关键词： 季节性冻土区   冻融循环作用   生物炭与秸秆   土壤物理特性   土壤环境因素  

摘要： 冻融循环过程是广泛存在于季节性冻土区的一种自然现象,其显著影响着土壤理化性质与内部环境因素的变化,关系到季节性冻土区农田土壤养分与能量的迁移转化过程,如何通过干预调控,有效发挥冻融循环过程在冬季休耕期对于土壤性能与作物生境的修整作用已成为热点研究问题。本研究立足于松嫩平原,通过室内试验表征现象与室外试验规律验证相结合的方式。在室内试验中,采用松嫩平原三种典型土壤(黑土、白浆土和草甸土),以冻融循环为边界条件,设置添加生物炭(B1)、添加秸秆(S1)、生物炭与秸秆共同添加(B1S1)和未处理对照组(CK)四种处理,分析土壤水稳性团聚体比例,土壤总孔隙度(TP)、土壤水分特征曲线(SWRCs)、土壤溶解性有机碳(DOC)和土壤通气性(PL)的变化差异,探究了冻融循环下生物炭与秸秆对土壤结构及持水通气能力的影响机理,分析其在不同类型土壤中的普适性与差异性变化规律。在室外试验中,延续室内实验的调控模式,分析了裸地(CK)、施加生物炭(BA),施加秸秆(SA),生物炭与秸秆共同施加(CBS)条件下土壤孔径分布,土壤团粒特征与稳定性的变化差异,挖掘其与土壤结构稳定性的响应关系。进而深入探究土壤含水率、土壤温度、土壤通气性和土壤温室气体排放变化规律,并建立了土壤温室气体排放与土壤环境因素的传递关系函数,识别土壤温室气体排放的关键驱动因素,阐述了不同施加模式的调控机制。具体研究结果如下:(1)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤团粒分布的影响。在反复冻融循环的过程中,土壤团粒因水分相变产生的冻胀力而破碎,由大粒径向小粒径转变,土壤结构稳定性下降。生物炭与秸秆共同施用下土壤结构稳定性显著提高,三种土壤条件下团聚体破坏率(PAD)平均降低了23.98%。由于生物炭与秸秆的高孔隙度与低密度,土壤总孔隙度(TP)得到明显提升,生物炭具有丰富的含氧官能团和高比表面积,土壤颗粒表面更为粗糙,促进土壤颗粒相互聚集,且大粒级(>0.25 mm)团聚体对土壤稳定性的提高具有关键作用。生物炭与秸秆在应用于土壤后逐步破碎,与较小的土壤颗粒结合的更为紧密,小粒级(0.25 mm-0.106 mm)团聚体中有机碳含量显著高于其他粒级。(2)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤孔隙结构与气体传输特征的影响。土壤孔隙结构受到冻融循环-生物炭-秸秆共同作用的影响,生物炭促进了土壤微孔径(≥0.3-5μm)与小孔径(≥5-30μm)所占比例的增加,而秸秆对土壤极微孔径(<0.3μm)比例的提升更为明显。土壤团粒的破碎导致土壤孔径重新分布,孔隙连通性增强,且土壤总孔隙度(TP)与空气容量(AC)存在显著的正相关关系,秸秆与生物炭共同施用有效的提高了土壤结构的稳定性,减弱了外界因素对土壤环境产生的负效应,土壤通气性波动较小。同时不断重复的破碎-聚集-再破碎的循环过程打破有机质间的联结,促使小分子物质释放,提升土壤底物浓度,刺激土壤微生物活性,加速土壤内部循环过程,提高土壤碳矿化程度。(3)生物炭与秸秆在冻融前后对土壤持水能力的影响。土壤水分特征曲线表明,土壤在低吸力段(h≤330 cm HO)失水多于高吸力段(330

关键词： 煤矸石   聚丙烯纤维   膨胀土   冻融循环   强度劣化机理  

摘要： 膨胀土因其超强的胀缩性,素有“工程癌症”之称,给所在地区造成了许多灾害,对此,就必须将膨胀土改良,以减少因其引起的各种灾害。煤矸石是煤矿区产量最大的固体废弃物,大量堆放不仅对环境造成巨大危害,并且严重危害人们的身体健康。纤维加筋土是近年来发展起来的一种新型加强复合材料,随着生产力的发展,各种人工合成纤维逐渐被运用到土体改良中而且取得了很好的效果。为了解决膨胀土在实际工程中产生的问题,以及综合处理煤矸石的污染堆放问题,并尝试运用土体加筋技术,本文研究使用聚丙烯纤维和煤矸石共同来改良膨胀土。并且考虑到在北方的冬季,作为路基填料的膨胀土,会受到冻融循环以及荷载的作用。因此研究纤维煤矸石改良膨胀土在冻融循环作用下的强度劣化机理是很有必要的。本文采用向膨胀土中依次掺加0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的煤矸石粉,对不同煤矸石粉掺量的改良膨胀土进行自由膨胀率试验、有荷载膨胀率试验、无荷载膨胀率试验以及收缩试验,确定其最佳掺量,在煤矸石粉最佳掺量下继续掺加0.2%、0.3%、0.4%的聚丙烯纤维并通过自由膨胀率试验、有荷载膨胀率试验、无荷载膨胀率试验以及收缩试验,确定聚丙烯纤维的最佳掺量。对素膨胀土和纤维、煤矸石粉改良膨胀土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验进行研究,并利用冻土断裂力学理论、冻土损伤理论分析改良膨胀土的力学强度劣化机理,并得出如下结论:(1)掺加纤维和煤矸石粉可以有效改善膨胀土胀缩性能,并且复合方法改良效果更好,确定煤矸石粉的最佳掺量为20%,聚丙烯纤维的最佳掺量为0.3%。复合改良膨胀土比纯膨胀土的自由膨胀率、无荷载膨胀率、400k Pa有荷载膨胀率、线缩率、体缩率分别降低了24%、49.35%、85.45%、57.45%、49.08%。(2)纤维和煤矸石粉的掺入对膨胀土的无侧限抗压强度改良效果显著,由321.55k Pa提升到634.795k Pa,增幅达到97.42%;冻融循环会使纯膨胀土和改良膨胀土产生冻胀融沉作用并导致其力学性能劣化;冻融循环次数对该两种土体的影响明显。(3)运用有限元法结合断裂力学理论对改良膨胀土在冻融循环后的力学性能进行数值模拟,分析土体的应力-应变曲线,发现其过程分为四个阶段,即初始裂纹加工阶段、弹性阶段、断裂过程区形成阶段以及软化阶段;模拟改良膨胀土损伤演化过程并分析宏观损伤现象,通过建立Weibull材料寿命预测模型以简化改良膨胀土损伤过程,结果表明两种土体符合冻融损伤失效模型D(n)=1-exp［-(n/η)］和符合该强度劣化模型f/f=exp［-(N/B)］。

关键词： 冻融循环   型钢混凝土(SRC)   粘结滑移性能   反复加载试验   推出试验  

摘要： 型钢与混凝土间的粘结作用是两种不同材料能够共同受力的基础,粘结作用的强弱决定了型钢混凝土构件承载能力的大小,对型钢与混凝土的粘结性能展开研究具有重要意义。而冻融循环会对型钢混凝土构件的粘结性能产生不利作用,使其在正常服役期间产生损伤,影响结构的正常使用。并且随着冻融破坏加深,将严重危害型钢混凝土结构建筑物的安全。因此对冻融循环后型钢混凝土的粘结滑移性能展开系统研究,有利于提高严寒地区型钢混凝土结构的耐久性,指导严寒地区相关工程实践操作。为了研究冻融型钢混凝土的粘结滑移性能,本文共设计了20个型钢混凝土短柱试件,对其中9个试件进行单调推出,11个试件进行反复加载。在总结试验现象与试验数据的基础上,对试验结果进行分析与讨论,并对型钢混凝土遭受冻融循环作用的破坏机理进行深入研究。主要研究内容和成果如下:(1)观测推出试验的全过程,并对试件破坏情况进行分析总结。结果表明:型钢保护层厚度的增加能够抑制试件界面裂缝的开展,反复加载时试件破坏具有突然性,试件产生的裂缝数量较少。(2)整理试验数据,得到单调加载试件的荷载-滑移曲线与粘结-滑移曲线,反复加载试件的荷载-滑移的滞回曲线与骨架曲线。对荷载-滑移曲线进行总结,提出了冻融型钢混凝土的典型荷载-滑移曲线与粘结-滑移曲线,并根据曲线趋势构建粘结-滑移的理论公式曲线。(3)分析了冻融循环作用、保护层厚度与锚固长度对型钢混凝土粘结滑移性能的影响。结果表明:冻融循环作用造成型钢混凝土粘结滑移性能的退化,冻融100次时试件的粘结强度下降了22.7%,而增加保护层厚度与锚固长度则可在一定程度上降低冻融循环的不利作用。(4)分析了冻融循环次数、保护层厚度、型钢锚固长度与试件体积配箍率在反复加载时对型钢混凝粘结滑移性能的影响。结果表明:各参数对反复加载试件的影响与单调加载试件的情况相似,同时反复加载将造成试件的粘结强度下降。(5)根据组成型钢混凝土粘结强度的不同成分,对冻融后型钢混凝土粘结滑移性能的退化机理进行深入研究。(6)基于冻融型钢混凝土粘结滑移性能退化机理的研究,得到了冻融后的局部粘结破坏荷载计算式,并构建了不同冻融循环次数的型钢混凝土粘结强度与滑移计算表达式。(7)归纳总结反复加载时试件的粘结强度退化系数,建立了反复加载下冻融型钢混凝土的粘结强度计算式。

关键词： SAP混凝土   冻融循环   毛细吸水   氯离子传输   试验研究  

摘要： 内养护技术一定程度上解决了低水胶比混凝土内部养护效果差的问题,研究表明内养护效果与内养护材料的性质息息相关。多年来,国内外学者聚焦于轻骨料(LWA)和高吸水树脂(SAP)两类混凝土内养护材料开展了大量研究,并取得了长足的进展。其中SAP因卓越的吸水和保水性能受到了广泛学者的关注,SAP混凝土耐久性研究也逐渐成为混凝土内养护技术研究领域的热点,但多数研究是在SAP混凝土无损伤状态下开展的,而地处北方严寒地区的混凝土结构不可避免地会遭受冻融循环作用而产生损伤,加之水分和有害水溶性物质(如氯离子)的侵入,混凝土结构的耐久性劣化严重。因此研究冻融循环作用后SAP混凝土水分及氯离子的传输性能对SAP混凝土耐久性评估具有重要意义。基于此,本文开展了冻融循环作用前后SAP混凝土的物质传输性能研究,通过孔隙率试验、毛细吸水试验和快速氯离子迁移试验结果分析了冻融循环作用对SAP混凝土物质传输性能的影响规律,主要研究结论如下:(1)混凝土有效水灰比相同时,掺入SAP会造成混凝土7d抗压强度下降,且SAP掺量越高,降幅越大,当SAP掺量达到0.3%时,混凝土7d抗压强度下降了19.9%;混凝土龄期到28d后,SAP掺量为0.2%时,混凝土的抗压强度提高了3.7-15.0%,而SAP掺量达到0.3%时,混凝土的抗压强度减小了9.7%。混凝土总水灰比相同时,掺入0.2%的SAP对混凝土7d抗压强度无明显影响,但会显著增大混凝土28d抗压强度,增大幅度为7.6-19.3%,而掺入0.3%的SAP会导致混凝土7d和28d抗压强度分别下降11.7%和6.3%。混凝土养护后期,SAP能显著提高混凝土7d至28d的强度增长率,普通混凝土7d至28d强度增长率仅21.6-29.1%,而SAP混凝土7d至28d的强度增长率为36.9-49.2%。(2)冻融循环作用前,在有效水灰比相同的情况下,SAP的掺入会提高混凝土的孔隙率,相较于普通混凝土,掺有SAP的混凝土孔隙率提高了5.0-9.6%,而在总水灰比相同的情况下,SAP的掺入对混凝土的孔隙率并无显著影响。冻融循环作用开始后,冻融循环作用次数越高,普通混凝土和SAP混凝土的孔隙率均越大;但在总水灰比相同的情况下,相较于普通混凝土,经过相同次数冻融循环作用后,SAP混凝土的孔隙率提高幅度更小,经过150次冻融循环作用后,普通混凝土孔隙率提高了37.9%,而SAP混凝土孔隙率仅提高了24.6-25.4%;在有效水灰比相同的情况下,经过150次冻融循环作用,普通混凝土孔隙率的仅提高了19.1%,提高幅度小于SAP混凝土。(3)在总水灰比相同的情况下,冻融循环作用前,0.2%掺量的SAP使混凝土的累计吸水量、初始吸水率S和平均吸水率S相较于普通混凝土分别降低了11.0-12.1%、10.8-12.0%和11.4-12.6%,而0.3%掺量SAP对混凝土累计吸水量、初始吸水率S和平均吸水率S并无明显影响;冻融循环作用开始后,经过相同次数的冻融循环作用,SAP混凝土的初始吸水率S低于普通混凝土,冻融循环次数达到150次后,SAP混凝土的初始吸水率S仅为对普通混凝土的76.8-89.9%。而在有效水灰比相同时,普通混凝土的累积吸水量、初始吸水率S和平均吸水率S在冻融循环作用前后均明显低于SAP混凝土。此外,由于SAP混凝土后期吸水率S与冻融循环次数之间并未表现出明显的相关性,建议采用初始吸水率S作为冻融损伤后SAP混凝土吸水性能的评价指标。(4)冻融循环作用前,混凝土总水灰比相同时,0.2%掺量的SAP使混凝土非稳态氯离子迁移系数降低了15.0-20.0%,0.3%掺量的SAP对混凝土非稳态氯离子迁移系数的影响不大;而在有效水灰比相同时,SAP混凝土的非稳态氯离子迁移系数相较于对普通混凝土提高了2.1-23.4%。冻融循环作用开始后,冻融循环作用次数越高,各组混凝土非稳态氯离子迁移系数越大;总水灰比相同时,冻融循环作用超过100次后,SAP混凝土的非稳态氯离子迁移系数均低于普通混凝土,冻融循环作用150次后,SAP混凝土非稳态氯离子迁移系数仅为普通混凝土的78.2-96.0%;而有效水灰比相同时,经过相同次数冻融循环作用后的普通混凝土的非稳态氯离子迁移系数始终低于SAP混凝土。此外,综合本文各类试验结果分析发现SAP的最适掺量为0.2%,且采用干掺SAP后额外引入水的掺入方式更有利于SAP在混凝土中发挥内样护作用。(5)利用非饱和流体理论模型预测了冻融循环作用前后混凝土内部水分含量的分布情况,预测结果较好地反应了冻融循环作用前后普通混凝土及SAP混凝土内部的水分含量分布规律。但由于冻融损伤及SAP再次吸水会加速水分在混凝土中的传输,在冻融循环作用150次后,混凝土水分渗透深度试验结果大于预测结果。

关键词： 水化学   冻融循环   损伤变量   分形维数  

摘要： 本文为研究水化学-冻融循环耦合作用下砂岩物理力学性质变化及损伤劣化规律,通过水化学溶液浸泡和冻融循环作用获得不同损伤程度的砂岩试样,进行室内试验测算得到砂岩基本物理参数,并通过质量损失率与纵波波速衰减程度分析砂岩物理性质变化;进行单轴压缩试验并分析其应力-应变关系曲线,总结砂岩力学参数的变化规律并对砂岩宏观破坏模式进行分析;对岩样的破裂面进行扫描电镜试验,从微观角度分析砂岩孔隙结构变化,通过MATLAB软件对图像进行处理并结合分形理论从微观角度分析砂岩损伤劣化机理。(1)经过水化学-冻融循环耦合作用后酸性溶液浸泡组砂岩质量损失率和纵波波速衰减程度较中性溶液浸泡组更大,且响应幅度随水化学溶液p H值降低而增大。经过单轴压缩试验后,砂岩应力-应变曲线一致性较好,弹性模量与峰值应力随冻融循环次数增加逐渐减小,水化学溶液p H值与其降低率呈负相关,砂岩呈现出由脆性向延性转化的趋势。(2)砂岩破坏模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,水化学-冻融循环耦合作用较单因素作用对砂岩的损伤更加剧烈。通过弹性模量表征砂岩损伤变量,冻融循环40次时,p H=3、p H=5及p H=7的水化学溶液浸泡组砂岩损伤变量分别为0.819、0.780及0.663,水化学溶液p H值越低,损伤程度越大,并且砂岩损伤变量随冻融循环次数增加而增大。(3)依据Otsu法计算得到的最佳阈值对扫描电镜图像进行二值化处理,测算平面孔隙度并从微观角度分析砂岩孔隙结构变化。运用盒维数法测算分形维数,p H=3的水化学溶液浸泡组砂岩经历0、10、20、30、40次冻融循环后分形维数分别为1.723、1.778、1.814、1.851及1.906,经历40次冻融循环试验后砂岩的分形维数较经历0次冻融循环试验后增大10.62%,呈现出随水化学溶液p H值降低冻融循环次数增加而增大的趋势,伴随冻融循环次数增加在冻胀作用下砂岩内部微裂隙进一步发育扩展直至贯通,形状也变得更加尖锐复杂,分形维数随之增大。

关键词： 预应力混凝土梁   数值分析   冻融循环   锈蚀   长期性能  

摘要： 预应力混凝土广泛应用于土木工程结构,其在耐久性、抗裂性、抗下挠和节省材料等方面相较于普通钢筋混凝土具有明显优势。但预应力混凝土结构同样也会遭受外界环境的侵蚀,例如冻害、锈蚀等作用,导致结构往往达不到设计使用寿命就会出现结构退化、挠度过大和承载力降低等适用性和耐久性问题,这不仅增加了后期结构的检测和维修成本,更严重时还可能出现结构过早失效,造成生命财产的巨大损失,危及人民生命安全。我国幅员广阔,北方沿海区域有众多预应力混凝土结构同时遭受冻融循环和锈蚀的双重影响。在冻融循环作用下,混凝土力学性能下降,材料的密实性降低而渗透性增强,环境中的有害离子加速渗透进入结构内部,加剧钢筋和钢绞线的锈蚀程度。随着锈蚀率的不断增大,混凝土出现锈胀开裂且裂缝不断发展,这更加速了预应力混凝土结构的劣化。因此,冻融与锈蚀共同作用下,混凝土与预应力筋材料的损伤不断积累且相互促进,预应力混凝土结构更容易出现提前失效的情况。另外,在预应力混凝土结构长期服役的过程中,结构适用性除了遭受来自外界环境耐久性劣化作用以外,混凝土与预应力筋材料自身的力学性能也会随时间发生演化,比如,材料强度,弹性模量等。在这些时变效应中,对预应力混凝土梁适用性能影响最显著、最关键的是混凝土的徐变收缩效应和预应力筋松弛效应。在长期荷载作用下,混凝土徐变收缩效应和预应力筋松弛效应会导致预应力混凝土结构中预应力损失增大,结构内力随时间重新分布,引起结构次内力,最关键的问题是会导致挠度随时间增大,严重地甚至导致结构在设计寿命内产生超限挠度。由此可见,预应力混凝土结构的长期性能并不是受单一因素的影响,而是荷载、外界腐蚀介质、混凝土徐变收缩、预应力筋松弛共同作用的影响,作用机理并非单个因素的简单叠加,而是不同因素互相促进。这些因素使结构长期行为更加复杂,在评估过程中必须综合考虑。目前关于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土结构短期与长期研究都比较匮乏,为了弥补研究空缺,本文进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期及长期受力性能数值分析研究,研究成果对以后预应力混凝土梁的耐久性评测以及安全性评估有着重要意义,也为以后预应力混凝土结构实际工程应用提供理论依据。本文主要的工作内容如下:(1)进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能研究,建立了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力数值分析模型。该分析模型采用塑性损伤模型模拟混凝土材料性能,运用降温法对混凝土施加预应力,并且考虑了冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤以及非线性,阐明了混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平等因素对预应力混凝土梁短期受力性能的影响。结果表明:预应力混凝土梁的最终破坏模式会因为冻融循环与锈蚀的严重程度不同而发生变化;冻融循环与锈蚀耦合作用下相较于单因素作用下的预应力混凝土梁的抗弯性能明显降低;冻融循环作用对梁承载力影响显著,冻融循环次数为150次的锈蚀预应力混凝土梁极限承载力相较于没有冻融循环下的梁极限承载力降低了17.9%;较高的预应力水平只会提高冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的前期刚度,对后期挠度与极限荷载影响较小。建立的模型可用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能的预测。(2)基于我国现行规范以及相关文献模型,引入考虑锈蚀率和冻融循环次数的参数变量,提出冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁开裂荷载计算公式,受压与受拉破坏模式下抗弯承载力计算公式,以及冻融循环作用后的短期刚度修正公式。公式计算结果与模拟结果吻合良好,证明本文提出的公式对计算冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能具有一定的适用性。(3)开发了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能理论分析模型。分析模型考虑了混凝土徐变收缩、开裂、预应力筋松弛效应以及冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤。模型采用了满足叠加原理的积分型徐变收缩模型的逐步计算法,利用Magura等人提出的方程来考虑预应力筋松弛效应,运用弥散裂缝模型来考虑混凝土的开裂。最终基于未开裂混凝土的公式开发模拟裂缝在一个时间过程的数值分析模型。建立的数值分析模型可应用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能与寿命预测。(4)基于上述分析模型,研究了混凝土徐变、收缩、预应力筋松弛、混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平对预应力混凝土梁长期时变性能的影响。结果发现,用较高强度的混凝土可以显著减小预应力混凝土梁的长期变形,混凝土等级为C35的预应力混凝土梁的长期挠度比混凝土等级为C50的梁高32.7%;冻融循环次数对预应力混凝土梁的长期变形影响最大,持荷1000天,冻融循环150次的预应力混凝土梁的长期挠度约为没有经历冻融循环梁的近4倍,预应力筋锈蚀对长期挠度几乎没有影响;预应力水平越高,越能抑制预应力混凝土梁下挠的发展,但梁的预应力损失也随之增大。

关键词： 冻融循环   多裂隙类岩石   对数正态分布   损伤本构模型  

摘要： 我国寒区占地广阔,冻土区约占全国面积70%左右。而广阔的寒区富含大量的矿产资源,在寒区进行资源开采和工程建设面临频繁的冻融现象。相比于冻土,冻岩中含有大量的裂隙。这些裂隙中的水在低温作用下会冻结成冰,水冰相变导致体积发生膨胀,水冻结产生的冻胀力会导致裂隙的扩张,在反复冻融循环作用下,岩石裂隙不断扩展,最终导致岩石发生破裂,进而影响含裂隙岩体的隧洞、边坡、危岩、陡坡等岩体工程稳定性。因此,研究裂隙岩体尤其是多裂隙岩体在冻融循环作用下力学性质的变化,有助于评判冻融作用下裂隙岩体工程失效的可能性,有益于避免灾害事故和辅助岩体工程建设。本文开展了冻融循环作用下多裂隙类岩石压缩力学特性及本构模型的研究,主要研究工作和成果如下:(1)选取了水泥:细砂:水体积比为2:1:1的配比来制作类砂岩试样。裂隙布置方案选中为有序多裂隙组,裂隙组角度包括0°、45°和90°,裂隙数量包括2条、4条和6条,共9组试样。同时设置了一组完整试样为对照组。每组试样各制作5块,分别进行5种不同冻融循环次数的试验。针对养护完成的上述试样,展开了冻融试验、单轴压缩试验以及声发射试验。(2)记录多裂隙试样冻融前后表观变化并对冻融前后的多裂隙试样在干燥和饱水状态下进行了称重。试样表观变化结果表明,试样在冻融循环作用下会产生裂隙尖端沿着裂隙角度方向的张拉裂纹和裂隙之间沿着岩桥方向形成的共面连通裂纹两种裂纹。试样质量变化结果表明,整体来看,试样质量损伤率跟冻融循环次数呈正相关,不同裂隙角度和裂隙数量试样质量损伤率随冻融循环次数的平均增长率不同。试样冻融前后饱水率变化结果表明,试样冻融前饱水率主要和裂隙数量有关,裂隙数量越多,试样饱水率越大。而试样冻融后饱水率随冻融循环次数近似呈线性增长。(3)对冻融后的多裂隙试样进行了单轴压缩试验,分析了裂隙角度、裂隙密度和冻融循环次数对多裂隙试样单轴抗压强度和弹性模量的影响。试样单轴抗压强度变化结果表明,在相同裂隙密度的条件下,试样单轴抗压强度跟冻融循环呈负相关。在同样冻融循环次数作用下,相比于完整试样,裂隙试样单轴抗压强度均有所降低。试样弹性模量变化结果表明,在相同裂隙密度的条件下,随着冻融循环次数从0次增加到10次,所有试样的弹性模量均在不断下降且下降速率逐渐减缓。在同样冻融循环次数作用下,相比于完整试样,多裂隙试样弹性模量均有所降低。不同裂隙角度试样单轴抗压强度和弹性模量的变化规律基本一致。(4)对多裂隙试样在单轴压缩过程中同时开展了声发射试验。声发射试验结果表明,试样AE计数可以分为增长期、平静期和破坏期三个阶段,对于完整试样,随着冻融循环作用增加,曲线峰值AE数也不断增加,试件声发射活动更加猛烈。对于多裂隙试样,随着冻融循环作用增加,试件声发射现象也更加明显,当裂隙密度增加时,峰值AE计数随着冻融循环次数增加得更快,冻融循环作用对试件声发射活动的影响会更加显著。(5)通过理论推导,建立基于对数正态分布的冻融循环作用下完整岩石压缩损伤本构模型,并将理论结果和试验结果进行了对比。结果表明,理论曲线与试验曲线具有相似的变化趋势,说明统计损伤本构模型是合理的。同时对两个对数正态分布统计参数进行了敏感性分析,结果表明: μ跟岩石强度呈正相关;S跟岩石延性呈正相关。(6)引入裂隙对试样的劣化损伤变量,建立了多裂隙试样冻融压缩损伤本构模型。将裂隙损伤变量的劣化作用放在对数正态分布统计参数上,结合完整岩石冻融损伤压缩本构模型进一步推导出多裂隙试样冻融压缩损伤本构模型,并用多裂隙单轴压缩试验结果对模型进行了验证。图45幅,表7个,参考文献72篇

关键词： 植物根系   根-土复合体   冻融循环   FLAC3D   边坡稳定性   安全系数  

摘要： 近年来,因全球气候变暖引发的极端气候事件愈加频繁与严峻,导致持续性强降温、暴雪、高温、热浪、干旱和山体滑坡等次生灾害的频繁出现。由于国家大型基础设施的建设工程在不断完善,人类的生产和经济活动对大自然的影响也愈发的严重,而三峡库区作为人类与自然博弈的一项世界级工程,在极端气候条件下造成的自然灾害更是屡见不鲜。温度变化是库区生态系统平稳运行中最重要的影响因子,植物对温度的变化极度敏感,而植被护坡作为一种天然绿色的新型护坡技术,是三峡库区地质灾害防治的主要手段之一;然而极端气候变化导致的冻融作用又可能引发一系列地质灾害,给库区内的工程建设和社会经济生产活动形成巨大威胁。针对以上两点,本文以三峡库区消落带白家包滑坡堆积体上优势护坡植被狗牙根为研究对象,结合室内土工试验来测定原状土体的天然含水率、密度、比重、最大干密度等基本物理参数,统计了护坡植被狗牙根的各种物理、力学参数,总结了植物护坡的理论基础。在阅读大量文献及土工试验规范的前提下,采用三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验,研究不同植被覆盖率的根-土复合体在冻融循环作用下的影响规律,利用数值模拟分析方法来探究植被覆盖率和冻融作用对三峡库区消落带岸坡稳定性的联动效应。主要结论如下:1)三峡库区优势植被根系参数及加固原理分析:在前人研究成果的基础上,对根-土复合体的局部强度变化机理和模型理论进行总结归纳。对不同植被覆盖率原状土体内狗牙根根系的含量、长度、直径以及直径的变化率开展统计,发现根系含量和植被覆盖率呈正相关;利用螺旋拉压测试架对狗牙根开展拉筋测试,测试结果显示狗牙根根系的直径与其抗拉强度呈现负相关性;而根-土复合体的直剪试验表明:然而复合土体相较于无根系土的粘聚力增长明显,根系的存在却未对内摩擦角产生显著影响。2)无侧限抗压强度试验研究:根-土复合体发生破坏变形后,复合土体抗压强度曲线变化趋势逐渐平缓,侧面说明根系的存在导致土体发生破坏变形之后,仍然保留了一定的残余强度,无论经过几次冻融作用根-土复合体的无侧限抗压强度值高于无根系土,随着冻融循环次数的增加,两者在冻融损伤度上均呈现出递增的趋势,但损伤度的增幅终将趋于平缓。随着植被覆盖率的增加,冻融损伤度相对于无根系土出现明显下降,说明植物根系可以抵御冻融作用的不利影响。3)三轴压缩试验研究:在相同围压下,植被覆盖率越高其主应力差值的增大的趋势越显著,增长的速率更快,随着冻融作用的影响程度加深,在高围压下根-土复合体强度衰减值较素土更低,说明狗牙根根系和围压共同抵御了冻融循环作用。植被覆盖率和冻融循环次数的变化,两者共同作用导致内摩擦角在0～2°的幅度间波动,说明两种作用对内摩擦角的联动影响并不显著。根系加入到素土中之后,使粘聚力增加,而冻融作用将导致试样内部初始孔洞及裂隙的数量增多,土体结构松散致使其粘聚力降低,但根-土复合体的粘聚力降低幅度明显低于无根系土,说明根系的存在起到了抵御冻融循环作用不利影响的积极效应。低围压下的根系在土体内部交织缠绕形成加筋层,对土体变形的约束作用就会增强,根系对土体的加筋效果将更好的发挥,而在高围压情况下,高围压作用使根系未能交织缠绕构成加筋团体,导致加筋作用难以有效发挥。4)冻融作用下消落带边坡浅表层稳定性分析:使用数值模拟软件FLAC3D构建狗牙根根系在白家包滑坡浅表层土体固土护坡的物理力学模型,探究在坡体自重荷载作用下,历经不同冻融循环次数的消落带边坡浅表层土体安全系数的变化规律,以及狗牙根根系固土护坡效果,并建立了冻融作用下不同植被覆盖率的消落带边坡浅表层土体的稳定性安全系数估算式。

关键词： 沙漠砂混凝土   冻融循环   沙漠砂替代率   抗折强度   轴心抗压强度   孔隙结构分析  

摘要： 近年来,随着工程建设飞速发展,建筑用砂需求日益增多,过度开采砂石资源已经造成严重的环境问题。我国西部地区具有丰富的沙漠砂资源,若能利用沙漠砂替代建筑用砂配置出适用于工程建设的沙漠砂混凝土,对于环境保护及节约工程成本具有重要意义。我国西北冬季气候寒冷、昼夜温差大,易发生冻融破坏。因此,对冻融循环作用下沙漠砂混凝土力学性能研究是非常必要的。在前期沙漠砂混凝土冻融后抗压强度试验研究基础上,本文首先进行C30沙漠砂混凝土（DSC）冻融循环后抗折强度试验,分析沙漠砂替代率（DSRR）、粉煤灰掺量和冻融循环次数对DSC抗折强度影响;通过孔隙结构和扫描电镜（SEM）分析,分析冻融循环对DSC孔隙结构和微观形貌的影响。然后进行不同应力水平下C30沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,分析冻融循环次数和应力水平对DSC轴心抗压强度影响,主要研究内容如下:（1）通过DSC冻融循环后抗折强度试验,分析DSRR、粉煤灰掺量和冻融循环次数对DSC冻融后表观特征、质量损失率、相对动弹模量、超声波速和抗折强度的影响,揭示DSC冻融后抗折强度随超声波速、相对动弹模量的变化规律,建立DSC冻融后抗折强度劣化模型。试验结果表明:随冻融循环次数增加,DSC质量损失率呈先减小后增大趋势,超声波速、相对动弹模量和抗折强度呈逐渐减小趋势。随DSRR增加,DSC质量损失率呈先减小后增大趋势,在DSRR为30%时达到最小;超声波速、相对动弹模量和抗折强度呈先增大后减小趋势,在DSRR为30%时达到最大。随粉煤灰掺量增加,DSC质量损失率先减小后增大,在粉煤灰掺量为15%时达到最小;超声波速、相对动弹模量和抗折强度先增大后减小,在粉煤灰掺量为15%时达到最大。（2）以相对动弹模量定义损伤变量,建立DSC冻融损伤模型,模型相关系数较高,说明该冻融损伤模型能较好反映其冻融劣化规律。（3）基于体视学原理,利用光学显微镜和Image-Pro Plus软件对冻融后DSC进行孔隙结构分析,研究冻融循环后DSC孔径分布随冻融循环次数、DSRR和粉煤灰掺量的变化规律,建立冻融循环后孔隙率与相对抗折强度间关系。结果表明:随冻融循环次数增加,DSC孔隙率不断增加;随DSRR增加,DSC孔隙率呈先减小后增大趋势,在DSRR为30%时达到最小。随粉煤灰掺量增加,DSC孔隙率先减小后增大,在粉煤灰掺量15%时达到最小。（4）通过不同应力水平下DSC冻融循环后轴心抗压强度试验,分析DSRR、粉煤灰掺量、冻融循环次数和应力水平对DSC冻融后表观特征、超声波速、轴心抗压强度和应力-应变曲线的影响,建立冻融循环后DSC本构模型。结果表明:随冻融循环次数增加,DSC表面劣化加重,质量损失率先减小后增大;超声波速、弹性模量和轴心抗压强度逐渐减小;相对峰值应变逐渐增大。随着DSRR增加,DSC超声波速、弹性模量和轴心抗压强度呈先增大后减小趋势,在DSRR为40%时达到最大;相对峰值应变先减小后增大,在DSRR为40%时达到最小。随着应力水平的增加,DSC轴心抗压强度、动弹模量和超声波速逐渐减小,质量损失率和相对峰值应变逐渐增大。