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。     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

STUDY OF MESO-STRUCTURE DEFORMATION MECHANISM OF SILT LIGHTWEIGHT SOIL UNDER CYCLIC LOADING1)

基于新型室内固结试验及有限元数值模拟分析方法,研究了淤泥轻量土在循环载荷作用下的细观多相变形机理及其宏、细观变形特性之间的相互关系。结果表明,EPS(expanded polystyrene)颗粒掺量及其粒径大小对淤泥轻量土的细观变形特性有显著的影响。试验发现,在所选用的配合比中EPS掺量相差2.0%时,而淤泥轻量土最大体积变形量却相差了4.1%。在相同循环次数下,试样中上、中、下三个点位的EPS颗粒变形量及其应力应变大小关系并不相同,上点位的EPS颗粒变形量最大。通过对不同循环周期下淤泥轻量土各相细观变形关系定量计算分析发现,EPS颗粒变形量在其整个变形过程中占主导地位,平均占到约60%$\sim$80%。该研究可为后续有关EPS淤泥轻量土的微细观结构之间多相耦合作用的研究及其在软土路基填土工程中的应用提供一定的理论支持。     

循环载荷下淤泥轻量土的细观变形机理研究

基于新型室内固结试验及有限元数值模拟分析方法,研究了淤泥轻量土在循环载荷作用下的细观多相变形机理及其宏、细观变形特性之间的相互关系。结果表明,EPS(expanded polystyrene)颗粒掺量及其粒径大小对淤泥轻量土的细观变形特性有显著的影响。试验发现,在所选用的配合比中EPS掺量相差2.0%时,而淤泥轻量土最大体积变形量却相差了4.1%。在相同循环次数下,试样中上、中、下三个点位的EPS颗粒变形量及其应力应变大小关系并不相同,上点位的EPS颗粒变形量最大。通过对不同循环周期下淤泥轻量土各相细观变形关系定量计算分析发现,EPS颗粒变形量在其整个变形过程中占主导地位,平均占到约60%～80%。该研究可为后续有关EPS淤泥轻量土的微细观结构之间多相耦合作用的研究及其在软土路基填土工程中的应用提供一定的理论支持。     

复掺氧化石墨烯与矿渣粉的水泥基材料力学性能研究

由于氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)的氧化程度、矿渣粉(Slag Powder, SP)的等级不同,对水泥基材料的协同效应尚未达成广泛共识。本文制备了复掺氧化石墨烯(GO)和矿渣粉(SP)的水泥基材料,研究了GO掺量、SP掺量以及水胶比等对其流动性及力学性能的影响,分析了其水化产物及微观形貌。结果表明:水泥基材料的流动性随GO掺量的增加而减小,随SP掺量的增加而增大,随水胶比的增大而增大;力学性能方面,各龄期抗压和抗折强度均随GO掺量的增加而增大,且对早期强度的影响更为显著;早期抗压和抗折强度均随SP掺量的增加而减小,但28d之后随SP掺量增加而先增后减,在掺量达到40%时达到最大;此外,抗压和抗折强度均随水胶比的增大而呈现减小趋势。微观结果表明,GO和SP可丰富水化产物、改善微观结构。本文研究结果可为该水泥基材料的工程应用和理论研究提供参考。     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

橡胶粉对PVA-ECC力学性能影响研究

为研究橡胶粉对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)力学性能的影响,以掺入了橡胶粉的PVA-ECC为研究对象,对其强度和压缩韧性进行试验研究,并采用扫描电镜对橡胶粉表面微观形貌进行分析。研究参数包括橡胶粉掺量、改性方式及粒径。试验结果表明:相对于基准试件,橡胶粉掺量为5%时,试件抗压强度提高了6%;掺量为10%时,试件抗压强度基本相等,压缩韧性指标有所提高;橡胶粉掺量较低时,试件呈现多裂缝失效模式,延性相对于基准试件有一定提高;橡胶粉粒径及处理方式对试件力学性能影响不大。因此,采用掺量低于10%的水洗橡胶粉制备PVA-ECC能提高其抗压强度、压缩韧性及延性,且更易制备。     

干湿循环导致粉砂质泥岩力学特性变化规律研究

受亲水矿物成分影响,水侵作用下粉砂质泥岩力学特性易劣化．开展多种干湿条件下粉砂质泥岩的单/三轴压缩试验,研究试样在饱水作用下的强度和刚度弱化,分析干湿循环对试样力学特性的影响规律．试验结果表明,粉砂质泥岩强度和刚度均随饱和度增加而明显降低,在中期变形阶段刚度下降程度明显大于早期变形阶段．粉砂质泥岩强度随围压增大而线性提高,其强度特性可采用Drucker-Prager准则描述,且试样开裂角符合剪切滑移破坏特征．干湿循环试验结果表明,粉砂质泥岩单轴抗压强度和割线模量随循环次数增大而近似线性衰减,并且其刚度衰减快于强度衰减．     

多层氧化石墨烯-水泥基复合材料的力学性能与微观结构

研究了大片径多层氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)对水泥砂浆力学性能和微观结构的影响。发现掺入多层GO对水泥砂浆的抗压强度和抗折强度增强效果明显。随着GO掺量的增加,水泥砂浆的抗压强度和抗折强度呈现出先增大后减小的趋势。通过SEM观察其微观结构,发现GO作为载体,促使花状晶体和针状晶体等水化产物的生成,并且调节水泥的水化产物规则生长,形成致密结构。此外,GO纳米片可以形成阻止裂纹扩展的屏障,抑制裂纹在水泥砂浆中的传播,增强水泥砂浆的力学性能。相比于小片径薄层GO,大片径多层GO对水泥基材料性能的增强效果明显,经济实用性更高。     

不同溶液环境下砂岩干湿循环损伤特性试验研究

为研究不同溶液环境下长石砂岩干湿循环损伤特性,对长石砂岩分别进行水和Na_2SO_4溶液两种环境下的干湿循环试验。对不同干湿循环次数后的长石砂岩进行纵波波速测定、XRD衍射试验、单轴抗压试验以及数字散斑试验(DSCM)。结果表明:Na_2SO_4溶液环境下干湿循环长石砂岩纵波波速、抗压强度、弹性模量等物理力学参数下降严重。干湿循环过程中水主要起溶解砂岩内部长石等矿物作用,盐分结晶产生结晶应力是长石砂岩损伤的主要原因。将应变局部化阶段初始点损伤状态确定为基准损伤,基于侧面应变标准差定义了长石砂岩损伤度,该损伤度演化方程能较好地反映长石砂岩干湿循环损伤过程。     

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。     

循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展模拟的接触算法

沿裂缝可能开展路径设置接触点对,把求解接触问题的有限元混合法进行扩展,以实现循环加载条件下混凝土Ⅰ型裂缝扩展的数值模拟.根据荷载过程状态和缝面接触状态的不同,将循环荷载作用下的混凝土本构关系抽象为力学模型中的六种不同接触状态,不同的接触状态对应着不同的位移-应力曲线关系.以缝面张开位移和接触应力作为接触状态转变的判断参量,并给出了各状态的转变关系和数值判断条件,以接触算法实现了循环加载条件下混凝土Ⅰ型断裂扩展的数值模拟.首先给出了有限元混合法求解接触问题的基本思路,然后引入循环荷载下的混凝土本构关系,再对Ⅰ型裂缝扩展的数值实现方法进行了阐述,最后通过数值算例说明了数值实现方法的正确性和有效性.     

不同加载速率下玄武岩三点弯断裂性能及破坏形貌的试验研究

对不同加载速率下的玄武岩展开了三点弯断裂试验研究,探讨了荷载-位移曲线变化规律及裂纹扩展机理,分析了试样断裂面粗糙度系数随加载速率及开裂荷载的变化关系。结果发现:当加载速率在0.005～5mm/s范围内增加时,试样的断裂峰值荷载有增大趋势,而最大位移有不同程度减小,荷载-位移曲线的弹性阶段明显突出,上凹阶段与裂纹失稳扩展阶段有所隐退。裂缝扩展高度一定时,开裂荷载随加载速率的增加而增大,且断裂面粗糙度系数与加载速率呈显著的对数函数递减趋势;而加载速率一定时,开裂荷载随裂缝扩展高度的增加而增大。试样不同高度处的开裂荷载与断裂面粗糙度系数呈明显的幂函数递减关系。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验,得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式,并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明:空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑;水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝;结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞;从横向对比来看,在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小,结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

干湿循环作用下红砂岩侧限膨胀应力时程模型

采用湖南株洲地区的红砂岩样,进行了不同干湿循环次数和不同干燥温度影响下的侧限膨胀应力试验。结果表明:岩石侧限膨胀应力是时间的函数,可以用快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢稳定阶段表征;干湿循环作用和干燥温度对红砂岩的膨胀产生显著影响,随循环次数的增大,最大侧限膨胀应力先增大后减小;干燥温度越高,不同循环次数下的侧限膨胀应力越大。建立了考虑循环次数与干燥温度影响的侧限膨胀应力时程模型,并验证了模型的正确性。所得结论可为保证膨胀岩地区工程建设的安全性和稳定性提供指导。     

显式方法精确模拟形状记忆合金循环荷载下的变形行为

本文提出全新的有限弹塑性J2流方程,用来显式、精确地模拟SMAs（形状记忆合金）材料在循环加载-卸载条件下从塑性逐渐转变为伪弹性的变形行为．首先,改进流动法,使得本构方程耦合屈服中心的移动和屈服面的增大,并改进背应力演化方程,使模型可以产生强烈的包辛格效应,从理论上具备模拟SMAs独特变形行为的能力;其次,构造全过程下的统一硬化函数显式表达式,代入本构方程后能得到符合要求的形函数;再次,利用选定的数据点构造统一光滑的上屈服函数,再利用上下屈服应力之间的一种线性关系,推导得到下屈服阶段的形函数;最后,只需要给定一个参数就可以得到单个循环结果,利用拉格朗日插值方法构建参数随循环次数变化的函数,就可以模拟任意循环荷载下的变形行为．通过模型结果和实验数据对比证明新方法的有效性．     

粉煤灰及SAP对喷射混凝土早龄期开裂损伤影响

为系统研究粉煤灰、吸水保水剂(SAP)对喷射混凝土早龄期开裂损伤的影响,以掺入了粉煤灰、SAP的喷射混凝土为研究对象,对喷射混凝土的早龄期开裂损伤进行平板法试验研究。完成了各种试件的早龄期开裂损伤测试,研究了粉煤灰对喷射混凝土以及SAP对掺入20%粉煤灰喷射混凝土的早龄期开裂损伤的改善作用。试验结果表明,掺粉煤灰等量取代10%、20%水泥后,喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约7.2%和26.8%。掺0.25%SAP和0.5%SAP可以使20%粉煤灰掺量喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约57.9%和66.50%。因此,掺粉煤灰可有效地降低喷射混凝土早龄期开裂损伤,且在掺加粉煤灰的基础上再掺加适量的SAP效果会更佳。     

聚丙烯纤维和水泥对粘性土强度的影响及机理研究

选取聚丙烯纤维和水泥作为加固材料,在室内试验的基础上,研究了单独的纤维和水泥对粘性土强度的影响及其的综合作用,分析了它们的作用机理。试验中,3种不同百分比(0.05%,0.15%和0.25%素土重)的纤维和两种不同百分比的(5%和8%素土重)水泥分别掺入到粘土试样中,配制了12组试样,进行了无侧限抗压试验。试验结果表明,纤维和水泥均能够提高土体的强度,纤维的加入改善了水泥土样的脆性破坏模式;纤维水泥土样的强度远远高于相同掺量下的纯纤维土和纯水泥的强度,甚至高于它们的强度之和。运用扫描电镜(SEM)从微观层次上分析了纤维和水泥加固粘性土的力学机理,发现纤维表面与土介质之间的粘结力和摩擦力对加固效果有直接影响。     

基于分形原理的红层软岩崩解特性试验研究

在模拟自然界降雨条件下对湘中地区的红层软岩进行了室内干湿循环下的崩解试验,推导了基于体积与粒径关联的分形维数计算方法,分析了随着干湿循环次数增大时红层软岩崩解物各粒组累计百分含量与各粒组含量的变化规律,研究了不同块度质量对崩解的影响,建立了循环次数与分形维数的数学关系。结果表明：当循环次数增大时,累计百分含量与粒径关系曲线明显向粒径较小的方向移动,且相邻曲线间的间距持续缩小,最终间距趋近于零,体现了软岩崩解速率不断减小且最终几乎不变的规律;大于5 mm～10 mm粒组大颗粒的含量不断减少,而小于5 mm～10 mm粒组小颗粒的含量不断增加;试块质量不同试样的分形维数先快速增加,直至第4次循环后,曲线增长速率明显减小,并逐渐趋于稳定。试块质量越大,其崩解后的分形维数也越大,这说明试块质量的大小与其崩解速率成正相关。建立了干湿循环次数与分形维数的数学关系,分析了数学关系的工程意义。