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。     

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。     

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。     

双交叉裂隙岩桥相互作用与破坏行为试验研究

双交叉裂隙是工程岩体中构成断续交叉裂隙的基本单元。裂隙几何参数的变化，会带来裂隙之间岩桥组合形态的改变，并形成岩桥相互作用，对双交叉裂隙的起裂、扩展、贯通及断裂产生直接影响。本文以光敏树脂3D打印技术制备不同次裂隙长度的双交叉裂隙试样，并低温处置使其脆化；开展单轴压缩试验以获得试样的力学性能，利用DIC (Digital Image Correlation,数字图像相关技术)分析试样的变形行为，采用高速摄像机捕捉裂纹萌生和裂隙扩展过程。结果表明，随次裂隙长度的增加，双交叉裂隙试样的峰值强度呈先增大后减小的趋势；试样压缩破坏过程中，最短岩桥(主导岩桥)的两端最先形成应力集中，主导着初始裂纹的形成；尖端裂纹的扩展路径主要受到剪切路径的影响，而剪切路径随加载进程动态变化，由外侧向主导岩桥位置逐步靠拢，控制着次生裂纹的扩展角度。     

基于Oda裂隙结构张量的流纹岩各向异性试验研究

岩石内天然存在长度、倾角和形态不同的裂隙,造成岩石的各向异性特征。为揭示岩石内天然随机裂隙发育特征对岩石物理力学特性的影响规律,以泥巴山隧址区采集裂隙性流纹岩为研究对象,首先对试样裂隙进行素描统计分析;然后基于Oda裂隙结构张量,获得天然随机分布裂隙的几何统计参数;最后对裂隙性流纹岩试样分别进行单轴和常规三轴压缩试验,得到不同应力路径下流纹岩的应力-应变曲线及物理力学参数。分析Oda裂隙结构张量定义的各向异性参数与试验获得的力学参数之间的规律,研究结果表明:(1)Oda裂隙结构张量适用于天然随机分布裂隙的几何统计分析,各向异性参数A(F)越大,裂隙优势方向越明显;(2)单轴压缩下,随着各向异性参数I1和A(F)的增大,流纹岩各向异性程度增大,弹性模量减小,泊松比增大;(3)常规三轴压缩下,流纹岩弹性模量和泊松比随各向异性参数改变的规律较不明显,Oda裂隙结构张量不再适用。     

低碳钢经拉压循环后的剩余强度、延性与表面损伤

对0.5%恒应变幅下事先经历了不同次数疲劳循环的Q235钢圆棒试样进行单轴拉破坏试验,观察到与未经疲劳循环试样相同的杯锥形断口;延伸率和断面收缩率随循环次数增加有所下降,但剩余强度反而提高。经历循环数N/Nf达到一定数值后,试样拉伸颈缩段表面出现表面损伤导致的分布裂隙。经历循环数愈多,裂隙愈密集,而未经疲劳循环试样则没有这样的裂隙。将试样进行表层磨削和抛光,再进行单轴拉断,颈缩区域表层分布裂隙不再出现,但延伸率和收缩率并不因此有明显改变。本文研究表明:Q235钢疲劳循环试样的表层疲劳损伤甚于内部疲劳损伤,其疲劳损伤不适合用剩余强度来描述,但可用经拉伸后出现于颈缩部位的表面裂隙来表征。     

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.     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

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。     

干湿循环效应对风化砂改良膨胀土膨胀力影响的研究

本文将0、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂掺入膨胀土中,分别进行0、1、2、3、4、5次干湿循环,对干湿循环之后的试样进行膨胀力测试;研究了不同掺量风化砂改良膨胀土膨胀力的大小及增长时程随着干湿循环次数的变化规律,分析了干湿循环作用一定次数后,风化砂掺量对试样表面的剥落程度及裂隙发育的影响。实验结果表明:干湿循环效应对风化砂改良膨胀土的膨胀力影响较为显著,且膨胀力与干湿循环次数间的关系可以用三次方函数很好地进行描述;在风化砂掺量一定时,经过2~3次干湿循环时膨胀力降低幅度最大,且随着风化砂掺量的增加,这一降低幅度在逐渐减少,干湿循环4~5后膨胀力趋于稳定;当风化砂掺量相同时,随着干湿循环次数的增加,膨胀力达到稳定所需要的时间逐渐减少,而膨胀力的增长速度先增大后减小;干湿循环5次后,试样表面的裂隙发育已基本达到稳定,裂隙数量随着风化砂掺量的增加而逐渐减少;当风化砂掺量为30%时,试样周边基本上不存在剥落现象。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响研究

为研究冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响,利用GDH-2005B型高低温试验箱对尾矿砂试样进行冻融循环,并通过FST-200型应变控制式三轴剪力仪开展五种冻融循环次数(1次、3次、5次、7次、9次)和五种含水率(11%、13%、15%、17%、19%)尾矿砂试样常规三轴试验。研究表明:(1)相同含水率时,随着冻融循环次数的增大,变形模量逐渐减小,内聚力和内摩擦角均呈现降低的趋势;经历9次冻融循环后,内聚力降低至17.4kPa,内摩擦角降为14.82°。(2)相同冻融循环次数条件下,随着含水率的增大,尾矿砂的峰值应力降低,对应峰值应变增大;围压100kPa时,含水率19%的尾矿砂在经历9次冻融循环后应变为18.21%,应力为139.37kPa;各冻融循环次数下的尾矿砂抗压强度均呈现下降的趋势,内聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小。研究成果可为尾矿砂物理力学性质理论的丰富以及尾矿砂相关工程的安全运营提供参考。     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重; 随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内; 内摩擦角基本不变; 反复冻融循环作用在3～5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

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。     

基于核磁共振的冻融片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环后三轴蠕变试验,分析讨论了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。并对不同冻融循环后的同一岩样进行核磁共振(NMR)检测,得到同一岩样不同冻融循环次数后的横向弛豫时间T_2分布。试验结果表明:随着冻融次数的增加,岩样经历的蠕变时长缩短,承受的加载等级逐渐减少。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,冻融后片麻岩在长期荷载作用下的破坏模式为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重。本文研究结果对于寒区工程的全寿命周期评价具有参考意义。     

盐湖高寒地区GFRP夹芯复合筋耐久性研究

对玻璃纤维(glassfiber reinforced polymer, GFRP)筋和GFRP–钢筋夹芯复合筋在盐湖地区多重环境因素耦合作用下进行耐久性试验,分析环境类型及作用时间对极限抗拉强度、弹性模量、极限应变的影响。结果表明:在多重因素耦合作用下,随着盐湖卤水腐蚀周期、冻融次数、干湿循环次数的增加,GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的抗拉强度逐渐减小,但是GFRP筋减小的幅度较小,而GFRP夹芯复合筋由于有钢筋的存在,抗拉强度减小比较大,特别是在盐湖卤水90 d以上、冻融150次以上时GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度实验不是很明显,屈服强度几乎不存在并且与抗拉极限强度相接近,表现出明显的脆性;在各种因素作用下,GFRP筋随着龄期的增加,弹性模量先减少后增加,而GFRP夹芯复合筋的弹性模量逐渐减小,相对来讲减小的幅度不是很大;各种耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度、弹性模量均比单因素作用下小,且腐蚀性的大小关系是盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合盐湖卤水+干湿循环冻融盐湖卤水。     

THE DURABILITY OF GLASS FIBER REINFORCED COMPOSITE REBARS IN SALT LAKE HIGH AND COLD AREA1)

对玻璃纤维(glass fiber reinforced polymer, GFRP)筋和GFRP -钢筋夹芯复合筋在盐湖地区多重环境因素耦合作用下进行耐久性试验,分析环境类型及作用时间对极限抗拉强度、弹性模量、极限应变的影响。结果表明：在多重因素耦合作用下,随着盐湖卤水腐蚀周期、冻融次数、干湿循环次数的增加,GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的抗拉强度逐渐减小,但是GFRP筋减小的幅度较小,而GFRP夹芯复合筋由于有钢筋的存在,抗拉强度减小比较大,特别是在盐湖卤水90 d以上、冻融150次以上时GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度实验不是很明显,屈服强度几乎不存在并且与抗拉极限强度相接近,表现出明显的脆性;在各种因素作用下,GFRP筋随着龄期的增加,弹性模量先减少后增加,而GFRP夹芯复合筋的弹性模量逐渐减小,相对来讲减小的幅度不是很大;各种耦合因素作用下GFRP筋和GFRP夹芯复合筋的极限抗拉强度、弹性模量均比单因素作用下小,且腐蚀性的大小关系是盐湖卤水+干湿循环+冻融耦合>盐湖卤水+干湿循环>冻融>盐湖卤水。     

制样方法对初始各向异性砂土三轴剪切力学特性 的影响研究 1)

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力-应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

制样方法对初始各向异性砂土三轴剪切力学特性的影响研究

基于砂土颗粒的毛细效应特性和冻融试验原理,提出一种砂土试样制备方法,能够在0°~90°范围内任意选取沉积方向,且适用于不同颗粒级配的试样。在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验,研究结果表明,毛细效应、冻融相结合的制样方法能够减缓压缩剪切试验的应力–应变关系增长速度,降低试样的抗剪峰值强度,对残余强度的影响相对较弱。在其他应力路径条件下,例如拉伸、减压压缩、等应力压缩等试验中,可以不考虑装样方法的影响。建议的制样方法能够合理应用到砂土初始各向异性的研究工作中。     

红砂岩冻融循环三轴力学特性及损伤机制

岩石的冻融破坏是寒区工程中不可忽视的自然灾害之一。为了探究冻融循环对岩石物理力学特性的影响,通过开展不同冻融循环次数下红砂岩的常规三轴试验,分析了其物理力学参数随冻融循环次数及围压的演化规律。结果表明,在冻融循环达到5次时,岩样中部表面会出现宏观裂纹且中部直径显著增大,随着表观裂纹不断发育,岩样尺寸随之增大;在单轴情况下,随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度不断降低,降幅最快发生在冻融循环前5次,超过2次后,岩样由脆性破坏转换为延性破坏;在三轴情况下,岩样峰值强度随冻融循环次数增加而降低,降幅最大发生在冻融循环5次以后,在冻融循环次前10次时围压对弹性模量影响较大,超过10次后冻融损伤对弹性模量影响较大。通过微观结构观察到冻融循环一方面会降低岩石矿物颗粒之间的连结紧密程度,使岩石孔隙直径增大,另一方面会使岩石颗粒崩解,破坏岩石颗粒的完整性。