关键词： 煤矸石   天然浮石   胶粉   力学性能   冻融循环试验   本构损伤模型  

摘要： 本文以内蒙古乌海市典型矿区排土场护坡修复为背景,以当地富集的煤矸石和天然浮石为主要原材料,研制煤矸石混合骨料混凝土,试验研究分为两阶段,阶段一以煤矸石粗骨料等体积梯度取代浮石粗骨料制备煤矸石混合骨料混凝土,通过力学试验准确分析混凝土宏观力学性能;为了表征煤矸石混合骨料混凝土的抗冻性,测试其经受冻融循环作用后质量损失率和相对动弹性模量进行分析;考虑冻融循环作用对混凝土的影响,在此工况作用后进行单轴受压试验,根据混凝土特性构建考虑冻融循环作用的煤矸石混合骨料混凝土损伤劣化本构模型,分析混凝土的损伤劣化过程、损伤机理和耐久性能;根据力学特性和耐久性能劣化规律,结合微观特征,分析不同掺量煤矸石混合骨料混凝土的综合性能,确定最优矸石混掺比例。阶段二以最优取代率为基础,外掺120目胶粉改善矸石混凝土综合性能,分析矸石混合骨料胶粉混凝土宏观力学性能、冻融损伤特征和微观孔隙结构,基于核磁共振技术建立灰色关联模型,研究宏观力学性能与孔隙结构的关联,结论如下:1、随着煤矸石取代率增加,立方体抗压强度先增高后降低,最优取代率为60%,拟合劈裂抗拉强度与取代率指数函数,精度较高;建立的应力-应变曲线模型较好描述混凝土承受荷载变形过程。煤矸石和浮石混掺弱化了浮石以及煤矸石本身材料缺陷,减少混凝土内部孔隙,优化了孔隙结构;确定最优取代率为60%,其强度最高,初始刚度最大,抵抗弹性变形能力最强,内部孔隙结构较好。2、相同冻融循环次数作用下,煤矸石取代率与质量损失率成正相关,相对动弹性模量降低,取代率的增加在一定程度上劣化了煤矸石混合骨料混凝土抗冻性。建立煤矸石混合骨料混凝土在不同矸石取代率下的应力-应变损伤劣化本构模型,较好的反应不同取代率下煤矸石混合骨料混凝土强度发育劣化规律。3、120目胶粉掺入提高了混凝土的拉压比,减小了混凝土的脆性性能,提高了混凝土的韧性,胶粉颗粒具有填充孔隙的作用,减少了多害孔的产生,优化了孔隙结构;建立GM(1,3)模型,模型预测值与试验值的平均误差低于5%,模型具有较高精度,可为胶粉外掺对煤矸石混合骨料混凝土的改善作用提供理论参考。120目胶粉外掺可有效改善煤矸石混合骨料混凝土的耐久性,掺量为12%最佳。4、确定水灰比0.43,煤矸石60%等体积取代浮石粗骨料制备煤矸石混合骨料混凝土。为矿区大型排土场提供一种可就地取材的护坡混凝土材料,减少经济成本,减少固体废料煤矸石堆积占地面积大、自然污染环境等问题。外掺胶凝材料质量12%的120目胶粉可改善混凝土孔隙结构和抗冻耐久性,提高混凝土性能。

关键词： 危岩体   冻融循环   极限平衡   冻胀力   冻结深度   稳定性系数  

摘要： 为了揭示冻融循环对寒区危岩体稳定性的劣化作用机理,根据极限平衡理论分析了不同类型寒区危岩体的受力特性,明确了冻融循环作用对寒区危岩体稳定性的影响,在结构面贯通段产生冻胀力荷载,在非贯通段弱化岩石物理力学性能及岩石冻结深度持续下探。综合运用极限平衡理论、原位冻胀理论和圆孔扩张理论,系统地研究了长期冻融循环作用下寒区压剪破坏型危岩体和拉剪破坏型危岩体稳定性的劣化规律,推导了寒区两类危岩体稳定性系数与冻融循环次数间的理论解析式。以甘肃某滑移式危岩体工程为算例,分析了寒区危岩体稳定性系数的劣化规律及部分参数的影响效果。主要研究结论如下:(1)冻融循环作用下岩石物理力学性能劣化满足初期衰减迅速后期衰减缓慢的规律,岩石物理力学性能劣化程度与冻结温度呈负相关关系,不同冻结温度仅会影响性能劣化幅度而不改变劣化规律;与岩石初始孔隙率和岩屑流失比呈正相关关系,降低岩石初始孔隙率能减缓性能劣化速率,降低岩屑流失比能减缓性能劣化范围。(2)最冷月份温度不改变岩石冻结深度演化规律,不同温度下的岩石冻结深度可视为基准深度与放大系数的乘积;低含水量岩石的初始冻结深度和冻结深度增长幅度更大,在冻融循环次数一定时冻结深度随含水量增加呈减速衰减变化趋势,随初始孔隙率增加呈加速增长变化趋势。(3)工程算例分析表明,寒区滑移式危岩体稳定性系数在前15次冻融循环作用后的下降幅度是后15次的4.5倍,稳定性系数劣化曲线随冻融循环次数增加表现出先快后缓并趋于稳定的下降趋势;在相同冻融循环次数条件下,稳定性系数随冻结温度的降低几乎呈线性下降,随岩石初始孔隙率和岩屑流失比的增加呈加速衰减趋势;当岩石初始孔隙率超过3.8%或岩屑流失比高于0.83时,稳定性系数下降速率急剧增加。

关键词： 机械活化   化学浆液   物理性能   硫酸盐   冻融循环   再生混凝土  

摘要： 我国西南沿海地区以及华北和西北等地区的土壤和水中均含有一定量的硫酸盐，会对再生混凝土形成一定的腐蚀作用，加之冻融循环的影响，导致材料性能与结构受到破坏。为保证再生混凝土材料能够得到更好应用，文章对硫酸盐侵蚀和冻融循环共同作用下的再生混凝土耐久性进行研究，通过试验对材料耐久性进行分析，明确各项干扰因素以及材料变化情况。结果表明，在两种因素的共同作用之下，再生混凝土材料的质量损失率逐渐从降低趋势向增加趋势转变。

关键词： 水泥土   干湿-冻融循环   盐分侵蚀   性能劣化  

摘要： 宁夏地区水泥土受盐蚀和干湿-冻融循环作用极大影响工程安全和正常使用。为探究干湿-冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用对水泥土性能的影响,以宁夏同心水泥黄土为研究对象,首先通过单因素试验选取合适水平,考虑盐浓度,并结合西北地区干湿性、季冻性等区域性特点对水泥土进行不同浓度硫酸盐溶液浸泡下的干湿-冻融循环试验,探究多重因素作用下试样外观、质量、波速、强度、动弹性模量、电阻率、含盐量等变化情况,在此基础上,建立上述数据与干湿-冻融循环次数拟合模型,最后将这些性能指标通过数学方法联系起来,揭示水泥土材料在干湿-冻融循环与盐分侵蚀共同作用下的变化规律。研究结果可为水泥土材料在复杂地质环境下的应用提供理论支撑和参考依据,并在一定程度上推进水泥土材料的研究。论文主要内容与结论如下:（1）选择单因素试验,探究压实度、水泥掺量、养护龄期和含水率对水泥土波速和强度的影响,结果表明:波速和压实度近似成二次函数增长,前期增长快后期增长慢,无侧限抗压强度近似和压实度成线性增长;在水泥掺量8%-24%范围内,波速和无侧限抗压强度近似和水泥掺量成线性增长;波速和无侧限抗压强度近似和养护龄期成对数增长的关系,前期增长快后期增长慢,可用短期强度预测长期强度;含水率8%-24%范围内,波速和含水率成二次函数增长关系,无侧限抗压强度和含水率成二次函数关系,先增后减,含水率16%最佳;考虑工期进展和经济成本问题,取压实度0.94,水泥掺量16%,养护龄期28d,含水率16%为制样标准。（2）由硫酸盐-干湿-冻融循环试验可知:随着盐溶液浓度增大和干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样腐蚀愈加严重,表面开始产生裂缝并逐渐贯通,盐溶液中水泥土试样产生泛霜现象;干湿-冻融循环过程中水泥土试样质量呈现先略微增加再减少的趋势,且溶液浓度越大下降越快;试样波速、动弹性模量、峰值强度、残余强度以及变形模量都和干湿-冻融循环次数有着良好指数下降的关系,除波速外其他力学性能随着盐溶液浓度增加,指数下降速率增大;随着干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样电阻率开始降低,且在盐溶液中减小速度较清水中十分明显;清水中电阻率近似成线性减小,变化不明显,盐溶液中试样的电阻率近似和干湿-冻融循环次数成幂函数下降。水泥土试样电阻率越小,含盐量越高。循环方式对于水泥土强度劣化作用排序为:所有循环方式的劣化效果随盐溶液浓度增大而增强,干湿-冻融交替＞先干湿再冻融＞先冻融再干湿,干湿-冻融循环产生了超叠加效应。（3）峰值强度与残余强度符合线性增长,可用较易测量的峰值强度来估算残余强度;峰值强度、残余强度、变形模量与超声波波速都有较好相关性,拟合优度最佳的模型都是二次函数,一定程度上意味用超声波无损检测方法来检测试样的强度和变形特征是可行的;变形模量和峰值强度满足相当良好的相关关系;用幂函数下降模型来拟合电阻率和含盐量的关系R2最高,也最符合实际情况,可通过电阻率来推测土壤盐渍化程度及地下水盐含量;水泥土峰值强度、残余强度和含盐量都具有良好的相关性,成负相关关系,用指数下降函数拟合最为恰当,可以用强度来推测盐腐蚀程度。

关键词： 纤维编织网   混凝土   冻融循环   弯曲性能   细观结构  

摘要： 纤维编织网增强混凝土(TRC)是一种新型水泥基复合材料,被广泛应用于混凝土结构的加固与修复和薄壁轻质结构。在“十三五”期间,玄武岩纤维和玻璃纤维被国家列入重点发展的四大纤维材料之中,其具有多功能性,主要表现为具有高强度、抗腐蚀、抗冻、抗老化等优异性能,特别适合作为补强材料应用于北方寒冷地区。与此同时,在我国东北和西北地区,本世纪初修建的混凝土结构遭受到大面积的冻融循环损伤,其力学性能受到不同程度的劣化,对其安全性和耐久性已经产生了较大的隐患。如何利用纤维编织网增强混凝土的优良性能补强北方寒冷地区的混凝土结构,对于我国严寒地区的混凝土结构的加固与修复具有重要工程意义。依托国家自然科学基金项目(42072296、41430642、41627801)的资助,本文对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土的弯曲性能进行了以下几方面研究:(1)观测冻融循环前后纤维编织网混凝土的表观损伤情况,并通过抗冻性指标(质量损失率和相对动弹性模量损失率)研究了纤维编织网增强混凝土的抗冻性,此外以抗冻性指标作为冻融损伤度,基于二参数Weibull函数建立TRC冻融损伤预测模型。(2)对不同冻融循环次数的玄武岩纤维和玻璃纤维的纤维编织网增强混凝土进行弯曲试验,结合试验现象,将荷载挠度曲线划分为5个阶段(一层纤维编织网)和7个阶段(两层纤维编织网),并结合试验数据分析冻融循环次数、纤维种类、纤维编织网布置层数和纤维TEX含量对纤维编织网增强混凝土弯曲性能的影响,与此同时,采用JSCE SF4的评价方法对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土的弯曲韧性进行评价。(3)通过电子扫描显微镜对已完成弯曲试验的纤维编织网增强混凝土构件进行细观观测与分析,主要观测纤维束与混凝土之间的界面区和过渡区在冻融循环作用下的细观变化。(4)对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土梁弯曲过程中开裂前、开裂时、开裂后和破坏时各阶段进行分析,并建立了冻融循环作用下TRC正截面极限抗弯承载力计算方法,结合试验所得数据,计算出冻融循环影响系数a,并将理论值与实际值进行对比分析。

关键词： 冻融循环   硬石膏岩   损伤劣化机理   声发射   本构模型  

摘要： 当今,随着社会经济的发展以及人类对自然资源的深度开发利用,大量的岩土工程建设在寒区兴起。硬石膏岩是广泛分布于地壳中的蒸发岩,在我国西北、华北、东北和西南等地区均有分布。位于寒区的硬石膏岩层,由于遭受冻融循环作用,引发诸如岩体承载力下降,原生孔隙、裂隙扩展等一系列不利于工程建设和运营的安全问题。为此,本文以“冻融循环作用下硬石膏岩损伤劣化机理”为研究主题,采用室内试验、理论模型推导和数值模拟分析相结合的方法。从细观、微观和宏观尺度,揭示了硬石膏岩在冻融循环作用下的损伤劣化机理;基于声发射特征,初步提出了荷载作用下冻融硬石膏岩的破坏前兆信号;结合最大拉应变准则,建立了冻融岩石的损伤本构模型;采用离散元数值模拟方法,探讨了冻融循环作用和预制裂隙对硬石膏岩裂纹扩展、力学行为及应力场分布的影响规律。本文主要研究内容及成果如下:(1)采用核磁共振和电镜扫描的无损检测方法,分析了冻融循环作用下硬石膏岩的细观、微观结构损伤演化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增加,硬石膏岩的小孔(r≤0.1μm)、PT-Ⅰ孔喉(0～0.18))占比、孔隙(D)和孔喉(D)分形维数呈指数型递减;而中孔(0.1μm

关键词： 砂岩   冻融循环   水化学   动力学   劣化机制  

摘要： 岩体经受着不同的风化作用,在寒区工程建设中面临最多的就是冻融损伤问题,近年来环境污染等问题愈发突出,水环境中往往伴随一些化学离子的存在,在冻融损伤过程中岩体常受到水环境中化学离子的影响,因此岩体的水化学-冻融耦合作用下动态力学性能试验研究对寒区工程结构稳定性具有重要意义。以工程中常见砂岩为研究对象,对水化学-冻融循环耦合作用下砂岩的物理力学性能展开研究,并进行微观结构分析,主要研究内容及结论如下:(1)研究砂岩在pH为3、5和7水环境下经历冻融次数为10、20、40和60次后的质量、孔隙率和纵波波速变化规律,试验发现水化学-冻融耦合作用对砂岩物理性能产生显著影响,随着水环境pH的降低和冻融循环次数的增加,砂岩干燥质量和纵波波速逐渐减小,孔隙率不断增大,且各物理指标变化速率逐渐减小。(2)利用SHPB装置对在pH为3的水环境中进行50次冻融循环作用下砂岩进行8种冲击气压下的动态压缩试验,结果表明:动态抗压强度和平均应变率均随着冲击气压的增加逐渐增大,呈二次多项式正相关;随着冲击气压的增加入射能逐渐增大,反射能、透射能和吸收能均随着入射能的增加不断增大,砂岩破坏模式由原来的张应变破坏转变为剪切复合破坏。(3)进行不同冻融循环次数与不同pH值水环境耦合作用砂岩的单轴冲击压缩试验。结果表明:随着水化学-冻融耦合作用的进行,砂岩动态力学参数逐渐产生劣化;在相同pH条件下随着冻融次数的增加,砂岩试样动态抗压强度逐渐减小,峰值应变不断增大,其中在pH为3水环境下经历10次、20次、30次、40次、50次和60次冻融循环,砂岩的强度较自然状态分别降低了9.80%、17.54%、21.85%、24.11%、28.79%和31.37%;在相同冻融循环次数下,随着水环境pH的降低砂岩动态抗压强度不断减小,峰值应变逐渐增大,其中当冻融循环次数为60次时,水溶液pH为3和5相比pH为7的溶液砂岩强度分别减少了18.61%和11.18%。(4)进行不同冲击气压下的循环冲击试验,研究发现较大冲击气压作用下,随着循环冲击次数的增加,峰值强度呈线性下降趋势,峰值应变和平均应变率均呈线性增长趋势;当冲击气压较小时,随着循环冲击次数的增加,峰值强度先缓慢下降然后陡降,峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;试件裂纹不断扩展,试件主要呈劈裂破坏;单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势,累计比能量吸收能则不断增加。(5)结合微观结构变化和反应前后砂岩物质的衍射图谱分析,矿物颗粒钠长石与高岭石产生化学与水解反应,胶结矿物方解石也与化学溶液中氢离子反应,岩石中的孔隙结构发生改变,产生新的孔隙裂纹。图[45]表[6]参[80]

关键词： 水分迁移   冻融循环   改良土   数值模拟   破坏强度   弹性模量  

摘要： 黄泛区粉土是黄河流域特有的一种土体,其土颗粒磨圆度高,颗粒之间有较多的孔隙,缺乏粘细颗粒填充,土体不易被压实,尤其在毛细作用下,土体的水稳定性极差。利用这种粉土建造的路基在季冻环境下极容易因水分迁移发生冻胀融沉现象,对道路的安全造成严重破坏,如何控制土体内部含水量的变化是一件亟待解决的难题。本文用高吸水树脂(SAP)作为改良材料,将其掺入土体中,对改良后的土体进行了相关性质的研究,并利用室内冻融循环试验装置模拟了自然环境下的季节变化,对水分和温度的变化规律进行了研究,同时利用有限元软件进行了模拟,最后对于不同冻融条件下的试样的静力学特性的衰变规律进行了研究,以对工程应用提供相关参考。本文以国家自然科学基金面上项目(52178429)和山东省自然科学基金面上项目(ZR201911100218)为依托,主要研究内容和成果如下:(1)在黄泛区粉土中掺入不同含量的SAP对其改良,通过进行不同掺量下的渗透特性、膨胀特性、收缩特性试验得出要想维持土体的稳定性能,SAP的掺入量要维持在0.5%以下,随后通过击实试验、无侧限抗压强度以及直剪试验,得出不同掺量的改良土体的最佳含水率和最大干密度,为之后的室内模型试验提供基本数据,直剪试验得出了SAP掺入后对土体抗剪强度的影响。最后对SAP改良土进行了土水特征曲线的变化研究,确定SAP对土体内水分的控制作用。(2)研发了室内冻融循环试验装置,模拟自然条件下的环境因素,对补水条件下的土柱模型进行了冻融循环试验。通过传感器和云管理平台实时监测土柱内水分和温度场的变化现状,在该试验设置中,考虑了上覆荷载、补水条件的因素,试验结束后,对温度和水分的数据进行整理,分析了试样内温度变化规律和水分迁移特性。结果表明,SAP改良土内温度的变化与素土相比存在一定程度的滞后性,水分场的变化规律尤其明显,在冻结稳定后,SAP改良土试样内含水量的值小于素土试样,融化后试样内的水分分布更均匀,含水量的增加值也较小。多次冻融后发现,试样在前三次冻融时含水量的变化最明显,之后随冻融次数的增多变化逐渐减小,在此过程中,SAP能够持续发挥作用,证明SAP具有良好的长期服役性能。(3)用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行计算。建立适合水热力变化的方程,并对方程进行耦合,将其改写成偏微分方程形式后代入模拟软件作为计算核心。将试验得出的基本参数写入方程中,随后对模型边界条件进行设置,对模型进行适合的网格划分并设置时间步,开始计算。计算完成后将计算结果与试验结果对比分析,研究冻融作用下SAP改良土水分场和温度场的变化规律,结果证明COMSOL Multiphysics数值模拟与真实试验结果具有较好的相似性。(4)通过变量控制对不同冻融循环次数、压实度和SAP含量的试样进行试验,分析破坏强度和弹性模量受上述因素影响的衰变规律,发现掺加SAP能够提高土体的相关性能,提出拟合公式,对破坏强度和弹性模量随上述因素的变化规律进行拟合,拟合结果符合相关要求,最终给出了拟合完成后的方程。

关键词： 溃堤   凌汛期   冻土条件   冻融循环条件   结构光传感器  

摘要： 堤防作为河流防洪减灾体系中的重要组成部分,在防止洪水泛滥、抵御风浪海潮方面发挥着重要作用。极端自然条件、堤身内患及人为破坏均可能诱发溃堤事故,进而导致水利、交通、通讯等设施严重受损,给人民的生产生活造成巨大的损失。堤防漫顶溃决过程涉及河床、堤防及溃堤水流的相互作用,模型试验是记录溃堤过程和揭示溃堤机理的有效手段。针对冰冻环境和冰水动力条件下溃堤机理研究较为匮乏的问题,本文搭建了弯道水槽概化模型,开展了冰凌条件、冻土条件和冻融循环条件下粘性土堤和非粘性土堤的溃决试验,分析了溃堤过程中的溃口扩展模式和溃决区域水力要素变化特性,研究成果可为溃堤后堤外洪灾风险动态评估及溃口堵复提供科学依据。主要内容如下:(1)开展洪水条件下均质土堤漫顶溃决试验,详细解释了非粘性土堤和粘性土堤在堤后冲蚀阶段的冲刷沟发展和陡坎发展模式,以及横向展宽阶段的失稳坍塌规律,分析了溃口流速和堤防上下游水位从稳态发展至非稳态再到稳态的全过程。(2)开展冰凌条件下非粘性土堤漫顶溃决试验,结果表明,冰凌对溃口具有挤压刮擦作用,且对堤防背水侧偏向主槽区下游的溃口破坏更严重。溃口的破坏强度与冰凌量和冰块与溃口的相对尺寸有关,随着冰凌量增加,溃口坍塌次数和横向展宽速率增加,垂向冲深速率和洪水波传播速率减小。(3)通过在低温环境下冻结土堤,并结合温度传感器监测各层温度,探究了冻土深度对堤防溃决特性的影响。结果表明,堤防在堤后冲蚀阶段和横向展宽阶段的破坏模式分别为陡坎冲蚀和失稳坍塌,且粘性土堤会出现陡坎合并现象。冻结后土体间隙的冰晶体与土颗粒相互胶结,溃口扩展速率及溃决区域的水位、流速变化率减小,且其与冻土深度成反比。(4)开展冻融循环条件下粘性土堤漫顶溃决试验,结果表明,堤后冲蚀阶段前期背水坡面破坏迅速,溃口呈双曲型,后期陡坎连通。与洪水条件相比,溃口扩展速率及溃决区域的水位、流速变化率均减小。