变化,即块石在冻融循环过程中产生了方位变化;块石面积分数的增加则充分体现了块石颗粒在冻融循环过程中产生了水平和垂直方向的位移。且在水平方向上,块石分布较密的区域的块石运动状态更加活跃;垂直方向上,块石更倾向于向表层运动。则块石冻融循环试验在土石混合体重塑试样冻融试验基础上,进一步展现了块石的运动方式。(4)基于CT扫描技术对冻融循环过程中块石的方位变化进行可视化跟踪,验证在冻融循环作用下,土石混合体内部块石的运动状态。选取特征断面的切片图像对比分析,试验结果表明,块石在冻结过程中会被抬升,孔隙率也会减小,即更直观地表现冻融循环试验中块石在土石混合体内部的运动状态。(5)以基于CT扫描技术的块石冻融试验为依据,且考虑到土石混合体内部块石的形态特征及空间分布对其力学特性与形变有决定性影响,故简化块石形状为圆,构建了冻融循环作用下二维颗粒运动水热耦合模型。通过模拟得到冻融循环过程中温度场、水分场的变化特征以及块石的位移,再与实际试验进行对比,探索多场耦合模型对冻融循环作用下土石混合体颗粒运动模拟的可行性,可为冻融循环作用下土石混合体颗粒运动规律的进一步研究提供参考。

标准号: GB/T 41931-2022

摘要： 本文件描述了聚合物分散体和合成橡胶胶乳的冻融循环稳定性的试验方法本文件适用于聚合物分散体和合成橡胶胶乳。本文件不适用于天然橡胶胶乳。

关键词： GFRP锚杆   锚杆应力   承载力   冻融循环   锚固能力  

摘要： 针对季冻区春融期岩锚失效的问题,研究了玻璃纤维(GFRP)锚杆在冻融循环作用下的锚固能力。通过设计物理模型对经历25,50,75冻融周期的试块进行了加载试验,根据试验数据和破坏现象分析了GFRP锚杆在冻融后锚杆应力和承载力的变化规律。研究结果表明:冻融循环会导致环氧树脂砂浆与混凝土的黏结性能下降,在25,50,75周期后承载力损失分别为38.24%,42.65%,52.94%。冻融循环加速黏结材料及围岩的材料性能劣化,荷载向内部传递加速,使得GFRP锚杆上各点之间的应力差值逐渐减小,锚杆应力分布比常温状态下更趋于均匀,但材料性能的劣化导致局部破坏提前,锚杆整体承载性能降低。研究结果可以为GFRP锚杆的工程应用提供建议。

关键词： 冻融岩石   CASRock   CT扫描   图像处理   破坏过程   局部化损伤  

摘要： 裂隙、孔隙等天然损伤使得岩石细观结构呈现强烈的非均质性,对其破坏过程及模式产生重要影响。本文根据CT无损识别技术,结合数字图像处理技术和CASRock数值模拟软件,开展了含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏的数值试验研究。对含天然损伤的冻融砂岩劈裂破坏模式、变形局部化及裂纹演化过程等分析,揭示了含天然损伤砂岩在冻融和荷载作用下的破坏机制。研究结果表明:砂岩内原生孔隙(裂纹)的扩展及新生孔隙的生成是冻融岩石破坏演化的主要形式。冻融和荷载作用下含天然损伤岩石的破坏与天然损伤程度及分布有关。次生裂纹的生成多发生于天然损伤密集区域。在加载过程中,局部化损伤区应力远远大于砂岩整体应力,局部化损伤区岩石的破坏与该区域能量释放和应力释放具有同步性。局部化损伤反映岩石中裂纹的演化,有助于预测砂岩裂纹发展的方向。岩石的破坏模式与冻融循环次数有关,冻融循环促使含天然损伤砂岩逐渐由脆性破坏转化为延性破坏,冻融作用对岩石整体强度的改变是逐渐劣化的过程。