冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

冻融循环对含纯Ⅰ型裂隙围岩的动态起裂特性影响规律

以寒区隧道为工程背景研究在冻融循环作用下围岩内Ⅰ型裂纹的动态起裂特性演化规律,采用隧道模型试件作为研究对象,开展冻融循环试验与大尺度落锤冲击试验,得到岩石试件经历不同冻融循环次数后的相关力学参数,并在裂纹尖端粘贴裂纹扩展计(crack propagation gauge, CPG)测量预制裂纹的动态起裂时间。采用有限元软件建立相应的数值模型计算裂纹尖端的动态应力强度因子,采用试验-数值法计算动态起裂韧度,随后采用电镜对冻融循环后的试样进行扫描,研究冻融循环对岩石材料的细观损伤机制。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石材料的纵波、横波波速与弹性模量逐渐减小,而泊松比逐渐增大;砂岩材料的动态起裂韧度随着冻融循环次数的增加逐渐减小,表征线性反比例的特性;材料内部的胶结物质会由于冻融循环的影响而流失,材料的孔隙和裂纹也随着冻融循环次数的增加而变多变大。     

冻融循环作用下不同埋深的嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的试验研究

通过18个表层嵌贴CFRP-混凝土拔出试件的试验,考察了不同冻融循环次数下有着不同CFRP埋深的试件的粘结承载力、破坏模式以及CFRP的应变分布等,分析了不同冻融循环次数下嵌贴CFRP-混凝土界面的粘结行为;以及在冻融循环作用下,不同CFRP板条埋深对嵌贴CFRP粘结性能的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的破坏模式由CFRP板的拉断破坏转变为试件粘结界面的破坏,试件的粘结承载力呈下降趋势,冻融侵蚀对CFRP-混凝土界面粘结性能产生了明显的劣化作用;在室温环境下,CFRP埋置深度对CFRP-混凝土界面粘结性能影响不明显;在冻融循环作用下,CFRP板条埋置深度为10mm时,其CFRP-混凝土界面粘结性能受冻融循环侵蚀的劣化作用较其他试件更明显。     

考虑岩石微元强度呈对数正态分布的冻融岩石损伤特性

冻融环境下准脆性岩石损伤力学特性对寒区工程建设有重要影响。由于准脆性岩石存在特征长度，其尺度效应不再符合Weibull尺度效应统计理论。本文以准脆性岩石为研究对象，考虑准脆性岩石微单元强度服从对数正态分布的条件下，依据D-P破坏准则，运用损伤力学理论建立了围压作用下冻融准脆性岩石的损伤本构模型，对冻融准脆性岩石损伤力学特性进行了探讨。研究表明，（1）采用对数正态分布建立的冻融准脆性岩石损伤力学本构模型与试验结果一致，该模型反映出冻融环境下准脆性岩石总损伤沿应变、围压和冻融循环路径相互作用，能够揭示出准脆性岩石损伤演化的本质特征。（2）冻融与围压共同作用下，准脆性岩石应力-应变变化关系可划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力减弱阶段以及应变衰退阶段。（3）当准脆性岩石所受围压一定时，冻融次数是使准脆性岩石冻融受荷总损伤增大的关键因素。冻融循环次数对准脆性岩石的损伤劣化起促进作用；当准脆性岩石所受冻融循环次数不变时，冻融受荷总损伤随围压增大而减小，即围压对准脆性岩石力学性能劣化起抑制作用。相关研究成果对寒区岩体工程安全稳定性评价有一定的理论参考价值。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

混凝土大坝抗震中的力学问题

论述了我国混凝土大坝抗震安全性评价的工程背景和指导思想,着重于简介高拱坝体系特点的线性和非线性地震响应分析方法．讨论了混凝土大坝随机地震响应及其抗震可靠度评估方法．此外,还基于大坝混凝土全级配试件动力试验成果,通过三维细观力学分析,探讨了其动态破坏过程和机理及应用CT技术的验证。     

冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系试验研究

为了研究冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结本构关系,对三种强度等级混凝土试件分别开展了快速冻融循环试验及拉拔试验,得到了不同强度等级、不同冻融循环次数下混凝土的抗压强度及其与光圆钢筋的黏结-滑移曲线。试验结果表明,不同强度等级及不同冻融循环次数的混凝土与光圆钢筋黏结-滑移曲线形状类似;对于相同强度等级试件,随着冻融循环次数的增加,峰值黏结强度、残余黏结强度和初始黏结刚度不断降低而峰值滑移不断增大;对于遭受相同冻融循环次数试件,混凝土强度等级越高,峰值黏结强度和残余黏结强度也越高,而峰值滑移变化规律不明显。最后建立了冻融损伤混凝土与光圆钢筋的黏结-滑移本构模型。上述结果对寒冷地区钢筋混凝土结构性能评定有参考价值。     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料，暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描，采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析，可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标，建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征；断裂韧性由裂纹几何参数决定；弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。     

不同化学腐蚀下砂岩冻融力学特性劣化的试验研究

通过研究砂岩试样在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历冻融作用后的物理力学特征,分析了砂岩在不同化学溶液中腐蚀30d后及再经历不同冻融循环次数作用后其物理力学特征的变化规律,同时,借助于体视显微镜和SEM扫描电镜对试样微细观结构的损伤劣化进行了观察,并基于孔隙率的变化建立损伤变量来定量的描述试样的损伤劣化程度。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加,浸泡在不同化学溶液中砂岩试样的峰值强度及其弹性模量均呈现出指数函数的劣化趋势,而其峰值应变却按指数函数的趋势增加。不同化学溶液下砂岩试样的损伤程度随着冻融循环次数的增加而逐渐加剧,酸性溶液下试样的损伤程度大于中性溶液和碱性溶液下的损伤程度,碱性化学溶液下试样的冻融损伤程度最小。酸性溶液加剧了冻融作用下砂岩试样的损伤劣化程度,而中性至碱性溶液下起冻融损伤程度却得到一定的缓解。化学腐蚀作用与冻融循环作用相互促进、共同影响着砂岩试样的损伤劣化程度。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

冻融循环和干湿循环作用下砂岩断裂韧度及其与强度特征相关性的试验研究

以三峡库区岸边坡消落带的典型砂岩为研究对象,针对其实际的赋存环境设计了干湿循环和冻融循环2种试验方案,分别研究了2种试验方案过程中砂岩试样的力学特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样经历不同循环次数后各力学参数的变化规律。试验结果表明：干湿循环和冻融循环作用下砂岩试样具有明显的“弱化”趋势,其断裂韧度、抗压强度和抗拉强度劣化趋势基本一致,但试样各力学参数劣化程度却存在差异。其中,断裂韧度KIC的劣化程度最大,抗拉强度次之,抗压强度最小。干湿循环和冻融循环作用过程中砂岩试样各力学参数的劣化程度均非常显著,该现象说明在模拟库岸边坡消落带岩体遭受化学溶液作用时,干湿循环和冻融循环作用均是不可能忽视的影响因素。但比较而言,在冻融循环作用下砂岩试样各力学参数劣化程度更加显著。不同的化学溶液对砂岩试样力学特征的损伤劣化程度的影响有所不同,酸性化学溶液加剧了砂岩的劣化程度,而SO42-离子对砂岩劣化的影响大于HCO3-离子的。     

寒区冻融环境条件下岩石损伤扩展研究探讨

本文借助于岩石材料冻融循环CT扫描实验，对岩石材料在冻融循环条件下损伤扩展特性进行研究，着重探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展的影响，并对冻融循环条件下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨。     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

不同化学溶液和冻融循环作用下砂浆力学特征的研究

通过对不同化学溶液和冻融循环共同作用下砂浆物理力学特性进行室内试验,研究了溶液的酸碱性、浓度和化学成分对砂浆化学冻融损伤劣化程度的影响,进一步分析了化学冻融后试样物理力学特性的变化规律,并对不同化学溶液下砂浆的冻融损伤劣化机理进行了探讨。试验结果表明:溶液酸性越强,砂浆物理力学参数的冻融损伤劣化程度越大;冻融初期,碱性NaOH溶液抑制了砂浆的损伤劣化的程度,但随着冻融循环次数的增加,这种抑制作用逐渐消失。相同条件下,Na_2SO_4溶液加剧了砂浆的冻融损伤程度。试样抗折强度的化学冻融损伤劣化程度相对于其抗压强度要严重得多;同时,基于化学冻融前后砂浆的孔隙率建立损伤变量,来定量地描述砂浆化学冻融损伤的劣化程度。     

冻融和疲劳对预应力受弯构件损伤的影响

通过15根预应力及普通混凝土试验梁在经历不同冻融循环次数后的疲劳试验, 探索试验梁 相对动弹模衰减规律, 以相对动弹模为损伤变量, 通过方差分析方法定量分析冻融和疲劳两 种因素对构件损伤的影响. 研究表明试验梁在冻融和疲劳荷载双因素作用下, 初期以冻融损 伤为主, 之后很快发展为以疲劳损伤为主, 疲劳损伤是构件的主要损伤因素. 施加预应力或 提高预应力度对试验梁疲劳损伤有较明显的抑制作用, 将缩短试验梁全寿命中以疲劳损伤为 主的时间.     

冻融损伤混凝土单轴压缩细观破坏研究

根据冻融循环试验测得混凝土损伤层厚度,利用离散元软件建立冻融损伤混凝土数值模型;基于单轴压缩试验得到应力-应变曲线,标定不同冻融循环次数下混凝土中水泥砂浆间以及水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数,并开展冻融损伤混凝土模型单轴压缩仿真模拟。将数值模拟得到的颗粒轴向位移与试验得到的轴向压缩变形进行对比,验证模型与所标定细观参数的正确性。通过研究颗粒间的接触力和裂纹发展过程,分析冻融损伤对混凝土力学性能的影响。结果表明:随着冻融次数的增加,第二阶段点颗粒间接触力最大值逐渐减小,第三阶段点颗粒间接触力最大值逐渐增大;第二阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力降低4%,第三阶段点冻融150次颗粒之间的最大接触力相比于冻融75次颗粒之间的最大接触力增大7.8%;随着冻融次数的增加,混凝土模型中的裂纹数量逐渐增多。不同阶段点对应的颗粒间接触力和裂纹发展可以反映出混凝土的细观破坏程度。因此,可以采用数值试验研究冻融混凝土的细观破坏过程。     

考虑孔隙影响的混凝土有效弹性模量预测分析研究

本文通过纳米压痕实验技术得到混凝土材料细观各相参数，基于渐进均匀化理论，采用蒙特卡洛方法和双向游走方法建立了含孔隙混凝土的胞元模型．分析了孔隙在冻融循环次数增加情况下对混凝土有效弹性模量的影响，同时与有限元模拟分析进行了比较．结果表明：随着冻融循环次数增加，孔隙体积分数增大，界面与砂浆压痕模量相对降低，但对骨料影响较小，导致混凝土宏观弹性模量随之降低；理论分析预测的混凝土有效弹性模量与有限元模拟结果吻合良好．应用含孔隙混凝土胞元模型能有效地预测混凝土宏观弹性模量，进而也为其在冻融作用下老化演变机理的研究评估提供了基础．     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

采用连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,将混凝土强度降低、刚度劣化即损伤作为不可逆内变量张量,并考虑应变率效应和多轴应力状态,建立率相关弹塑性损伤模型.应力本构积分采用返回映射法,给出了有限元程序主要功能流程.对强地震作用下大岗山高拱坝损伤和破坏情况进行数值模拟,评价其强震后的安全性.结果显示,大坝在强震后总体损伤不大,结构安全性较好,但应注意抗震薄弱部位;同时大坝不同部位率响应明显不同,对混凝土力学性能影响不容忽视.