氯离子在混凝土中双时变扩散分析研究

氯离子侵蚀是除冰盐环境下混凝土结构耐久性劣化的主要原因。目前多采用Fick第二定律及一维稳态扩散模型对混凝土中的氯离子浓度进行预测与耐久性评价,但分析结果与实际氯离子侵蚀情况存在偏差。为更准确地描述氯离子扩散的时变规律,基于氯离子瞬态扩散理论和非稳态扩散方程,推导出前期时变与后期恒定的氯离子扩散系数模型的修正表观扩散系数公式以及表面氯离子浓度为指数及幂函数模型下的修正解析表达式,并与时变扩散有限元方法结合应用到实桥分析中,解析解与数值分析结果吻合较好,验证修正表观扩散系数与解析公式的正确性以及氯离子时变扩散有限元分析方法的适用性。     

混凝土中氯离子扩散方程的解析解

目前多采用Fick第二定律及其数学模型的解析解对混凝土中的氯离子浓度进行分析,现解析解也仅限于一维和二维扩散条件,难以准确预测混凝土中不同时间、不同位置的氯离子集聚和扩散情况.基于Fick第二定律建立的氯离子扩散方程,假定混凝土试件为规则的长方体,把边界条件分为封闭面和暴露面两种,应用分离变量法推导了不同边界条件下,混凝土试块中氯离子三维扩散方程的解析解.并给出了扩散系数为常数、时变函数、以及氯离子扩散方程降为二维、一维时的解析解,最后通过算例进一步证明了本文解析解的正确性.     

氯离子在混凝土桩中扩散的解析解

基于菲克第二定律和桩的边界条件,采用分离变量法,得到氯离子扩散方程的解析解。该解析解与基于半无限体边界条件的传统的解析解不同。引用所得计算结果对混凝土桩中的氯离子扩散浓度进行分析,探讨了桩径、扩散系数以及钢筋保护层厚度对氯离子浓度的影响。     

海洋环境中氯离子在管桩中的输运行为

混凝土开口管桩在结构中使用广泛,外壁暴露于氯盐环境中,而内壁则为封闭面。根据菲克第二定律和开口管桩的边界条件,运用Duhamel原理求解了环境氯离子浓度随时间变化之下管桩中的氯离子输运方程,计算结果显示,距离暴露面一定深度区,存在一个局部的氯离子含量峰值。引用所得计算结果对目前应用比较普遍的静压PHC管桩中氯离子扩散浓度进行分析,探讨潮汐频率对氯离子浓度的影响。该结果为混凝土管桩中钢筋的锈蚀提供了计算依据,对管桩的耐久性设计有一定的参考价值。     

海洋环境下带裂缝PHC管桩中钢筋锈蚀初始时间预测

依据Fick第二定律,建立氯离子在带裂缝PHC管桩中的扩散方程,结合初始和边界条件,采用分离变量法和Bessel函数得到带裂缝PHC管桩中氯离子扩散方程的解析解,并推导氯离子在带裂缝PHC管桩中的扩散系数,最后分析裂缝宽度和数目对氯离子在带裂缝PHC管桩中的扩散系数、分布规律及钢筋锈蚀初始时间的影响。结果表明:当裂缝数目较少时,随着裂缝宽度的增大,D/D0的增加幅度较小,相同深度位置处的氯离子浓度随裂缝宽度的增大而无明显增加,钢筋锈蚀初始时间的减幅较小;随着裂缝数目的增多,D/D0的增长趋势加快,相同深度位置处的氯离子浓度随裂缝宽度的增大而增长较快,钢筋锈蚀初始时间随裂缝宽度的增大而减幅加大。     

薄壁管桩在均质土中的纵向振动研究

在弹性地基中,基于三维连续介质土模型,对均质土中薄壁管桩的纵向耦合振动特性进行了研究。通过建立管桩纵向振动方程,采用Laplace变化法,根据边界条件和初始条件,求解得出均质土中桩顶频域解析解和时域半解析解。然后进行了管桩壁厚、管桩的纵波波速、外半径等参数的改变对桩顶动力响应的影响分析,并用数值软件Matlab进行曲线拟合,得出各参数变化对管桩纵向振动影响规律。     

基于有限域的混凝土中氯离子扩散的解析解

在给定时间内,氯离子在混凝土中的扩散深度是有限的,因而当前基于半无限扩散域的Fick第二定律的解析解存在缺陷.利用等比级数研究建立了氯离子扩散和浓度分布的解析解,建立了氯离子扩散深度的解析表达式,同时也证明了氯离子扩散场计算长度的合理性.算例分析表明,提出的基于有限域的混凝土中氯离子扩散的解析解具有较高的精度,且计算简...     

环境温度对混凝土管桩氯离子扩散性能的影响

基于Fick第二扩散定律,建立混凝土管桩中考虑环境温度和氯离子结合能力的氯离子扩散模型。针对环境温度对混凝土管桩中氯离子扩散性能的影响开展试验研究,将不同水灰比(0.30、0.45和0.55)混凝土管桩置于不同温度(21、30、50℃)的5%氯化钠盐雾中,开展为期32d的浸泡试验。依据试验结果和氯离子扩散模型,得到不同温度条件下、不同水灰比混凝土管桩中的自由氯离子浓度分布、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数、活化能和氯离子结合能力值。试验结果表明:随着环境温度的升高,自由氯离子浓度、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数增大。随着环境温度从21℃升高到30℃,氯离子结合能力显著增加,但随着环境温度从30℃升高到50℃,氯离子结合能力却略有减小。由于表观氯离子扩散系数的对数与环境绝对温度的倒数呈线性变化规律,因此,可推断氯离子在混凝土管桩中的扩散符合Arrhenius理论。     

粘贴加固混凝土氯离子扩散的理论模型和数值模拟

基于物质非稳态扩散理论,采用现有研究对 Fick 第二定律的修正方法,并将粘贴加固考虑为对氯离子扩散方程边界条件的调整,提出可用于粘贴加固混凝土的氯离子扩散理论模型。利用ABAQUS、MATLAB PDE tool、MATLAB 自编程3种方法均可对粘贴加固混凝土梁的氯离子扩散过程进行数值模拟。对比未加固与加固构件的氯离子扩散规律,发现粘贴加固可降低钢筋表面的氯离子浓度值,延缓氯离子浓度到达临界锈蚀浓度的时间,增加材料使用寿命,并且加固时间越早,增加寿命越长。     

氯离子标准扩散计算模型用于寿命预测分析

氯离子标准扩散计算模型是氯离子环境下对混凝土结构进行寿命预测时应用最广泛的模型之一,但该模型存在一定的局限性.笔者对氯离子标准扩散计算模型的解析解进行了图解和分析,讨论了用标准扩散模型进行寿命预测存在的问题,提出使用该模型进行寿命预测应考虑和解决的问题.     

考虑剪切变形的PCC桩水平振动响应解析解

 为了探讨考虑剪切变形的PCC桩水平振动特性,首先,采用Timoshenko模型模拟PCC桩,建立其水平振动控制方程;其次,采用微分变换和分离变量法对三维土体控制方程进行解耦,推导出土体位移和水平阻抗解析表达式;然后,结合桩土连续性条件,推导出PCC桩动力复阻抗解析表达式。由此进行算例分析表明：Timoshenko模型与Euler-Bernoulli模型推导的桩顶水平动力复阻抗变化规律一致,验证了解的合理性;复阻抗实部均随桩长增加而减小,虚部均随桩长增加而增大,当桩长增加到临界桩长时,桩长对复阻抗实部和虚部基本没有影响;复阻抗随内径减小而增大,当内径减小至0.2 m及以下时,桩芯土对复阻抗影响不大;当横截面面积相同时,平均半径和壁厚对复阻抗均有显著影响。     

饱和黏性土地基中现浇大直径管桩水平振动响应解析解

基于经典的平面应变假定,将土体假设为若干个相互独立的薄层,对饱和土地基中现浇大直径管桩水平振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体动力固结方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解,给出了桩顶复阻抗解析表达式。将本文解完全退化到实心桩的解与已有理论解对比,验证了本文解的合理性并阐明两解的区别。通过参数分析,得到了桩长以及桩半径等参数对复阻抗特性影响的规律。     

考虑竖向波动效应的径向非均质黏性阻尼土中管桩纵向振动响应研究

基于黏性阻尼土体三维轴对称模型,考虑桩周土体竖向波动效应和施工扰动引起的径向非均质性,将桩简化为等截面弹性体,通过建立管桩-土体体系纵向耦合振动简化分析模型,采用Laplace变换和复刚度传递方法,递推得出桩周、桩芯土体与桩体界面处复刚度,进而利用桩-土完全耦合条件推导得出桩顶动力阻抗解析解答,且将所得桩顶动力阻抗解答与已有相关解答进行退化验证其合理性,在此基础上,通过进一步参数化分析探讨了管桩桩长、桩内径、桩周土施工扰动程度和施工扰动范围对管桩纵向振动特性的影响规律,可为具体工程实践提供理论指导和参考作用。     

密排支护桩挤土位移简化计算方法

预制密排基坑支护桩沉桩时,对基坑外的建（构）筑物和基坑内的桩基础产生了不利影响,有必要研究其挤土产生的位移。基于单桩挤土位移场的解析解,推导出密排桩挤土位移计算公式,计算不同桩数时沉桩地表位移、对比不同桩数时不同深度处沉桩位移、分析不同直径桩沉桩位移变化规律。得出：随着桩径的增大,挤土水平位移和竖向位移均逐渐增大;在径向距桩距离一定时,随着桩数的增多,沉桩产生的挤土水平和竖向位移均增大;密排支护桩两侧5～8倍桩径范围是挤土位移急剧变化区,在其两侧的挤土影响范围约为1.5～2倍桩长。     

考虑土体三维波动效应的现浇大直径管桩纵向振动

考虑土体三维波动效应和桩-土耦合振动,把桩看作一维杆,把土体看作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体振动方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证了解析解的合理性,并与未考虑三维效应的简化解对比。分析了桩底刚度系数、桩长以及桩径等对桩顶复阻抗的影响,得到了各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明：桩底刚度系数增大,共振频率增大,且复阻抗的振荡幅值增大。无桩芯土时复阻抗的振荡幅值比桩周桩芯土都存在时大,无桩周土时复阻抗的振荡幅值比无桩芯土时大。桩长增大,桩顶复阻抗的振荡幅值和共振频率均显著减小,当桩长增大到一定长度的时候,增加桩长对桩顶复阻抗基本没有影响。外径增大或内径减小,桩顶复阻抗的振荡幅值增大。     

后张法预应力混凝土大直径管桩耐久性与寿命预测研究

该文通过室内试验测试大管桩混凝土本体耐久性参数,并将其作为耐久性退化和寿命预测研究的初始边界条件。对国内几个地区服役多年的大管桩码头开展耐久性调研和现场取芯测试分析,获得在役大管桩混凝土氯离子浓度分布数据。基于对大量数据统计分析,获得在役大管桩混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数、氯离子渗透深度等耐久性状态参数,研究大管桩混凝土受氯离子侵蚀的规律。在上述研究基础上,以Fick第二定律数学模型为核心建立大管桩寿命预测模型,开发寿命预测软件。该研究为大管桩耐久性设计、使用和维护提供理论与试验依据。 关键词：     

土塞效应对管桩低应变测试视波速的影响研究

首先,基于附加质量模型建立了考虑环向波动效应的管桩纵向振动频域解析解,然后利用傅里叶逆变换得到半正弦脉冲激振力作用下时域响应半解析解,最后,基于建立的理论模型,研究了土塞效应对管桩视波速的影响,为管桩的低应变无损检测提供更加精确的管桩测试波速计算理论。本文解的理论反演曲线分别与现有理论解的反演曲线、模型试验和现场试验测试曲线进行了比较,验证了本文解的合理性和计算精度。分析表明:土塞效应对管桩视波速的衰减作用随着管桩壁厚和纵波波速的减小而增强;土塞的存在会导致桩端反射信号幅值到达时间随着桩顶接收角度的变化而变化;土塞效应会增大桩端反射信号的宽度。     

黏性土中开口与闭口模型管桩受力性状试验研究

为研究开口和闭口试桩在黏性土体静力沉桩过程中荷载传递规律及承载性能的差异性,采用桩身开槽预埋增敏微型光纤光栅传感器的方法,针对黏性地基土,开展两组不同桩端形式模型试桩承载性能对比试验,测得沉桩过程中压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力及桩身轴力发展变化规律。结果表明:光纤光栅传感器可实时监测沉桩过程中桩身受力状态;开口和闭口模型管桩的压桩力、桩端阻力等荷载均随着沉桩深度的增加呈增长趋势,而不同贯入深度下的桩身轴力却逐渐递减;黏性土中的静力压桩、开口管桩和闭口管桩的桩端阻力占比均超过50%;在桩侧摩阻力发挥上,双壁开口模型管桩外管是内管的3倍。当开口管桩贯入深度达到最大值90cm时,土塞高度稳定在33cm,此时,桩侧单位侧摩阻力的分布呈下大上小的形式。     

考虑桩底土层波动效应的饱和黏弹性半空间中摩擦桩竖向振动

为深化对饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩竖向振动特性的认识,基于Boer多孔介质动力控制方程组,考虑桩底土层波动效应,采用Hankel积分变换和微分算子分解理论求解相关方程得到桩底、桩侧反力,进而建立饱和土中桩基竖向振动偏微分方程,结合桩土接触面混合边值条件推导得出了饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩桩顶竖向动力阻抗解析表达式。并在此基础上进一步通过数值算例对比分析探讨了液固耦合系数、桩长径比、桩土模量比、地基土黏滞阻尼系数这些重要因素对所得桩顶动力阻抗的影响规律,得到了一些对工程实践有意义的结论。     

基于非局部Biot理论下饱和土中深埋圆柱形衬砌对平面弹性波的散射

基于Biot饱和多孔介质理论和非局部弹性理论,构建了非局部Biot运动方程及本构方程。利用波函数展开法及饱和土与衬砌边界连续条件和衬砌内边界自由边界条件,求解了饱和土体中圆柱形衬砌对平面波散射问题的解析解。并通过将该解退化为单相介质中及经典Biot理论下衬砌对平面P波散射稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,衬砌内边界及外边界动应力集中因子均随非局部因子的增大而减小;隧道内边界动应力集中因子分布曲线随非局部因子的减小而扩大;当入射波频率大于0.045 MHz时,饱和土中空隙尺寸及空隙动力的影响将不可忽略;非局部因子一定时,衬砌外径与内径比越大则衬砌内边界动应力集中因子越大,且当衬砌较薄时,衬砌内边界动应力集中因子可能产生负值。