冻融循环下青藏粉砂土双屈服面本构模型研究

 基于青藏粉砂土在冻融循环下的常规三轴固结剪切试验,通过引入模量残余比和冻融循环次数,建立考虑冻融循环影响的双屈服面本构模型。试验结果表明,粉砂土的应力–应变关系呈应变硬化型,而在整个剪切过程中,体变呈现剪缩的特性。粉砂土的剪切模量随着围压的增大而增大,随着冻融循环的发展而出现先减小后增大的趋势。与未冻融粉砂相比,冻融以后的弹性剪切模量可降低约36%左右。其应力平面p-q上的剪切屈服面和体积屈服面可分别用过原点的线性函数和椭圆型曲线进行描述。对于剪切和体积硬化特性,建立与塑性应变及冻融循环次数相关的硬化参数,且均采用非相关联的流动法则。所提出的双屈服面本构模型能够很好地反映土体的应力–应变特性,模型计算值与试验值较为吻合,该模型能较为准确地预测不同围压及不同冻融循环次数下的应力–应变关系曲线,较好地反映冻融循环对粉砂力学性质的影响。     

季冻区粉砂土冻融循环后的强度研究

粉砂土的毛细作用较发达,在季冻区冻胀现象较为显著。为进一步了解粉砂土在冻融循环后的强度变化规律,在不同试验路段选取具有代表性的土样,在最佳含水率、不同干密度的条件下进行了不同冻融循环次数的室内CBR试验,试验结果表明,各标路基土在经过冻融循环作用后CBR强度均有所降低,在第1个冻融循环的作用后CBR的衰减程度较大,经过第2、第3个冻融循环后CBR强度虽然有所衰减但衰减程度相对较小。文中的研究可为今后季冻区粉砂土路基及类似土质路基的施工和设计提供理论支撑。     

盐岩屈服–破坏特征的试验及理论研究

围岩塑性区及破坏区的范围是盐岩地下储气库群腔体间距设计的重要因素,盐岩屈服及破坏特性的精确描述对于减少腔体间距,以及在有限的盐岩建库区建设更多的储气库具有重要的意义。基于盐岩的单轴、三轴应力–应变试验曲线,分析盐岩的屈服–破坏特征,将腔体围岩分为弹性区、塑性区及破坏区。试验结果表明：盐岩的屈服表现出强烈的线性特征,能够用Tresca屈服准则来描述盐岩的屈服特性,以塑性应变第二不变量为硬化参数研究盐岩的硬化特征,发现盐岩为等向硬化材料。在屈服方面,盐岩表现出金属材料的特征;在破坏方面,盐岩表现出岩土材料的特性。试验观察到剪切破坏以及轴向劈裂破坏,并基于厚壁圆筒理论解释单、三轴压缩试验中出现的轴向劈裂破坏现象。同时发现盐岩的破坏特征具有强烈的围压相关性,当围压≥5 MPa时,盐岩即使达到很大的变形(20%)依然能够承载而不发生破坏。基于莫尔–库仑准则,引入一条与围压相关的坏准则,最终建立包括拉破坏、剪破坏以及不破坏的盐岩破坏准则,基于破坏准则将应力空间划分为3个区：拉破坏区、剪破坏区以及不破坏区。在FLAC中修改本构以及自定义状态参量,通过简单模型得到围岩的弹性区、塑性区以及破坏区,验证屈服准则、破坏准则以及围岩分区的正确性。     

冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究

 为研究冻融循环作用对青藏粉砂土力学性质的影响,对不同冻融循环次数、冻结温度、围压下的粉砂进行常规静三轴剪切试验,研究冻融循环后土体的应力–应变关系曲线、静强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律。试验结果表明：粉砂土的力学性质受冻融循环次数的影响较大,且在经历7～9次冻融循环后达到最小值。冻结温度对粉砂力学性质的影响较弱,且无一定规律。基于显著性分析理论,研究冻融循环次数、冻结温度、围压以及各因素间的交互作用对粉砂力学性质影响的显著性大小。分析结果表明：围压和冻融循环次数对力学性质影响的显著性较强,而冻结温度的影响较弱。同时,围压与冻融循环次数、冻结温度与冻融循环次数之间的交互作用对于粉砂的力学性质的影响均比较显著。     

冻融循环下压实度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 冻融循环是冻土地区路基填料性能劣化的主要因素之一。以压实度和冻融循环次数为主要变量,对青藏高原粉质黏土力学性质的变化规律进行三轴试验研究。试验结果表明：初始压实度对粉质黏土力学性质的冻融效应具有显著影响。不同压实度试样的应力–应变曲线形式随冻融次数的增加趋于接近,并由应变软化型向硬化型过渡。封闭系统中试样的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,低压实度有利于增大水分迁移量和含水率增高区的分布范围。冻融过程对高压实试样的破坏强度以降低为主,对低压实度试样则相反。在最优含水率附近,土体抗剪强度随含水率呈非线性变化规律,因此试样内部水分重分布也可能会导致强度的改变,且其作用效果受压实度影响具有不确定性,压实度较高时会导致试样黏聚力减小,压实度较低时则相反;不同压实度下内摩擦角均呈现增大的趋势,且压实度越低,变化幅度越大。冻融过程中,土体干密度和含水率变化对力学性质的影响是同时存在的,由于初始压实度和冻融次数的不同,对强度变化起主导作用的因素也不同。水分重分布是不同压实度土体力学性质冻融循环效应的整体趋势和具体过程呈现多样化的原因之一。     

水泥固化剂稳定粉砂土的强度特性试验研究

通过一系列室内试验,系统的研究了不同配合比的水泥固化剂稳定粉砂土的多项力学特性的变化规律及相关关系。试验结果表明:随着龄期的增加,水泥固化剂稳定粉砂土的无侧限抗压强度和劈裂强度均显著增长,通过调整水泥固化剂稳定粉砂土的配合比设计,其强度与刚度性能能够满足干线公路和市政道路路床及底基层的设计要求,且水泥固化剂稳定粉砂土的无侧限抗压强度与劈裂强度之间的线性相关关系良好。     

冻融循环下钢渣砂土混合料的小应变动力特性参数研究

利用GDS-RCA共振柱系统进行钢渣砂土混合料的小应变动力特性研究,分析了不同围压、配合比以及冻融循环次数的情况下动剪切模量和阻尼比的变化规律。通过试验得到了3种配合比、4种冻融循环次数在3种围压下的动剪切模量和阻尼比的曲线,采用Hardin-Drnevich双曲线进行拟合分析并对最大动剪切模量的经验模型进行预测。结果表明：钢渣砂土混合料的动剪切模量均随围压的提高而增大,随应变的增大而减小,随冻融循环次数的增加而降低;阻尼比随围压的提高而减小,随应变的增大而增大,随冻融循环次数的增加而增大;在3种配合比中,当钢渣掺量为40%时最大动剪切模量最大,不同钢渣掺量对阻尼比的影响较小。验证了钢渣砂土混合料在冻土地区地基处理中应用的可行性。     

基于二阶损伤张量的节理岩体各向异性屈服准则

 为了在节理岩体的本构关系中反映岩体几何特征的影响，采用一个二阶损伤张量，将岩体各方向截面的连通率表示为其截面法向的连续函数。根据连通率将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体的各向异性抗剪材料参数，从岩体的面抗剪强度准则(莫尔–库仑条件)出发，建立了各向异性节理岩体的抗 剪屈服准则隐式表达式。在主应力轴空间内，将损伤张量分解为各向同性部分和偏量部分，以损伤张量为各向同性时的临界屈服面单位法向量和显式屈服准则的解为基础，导出了一般情况下具有一阶精度的临界屈服面单位法向量的解，相应的显式各向异性屈服准则表达式为主应力的二次式，其系数是损伤张量的函数。研究了二阶损伤张量的6个独立参量：3个主值及其主轴与主应力轴的Euler角对岩体屈服各向异性的影响。针对6个参量取值的几种代表性情况，分别采用隐式屈服准则和具有一阶精度的显式屈服准则计算出屈服应力，绘出了偏平面和子午面内岩体屈服曲线的形状。研究表明，提出的节理岩体各向异性显式屈服准则具有很高的精度。     

饱和粉砂土液化和应变特性试验研究

对取自齐泰高速公路路基的粉砂土,在实验室内按照不同的干密度进行了重塑,完成了三组不同干密度的振动三轴液化试验。分析了饱和粉砂土的抗液化强度和液化过程以及应变发展规律,根据动三轴试验结果,通过曲线拟合方法建议了粉砂土振动液化过程中的永久应变势模型,给出了不同干密度下土样的回归曲线。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

单盐侵蚀与冻融循环作用下混凝土耐久性能试验研究

吉林省大安市是东北典型的季冻土分布区,也是土壤盐渍化最严重的地区之一,其境内的土壤中易溶盐组分以HCO3-(CO2-3)、Na+含量较多,Cl-、SO2-4次之,还有少量的Mg2+、Ca2+、K+等。为了探究不同类型的易溶盐在冻融循环作用下对混凝土耐久性能的影响,在复合盐侵蚀与冻融循环双重因素作用下混凝土耐久性试验研究的基础上,进行混凝土的单盐-冻融循环对比试验,总结出在冻融交替作用下,硫酸盐、氯盐与碳酸氢盐对混凝土材料腐蚀破坏的特点、规律,并进一步对混凝土的盐冻破坏机理进行分析。     

冻融循环条件下岩石-喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究

选取2008年极端冰雪受灾地区灰色砂岩,制作岩石与C20喷射混凝土组合试样,通过冻融循环试验、单轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石-喷射混凝土组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。试验结果揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。在此基础上,建立冻融前后组合试样的损伤软化统计本构模型。经与三轴压缩试验曲线对比,该本构模型能较真实地反映破坏的全过程,可靠性较高。     

加筋红砂岩风化土强度和变形特性

红砂岩风化土是湖南公路路堤工程中应用较多的填筑材料,采用直剪试验研究了不同压实度的红砂岩风化土的强度和变形特性,以及加筋对其工程性质的影响。试验表明,随压实度增大,红砂岩风化土的峰值抗剪强度明显提高,但主要由粘聚力的增大引起,随剪切位移增大,粘聚力减小,抗剪强度大幅度降低,其应力–应变曲线呈现随应变软化型。加筋提高了红砂岩风化土的峰值抗剪强度和残余强度,更重要的是明显减小了峰值后强度的降低幅度,且达到峰值抗剪强度的剪切位移增大,峰值区域增宽,土体延性提高,改善了红砂岩风化土的强度和变形特性;对于不同的加筋层数和不同的筋材模量,以及在不同的压实度和试验竖向压力下,加筋对红砂岩风化土的强度和变形特性的改变不同;根据试验结果,还对红砂岩风化土的工程性质以及加筋的抗剪作用机理进行了初步探讨,阐述了加筋材料在土的应力–应变关系中的主要功能和作用。     

冻融循环条件下岩体–喷层结构模型试验研究

 针对南方地区极端冰雪灾害下的边坡岩体和支护体的变形破坏现象,提出在冻融循环条件下岩体–喷层结构一体的室内模型试验方法。选取砂岩–混凝土一体化试样,置于自行研制的高低温环境试验箱中进行冻融循环条件下的模型试验。利用静态应变测试系统和光纤光栅测试技术同步采集应变数据,分析冻融循环过程中砂岩、混凝土、砂岩–混凝土胶结面的变形及原因。岩石表面应变花数据表明,当温度降至0 ℃以下时主应变增大,升温后主应变减小;混凝土表面应变花数据表明,该点处主应变随温度升高而增大,随温度降低而变小。2种测试手段均测得胶结面处应变同时受岩石和混凝土的影响,是两者共同作用的结果。据此拟合出胶结面处最大应变与冻融次数的关系表达式,归纳出岩体–喷层结构一体化在冻融循环作用条件下的冻胀损伤机制。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

冻融循环后路基粉质黏土动力特性研究

冻融循环作用对路基土的动力特性有着较大的影响。本文以张家口地区路基粉质黏土为例,通过进行冻融循环作用下的室内动三轴试验,得到了路基土动强度、动内摩擦角、动粘聚力等参数随冻融循环次数的变化规律,探究了冻融循环作用对路基土动力特性的影响。试验结果表明,在冻融循环条件下,土体的动强度、动粘聚力呈现明显下降趋势,经历7次冻融循环后,其值趋于稳定;动内摩擦角在某一范围内波动,虽具有一定的下降趋势,但规律性并不明显。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

砂土液化动稳态强度分析

根据动三轴实验数据，砂土的应力路径最终达到一个稳定的阶段，此时，在不同的振动周期，砂土的孔隙水压幅值不再增加，应力路径相互重叠，但是应变幅值却以恒定的速率不断增加，这种相对稳定状态中的极限强度是评估砂土抗液化能力的重要指标，并结合饱和砂土的孔隙水压力发展和应力路径，使砂土液化强度更加明了。     

冻融循环对混凝土力学性能的影响

本文验测了冻融循环对混凝土力学性能(抗压、抗拉及抗剪强度、弹性模量、泊松系数和剪切模量)的影响,并用显微镜检验了混凝土承受不同冻融循环后的微观结构,研究了高强混凝土和普通混凝土力学性能的损伤和微观性能之间的关系.试件经受了幅度为 10℃至-30℃( 50°F至-22°F)的温度变化冻融循环0、30、60及90次.冻融循环损伤了混凝土的力学性能,冻融循环愈多,则水泥浆的裂缝愈多,沿骨料和水泥浆接触面的裂缝亦愈多,导致混凝土较大损坏.普通混凝土的水泥浆裂缝以及骨料和水泥浆接触面的裂缝均较高强混凝土的多而宽,因此普通混凝土力学性能的损伤较高强混凝土为严重.