干湿交替下混凝土中水分和多离子耦合传输的数值研究

干湿交替区混凝土结构的耐久性问题非常突出,非饱和混凝土中的氯离子传输在受到水分对流效应主导的同时,由于混凝土孔隙液中始终存在着多种自由离子,异种离子间的电化学耦合效应对氯传输的影响同样不可忽视。本文着重考虑多离子间电化学耦合效应和水分对流效应对氯离子传输的共同影响,建立经第三方实验验证的水分-多离子耦合传输模型。通过数值研究发现,干湿交替下多离子间电化学耦合效应会在孔隙液中产生时变的静电势,并对传输预测造成显著影响,10个干湿循环后考虑多离子传输的氯离子含量可达单一离子传输的1.26倍。同时发现干湿时间比的减小,干湿循环次数的增加,干燥过程水分边界饱和度的减小,三者均会放大电化学耦合效应对氯离子传输的影响。结果表明在干湿交替环境下,若仅考虑单一离子传输会导致对氯离子摄入量的预测偏低,致使混凝土的耐久性设计偏危险。     

干湿交替条件下红土边坡破坏机理试验研究

为了研究红土边坡在干湿交替条件下的破坏特征及其破坏机理,根据相似理论,建立了与工程边坡相似的模型边坡,采用测试元件,对试验边坡开展了长达一年半的监测,分析其在降雨、非降雨等干湿交替条件下边坡破坏特征及其破坏机理。研究结果表明:在非降雨条件下,试验边坡表面红土层裂缝的产生与其含水率有关,当其含水率低于27.5%时,其表面红土层开始产生裂缝,且裂缝数量和裂缝宽度随含水率的减小经历了缓慢增加、急剧增加和稳定发展的3个阶段;在干湿循环条件下,试验边坡表面红土层的裂缝经历了开裂、愈合、再开裂的循环过程,随降雨次数的增多,裂缝将沿边坡表面向其深部发展,且其宽度和深度也逐渐增加,地表水将沿裂缝深度方向渗流到边坡底部的红土层中,造成红土颗粒泥质化;在干湿交替作用一年半后,地表水将沿试验边坡2条垂直裂缝渗流到边坡底部的土体中,导致其由下往上逐层被软化崩解,最终形成导水通道,诱发边坡大规模滑坡。     

干湿过程中混凝土内部水分分布数值模拟研究

在混凝土结构服役过程中,水分在混凝土中的储存和传输对其耐久性起到至关重要的作用,因此本文主要针对干湿过程中水分在混凝土中的分布进行了试验和模拟。利用扩散方程,分别对湿润和干燥过程赋予不同的扩散系数,建立水分传输模型。其中,回归系数根据有限差分法和遗传算法,利用湿润和干燥试验中的数据推算出来,并验证了此方法的可靠性。最后对干湿条件下的混凝土内部水分分布进行了数值模拟,并能预测出不同湿度条件下混凝土内部水分分布情况。     

裂缝对混凝土中水分传输影响研究进展

由荷载或环境因素产生的混凝土裂缝,不仅降低了混凝土抵抗水分侵入的能力,还为侵蚀性介质侵入混凝土内部提供附加通道,造成钢筋混凝土结构耐久性不足和使用寿命降低。本文从试验研究和数值模拟两个方面,系统评述了裂缝对混凝土中水分传输影响的研究进展。研究发现,混凝土裂缝中的水分传输系数与裂缝宽度的二次或三次方成正比;裂缝迂曲度的增加能显著降低水分的传输速度;裂缝粗糙度的变化对水分传输速度影响很小;裂缝密度的增加能增大混凝土的吸水量。此外,裂缝的自愈合能够降低水分在混凝土裂缝中的传输速度。研究裂缝对混凝土中水分传输规律的影响可为钢筋混凝土结构的耐久性设计提供理论依据。最后,在总结已有研究成果的基础上,分析了开裂混凝土中水分传输研究存在的问题,并对未来可能的研究方向给出了建议。     

基于粘结裂缝模型的混凝土受拉性能数值模拟

为研究混凝土细观结构对于混凝土受拉性能的影响,采用自编程序建立骨料形状为圆形、椭圆形以及随机多边形三种混凝土细观模型。并批量插入粘结单元,形成粘结裂缝模型。与已有实验对比验证数值模型的准确性。在此基础上讨论了网格尺寸、骨料形状以及数值模型细观参数对于混凝土受拉性能的影响,结果表明:混凝土细观粘结裂缝模型可以很好的模拟混凝土宏观开裂,网格尺寸对于混凝土细观粘结裂缝模型的受拉性能、裂缝扩展形态影响很小,骨料随机分布以及骨料形状对于混凝土裂缝扩展形态影响很大,对于受拉性能影响很小。界面粘结单元的粘结强度和断裂能对混凝土的宏观受拉性能有较大的影响,研究混凝土的力学性能时应优先考虑界面的影响。     

碳化与硫酸盐溶液干湿循环后混凝土断裂韧度

为研究劣化作用对混凝土断裂韧度的影响,通过碳化、硫酸盐溶液干湿循环单一及交替作用后混凝土切口梁三点弯曲试验,探讨了碳化时间、硫酸盐溶液干湿循环次数对混凝土断裂韧度的影响。结果表明:碳化和硫酸盐溶液干湿循环均会对混凝土断裂韧度造成一定程度的劣化,劣化程度因子小于1。随着碳化时间和硫酸盐溶液干湿循环次数的增加,断裂韧度呈减小趋势;单一劣化作用时,随着碳化时间和硫酸盐溶液干湿循环次数的增加,劣化程度因子减小显著,且碳化时间、硫酸盐溶液干湿循环次数与劣化程度因子之间分别满足近似指数关系;由于碳化和硫酸盐溶液干湿循环的交互影响,单一劣化作用对断裂韧度的劣化程度逐渐呈现大于交替劣化作用影响的趋势。在分析试验结果的基础上,建立了劣化作用后混凝土断裂韧度计算模式,该模式有助于分析劣化作用后混凝土裂缝扩展并预测其断裂韧度。     

钢筋混凝土轴拉构件裂缝宽度有限元计算方法研究

以大型通用有限元软件ABAQUS为平台,建立了钢筋混凝土轴拉构件荷载作用下裂缝宽度的一种有限元计算方法。采用损伤塑性模型,考虑混凝土软化特性,对3组不同配筋率的轴拉试件进行非线性分析。数值分析结果表明,试件开裂位置、开裂荷载以及开裂处钢筋应力值均与试验实测结果较为接近。同时,通过裂缝宽度计算方法所得各级荷载作用下的裂缝宽度值与试验实测值吻合度也较好。表明提出的基于有限元的裂缝宽度计算方法具有一定的可行性和精确度,可以为实际工程中的裂缝宽度计算提供一定依据。     

钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟

基于混凝土材料细观层次的研究,对钢筋混凝土梁开裂面的力学性能进行了分析和数值模拟。引入开裂面法向和切向的应力-应变关系假定,模拟了裂缝出现后开裂面由于骨料咬合和微裂缝嵌入的互制作用;采用弹性地基梁理论分析了钢筋销栓作用对开裂面应力传递的影响;在此基础上,基于开裂区应变分解思想,采用等效连续模型将开裂面和裂缝间混凝土统一,将裂缝的影响隐含在等效的本构模型及相关参数中,并给出了开裂单元的屈服准则、加卸载准则及增量型有限元中本构矩阵的数值计算方法。典型构件的试验结果验证了本文数值模型的合理性和有效性。     

基于SEM的干湿循环蚀变花岗岩分形特征与力学特性演化规律

分形维数是对岩石裂隙、破碎程度和损伤等细观特征的定量描述,岩石的细观结构往往会对宏观强度特征产生较大的影响。为了研究干湿循环侵水对蚀变花岗岩细观特征的影响,基于电镜扫描(SEM)试验,得到了经历不同干湿循环次数的蚀变花岗岩的细观图像,并通过盒维数法计算得到各岩样的分形维数,建立基于分形维数的细观损伤演化方程;其次,通过室内单轴抗压强度和抗拉强度试验,获得不同干湿循环次数下蚀变花岗岩的力学特性。通过试验数据,得到了干湿循环次数及分形维数分别与岩石强度特性和弹性参数的关系。研究表明:岩石干湿循环次数的增加在宏观上表现为抗拉强度、单轴抗压强度以及弹性模量的减小;在细观上表现为分形维数的增大;泊松比不受此影响。分形维数将岩石细观特征量化、建立了细观和宏观的联系。研究结果可为衡量蚀变花岗岩强度特性的指标提供依据。     

膨胀土细观结构变化及与声波波速的关系

采用CT技术和TH204型非金属超声波仪测试,探讨了干湿循环作用下膨胀土的细观结构及其平均纵波波速的变化规律,并运用损伤力学的研究方法定义基于CT数的损伤变量,据此建立了干湿循环作用引起的细观结构变化与平均纵波波速变化之间的关系。研究结果表明:第1~4次干湿循环对膨胀土细观结构变化影响较大,内部微裂隙发育明显,第7~8次干湿循环对细观结构影响甚微;膨胀土的平均纵波波速随着循环次数的增加呈非线性衰减,并最终趋于稳定;随着干湿循环次数的增加,膨胀土损伤变量逐渐增加,其细观结构损伤演化是一种非线性累积过程;膨胀土平均纵波波速与基于CT数的损伤变量具有良好的指数衰减关系。     

干湿循环作用下植被混凝土结构演化

选取植被混凝土生态基材为研究对象,制备6种初始含水率分别为13%、19%、25%、31%、37%、43%的试样。通过烘干法和叠式饱和法分别模拟脱湿和增湿过程,采用土壤收缩仪测量试样宏观胀缩量,Matlab软件提取试样表面裂隙几何特征,探究干湿循环作用下植被混凝土结构演化规律。结果表明:试样在常温下的干缩过程可分为急剧收缩阶段、平缓收缩阶段和稳定阶段3个阶段;干湿循环过程中,试样收缩量与膨胀量近乎等量;裂隙发育过程主要体现在裂隙宽度、总长度及总面积随循环次数增加而增大;初始含水率过低或过高,均易使植被混凝土发生湿胀干缩破坏;初始含水率31%试样的裂隙平均宽度、裂隙总面积、裂隙长度和表面收缩率均最小,31%为生产实践的最佳含水率。     

干湿循环下膨胀土裂隙发育与导电特性

干湿循环引起膨胀土裂隙开展,进而对土体的土水特性产生重要影响。首先进行了不同干密度、含水率状态下均质无裂隙试样的导电性能试验,认为试样电导率与干密度、含水率呈线性关系,可采用多元线性函数进行拟合。用远距离光学显微镜观测了膨胀土裂隙发生发展过程,利用图像灰度熵评价裂隙形态,试验过程中同时测定了试样的含水率和电导率,获得了干湿循环下土体灰度熵-含水率-电导率的关系。结果表明:随着含水率的降低,灰度熵逐渐增大,电导率逐渐减小;含水率对电导率的贡献逐渐降低,裂隙对电导率的贡献逐渐增大。当失水到一定程度时,裂隙对电导率的贡献几乎不变,此时表明裂隙已开展稳定;浸水过程中,裂隙部分闭合,灰度熵减小,电导率增大。经历多次干湿循环的试样,灰度熵和电导率均有所降低,表明土体结构产生了不可逆的改变。     

Seismic stability analysis of concrete gravity dams with penetrated cracks

The seismic stability of a cracked dam was examined in this study. Geometric nonlinearity and large deformations, as well as the contact condition at the crack site, were taken into consideration. The location of penetrated cracks was first identified using the concrete plastic-damage model based on the nonlinear finite element method (FEM). Then, the hard contact algorithm was used to simulate the crack interaction in the normal direction, and the Coloumb friction model was used to simulate the crack interaction in the tangential direction. After verification of numerical models through a case study, the seismic stability of the Koyna Dam with two types of penetrated cracks is discussed in detail with different seismic peak accelerations, and the collapse processes of the cracked dam are also presented. The results show that the stability of the dam with two types of penetrated cracks can be ensured in an earthquake with a magnitude of the original Koyna earthquake, and the cracked dam has a large earthquake-resistant margin. The failure processes of the cracked dam in strong earthquakes can be divided into two stages: the sliding stage and the overturning stage. The sliding stage ends near the peak acceleration, and the top block slides a long distance along the crack before the collapse occurs. The maximum sliding displacement of the top block will decrease with an increasing friction coefficient at the crack site.     

不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验

为了研究不同冻融方式对混凝土双K断裂韧度带来的不同影响,设计了5组共计15个试件,分别经历干燥、水浸泡、水冻融、盐浸泡、盐冻融作用20 d后进行三点弯曲梁试验。测定了试件断裂过程中的荷载、张口位移、裂缝尖端应变等参数的特征值和全过程曲线,基于双K断裂理论分别计算了各组环境下混凝土的有效裂缝长度、起裂荷载、失稳荷载等断裂参数。结果表明:不同冻融方式对混凝土造成的影响具有一定的相似性,水冻融与盐冻融均会对混凝土的弹性模量造成损失,使其断裂力学性能下降,但会提高混凝土韧性。在损伤程度和损伤后混凝土受力表现上不同冻融方式有显著区别。水冻融后混凝土受荷时更易开裂,但水冻融环境对混凝土抵抗裂缝发展能力的影响不明显。盐冻融后混凝土抵抗裂缝发生以及发展的能力同时降低,但混凝土受力时裂缝的发生会相对推迟。     

结构型钢纤维对混凝土单裂缝渗透特性的影响

为研究纤维对裂隙混凝土渗透性能的影响,借鉴圆盘劈裂试验引入可控裂缝,并采用Supereyes数码显微镜和Image Pro Plus(IPP)图像分析软件对裂缝形态进行了分析。对于带裂缝试件,分别利用变水压和恒定水压渗透试验研究了其抗渗性能;参照达西定律及平板渗流模型,提出了在考虑纤维影响后单裂隙混凝土渗透性能的分析方法。研究表明:在圆盘劈裂试验中素混凝土试件发生脆性破坏、无法控制裂缝的发展速率,而掺入结构型钢纤维后,试件不仅表现出良好的韧性和变形能力,而且可实现裂缝扩展速率的有效控制;结构型钢纤维可提高裂缝曲折度,降低裂缝修正系数和渗透介质通过混凝土的能力。与传统变水压渗透系数相比,恒水压渗透试验得出的修正单裂隙渗透系数可较敏感地反映内部裂缝对混凝土渗透性的影响,定量分析裂缝与混凝土渗透性之间的关系。     

干湿循环条件下不同初始干密度土体的力学特性

利用应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪,测试了大连地区典型粉质黏土试样干湿循环前后的力学特性。通过对干湿循环前后试样固结不排水剪切试验的应力-应变关系、孔隙水压力和有效应力路径等试验结果的对比分析，探讨了干湿循环对不同初始干密度土体力学特性的影响，结果表明：土体对干湿循环的响应与土体的初始干密度有关。干湿循环使得初始干密度为1.61g/cm3的试样的应力-应变关系曲线由应变硬化转变为应变软化，孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长，循环前后有效应力路径的发展趋势发生了明显变化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3试样干湿循环前后的应力-应变关系曲线形式未发生明显改变，干湿循环致使孔隙水压力的峰值所有增加，剪切初始阶段的有效应力路径位于未循环试样的左侧。干湿循环前后土体的电镜扫描（SEM）试验发现，干湿循环导致土骨架的结构性转变。干湿循环过程中试样内部结构调整和基质吸力的压密作用使得土体的力学特性发生了不可逆转的变化。     

干湿循环作用对昔格达土体抗剪特性的影响

昔格达土体涉水填方土压力计算时需查明抗剪参数(如黏聚力与内摩擦角)受干湿循环作用的影响。通过真空饱和增湿及自然风干脱湿模拟干湿循环过程,基于固结慢剪试验得到湿化及干湿循环作用下昔格达土体剪应力-位移曲线,分析峰值剪应力、黏聚力及内摩擦角随干湿循环次数变化规律;采用平行粘结接触模型探讨了宏观与微观参数的联系,揭示了干湿循环作用对微观颗粒间粘结及摩擦特性影响的差异性。试验结果表明:湿化作用降低昔格达土体黏聚力及内摩擦角;随干湿循环次数增加,昔格达土体应力-位移曲线从应变硬化过渡至应变软化,峰值强度、黏聚力及内摩擦角均减小并趋于稳定;黏聚力以前3次循环降幅(55.42%)较大,内摩擦角以第2-第4次循环降幅(11.04%)较大,干湿循环对黏聚力影响显著大于对内摩擦角的影响,对内摩擦角的劣化效应存在滞后性。建议工程中可从微观颗粒间粘结作用的角度削弱干湿循环对昔格达土体力学特性的影响。研究结果可为昔格达土涉水工程安全提供参考。     

膨胀岩裂隙发育的现场观测及描述方法研究

 基于图像灰度化及二值化的数值处理技术,提出了膨胀岩裂隙度的概念及定量描述方法。在南水北调中线新乡潞王坟试验段进行了膨胀岩裂隙观测试验,定量分析了膨胀岩边坡在干湿循环中的裂隙的变化规律及其与含水率的相关关系。分析表明,膨胀岩裂隙的发育与天气变化密切相关,随着干湿循环的发展,裂隙的宽度和裂隙度逐渐增加,利用 Matlab 数字图像处理方法得到的裂隙率可以较好地描述裂隙的发育和发展情况     

截面高度对钢筋混凝土梁裂缝分布影响的试验研究

为建立混凝土结构裂缝验算的统一公式，通过试验研究了截面高度对钢筋混凝土简支梁裂缝分布形态、裂缝间距和裂缝宽度的影响规律。根据裂缝的产生机理、延伸发展特征和宽度变化规律提出了分型统计的原则，进行各类型裂缝数量、平均裂缝间距、平均裂缝宽度及最大裂缝宽度分布规律的分型统计分析。明确了结构设计中裂缝宽度验算对应的裂缝形态特征的物理意义，即该裂缝为在后续各级荷载作用下，因开裂截面钢筋拉应力和混凝土受拉区高度的持续增大而得以持续延伸到中和轴附近的主裂缝。提出了以纵向受拉钢筋直径为变量的有效受拉截面高度的计算方法，提出了考虑截面高度与有效配筋指数耦合影响的平均裂缝间距计算模式。