基于离散元方法的根土复合体冻融损伤数值模拟研究

本文基于离散元对冻融循环作用下根土复合体的力学特性进行研究。利用PFC软件，提出一种新的冻融损伤模拟方法，对黄土进行不同冻融循环次数下的模拟。利用此方法，黄土在不同循环次数下无侧限抗压强度的模拟结果和试验结果较为吻合，证明了此方法的可行性。之后建立根系模型，模拟根土复合体的UU三轴试验，并对根土复合体的数值模型进行参数标定。进一步探究根系角度对根土复合体强度的影响效应，并对不同冻融循环次数下根土复合体的强度特性进行数值模拟研究。研究结果表明:（1）所提出的冻融损伤模拟方法可以较好地模拟黄土在冻融循环作用下的劣化效应（2）根系的存在会提高土体的强度特性。在相同的冻融循环次数下，根土复合体的强度均高于素土，并且根土复合体的强度会随着冻融循环次数的增加先下降后趋于平缓。（3）根系倾角为90度时，对土体的强度提高效应最大，并且在冻融循环作用下，强度下降较低。根系倾角为0度，对土体的强度提高最小。研究结果为从细观角度探究根土复合体的冻融损伤机理提供新途径，并且可为寒区生态边坡工程建设提供指导意义。     

基于冻融循环试验的季冻区生态边坡稳定性影响研究

为研究季冻区生态边坡的稳定性，通过室内试验研究了冻融循环次数与含水率共同作用下素土及根-土复合体抗剪强度指标的变化规律。结果表明：在冻融循环作用下，初期素土及根-土复合体的黏聚力均有降低，而摩擦角均有增加，之后黏聚力及内摩擦角趋于稳定；随着含水率的提高，边坡的稳定性降低；随着冻融循环次数的增加，根系增强了滑裂面土体的抗剪强度，提高了根-土复合体边坡抵抗冻融循环作用的能力，增强了边坡的稳定性。研究结果可为季冻区生态固土护坡提供一定的理论依据。     

冻融循环条件下黄土状盐渍土在不同应力路径下的力学特性研究

为了研究冻融循环次数、应力路径对黄土状盐渍土的力学特性与微观结构的影响，本文利用SLB-1型应力-应变控制式三轴仪对青海海东季节性冻土地区黄土状盐渍土进行固结不排水条件下的常规三轴、等压三轴、减压三轴应力路径试验，并对试验前后的土样进行电镜扫描。结果表明：应力路径与冻融循环作用对黄土状盐渍土的力学特性产生了明显影响，3种应力路径的抗剪强度峰值均随着冻融循环次数的增加而降低，应力路径与冻融循环作用对黄土状盐渍土抗剪强度指标中的黏聚力(c)的影响较大，对内摩擦角(φ)的影响不太明显。从微观层面分析，卸荷应力路径下，颗粒破碎程度较高，土体结构疏松，粒间孔隙较大，胶结能力较弱。综上，冻融循环作用与卸荷应力路径对土体内部结构产生了不可恢复的破坏。     

煤渣改良路基填料冻融力学行为的机理分析

为研究冻融循环作用对煤渣改良路基填料的力学性能影响,揭示其作用机理,对红黏土试样开展了冻融循环试验和固结不排水三轴压缩试验,并对试验后的试样进行电子显微镜扫描以及微观结构定量分析。研究表明:掺入煤渣能够有效改良路基填料力学性能,改良效果与煤渣掺量呈正相关,应力应变曲线表现出硬化性;随着冻融次数的增加,改良路基填料应力-应变曲线仍为应变硬化型,但其破坏应力显著地衰减,土体颗粒间的黏结作用减弱,成型的块体减少,裂隙发育快,孔隙增大增多,接触形式由面-面接触逐渐过渡为边-面接触,最后发展为边-边或点-面接触,此外不论是总的孔隙面积、周长,还是最大的孔隙面积、周长、平面孔隙度都增大。     

冻融循环对绿砂岩动态抗压性能影响的试验研究

冻融循环对岩石材料的性能有着至关重要的影响.为研究冻融循环对绿砂岩物理及动态抗压强度特性的影响，对冻融0、25、50、75、100次的绿砂岩开展了应变率范围为55.98～151.84 s^-1的动态压缩试验.研究发现，随冻融循环次数增加，质量、纵波波速减小，孔隙率以及饱和吸水率增大. 50次冻融循环后绿砂岩内部损伤严重，饱和吸水率增速逐渐降低，穿晶裂纹及裂纹簇增多.冻融次数对动态抗压强度起劣化作用，应变率对动态抗压强度起强化作用，两者影响机制相反，而冻融次数和应变率增加均会提高砂岩的破碎程度.综合纵波波速和孔隙率建立冻融损伤因子，给出了考虑冻融损伤、应变率的动态抗压强度经验方程.基于纵波波速、孔隙率分别建立的强度衰减模型均能够很好地反映动态抗压强度的劣化规律；动态抗压强度均随纵波波速变化量、孔隙率变化量增加而减小.     

冻融循环条件下粗粒料变形特性试验研究

为揭示粗粒料在冻融环境与复杂应力条件下的变形特性，采用大型三轴压缩试验与蠕变试验研究了粗粒料在不同冻融循环次数、围压与应力水平下的变形特性与蠕变特性。试验结果表明，未冻融粗粒料的应力-应变曲线为应变硬化型曲线，在试验围压100～600 kPa范围内粗粒料剪切过程中均表现为剪胀性；冻融循环后初始弹性模量与破坏应力均呈下降趋势，200 kPa围压时，初始弹性模量降低20%,破坏应力降低37%,600 kPa围压时，初始弹性模量降低5%,破坏应力降低25%;冻融循环后粗粒料轴向蠕变应变随时间的发展为衰减型蠕变规律，轴向蠕变应变随冻融循环次数和应力水平的增大而逐渐增大，8次冻融循环后轴向蠕变应变明显增大；应力水平影响下的粗粒料蠕变时间曲线可采用指数函数形式表达。     

冻融循环-动水冲刷对间断级配沥青混合料特性参数影响

沥青路面在水、温和荷载长期作用下服役寿命明显降低.为探寻沥青混合料路用性能衰减规律,本文自主研发了沥青混合料动水冲刷模拟试验装置,对沥青混合料马歇尔试件开展多次冻融循环-动水冲刷循环作用,分析了沥青混合料特性参数变化规律,结合CT切片扫描,探寻了沥青混合料内部结构变化规律.结果表明:在冻融循环-动水冲刷循环前期,各特性参数都呈现出较快的增长或衰减;在外加动力水压作用下,沥青混合料内部吸水量会逐渐增加至饱水状态,沥青混合料试件内部的微开口孔隙会发生结构与形态的变化;经12次冻融循环-动水冲刷循环,沥青混合料的劈裂强度降幅高达65.44%.研究结果为深入了解沥青路面水损害机理提供了理论基础.     

弱胶结砂岩水岩作用机制——以庆阳北石窟为例

选取庆阳北石窟赋存砂岩为研究对象，于室内分别设置冻融循环、干湿循环两组单因素风化模拟试验，经历30个周期，共计120d.结合岩样在宏观、局部、微观等不同维度下的劣化特征及表层矿物成分与元素的迁移规律对水岩作用机制全程跟踪评估.试验结果表明:在模拟试验前期，水-岩之间化学作用强烈，两组试验化学蚀变系数均发生陡增;随着试验继续，水-岩之间物理作用逐渐变强，冻融循环转为水体积膨胀对颗粒施加的拉、压应力作用，且率先在含水率最高处诱发裂隙.而干湿循环变为水对颗粒结构的机械冲刷，该过程则受水分运移及孔隙分布方式的共同支配;对于弱胶结砂岩，水-岩频繁作用导致的颗粒耦合关系改变是岩石劣化的关键.     

PVA-纳米SiO2混凝土经冻融循环后的动态抗压特性

为研究PVA纤维和纳米SiO₂对混凝土抗冻性的影响，对经历过冻融循环的PVA纤维混凝土、纳米SiO₂混凝土和PVA-纳米SiO₂混凝土施加动态压缩试验，测得抗压强度和峰值应变，以及质量损失率和相对动弹性模量，以此评价三种混凝土的抗冻性能，并以试验测得抗压强度劣化值构建了纤维混凝土冻融损伤的演化模型。研究结果表明：PVA纤维的掺入降低了混凝土冻融损伤的质量损失率，并使混凝土的延性有所提高，纳米SiO₂的掺入则明显提高了混凝土的抗压强度。掺加PVA纤维或掺加纳米SiO₂均可提高素混凝土的抗冻性，且PVA-纳米SiO₂混凝土的抗冻性优于PVA纤维混凝土，而PVA纤维混凝土的抗冻性优于纳米SiO₂混凝土。本文建立的纤维混凝土冻融损伤模型可较好地反映冻融损伤后混凝土抗压强度的劣化情况。     

冻融循环作用下纤维增强水泥改性黄土特性

为了探究聚丙烯纤维和水泥共同改良黄土性能,通过无侧限抗压试验以及冻融循环试验,分析水泥掺量,聚丙烯纤维掺量与长度以及冻融循环次数对改性黄土无侧限抗压强度的影响.研究结果表明:改性黄土的无侧限抗压强度随着水泥掺量增多而提高,加入纤维则进一步提高其抗压强度.纤维的掺量和长度的增大会使改性黄土的无侧限抗压强度先提高后降低,聚丙烯纤维的最佳掺量为0.4%,最优长度为9 mm.水泥改性黄土经历15次冻融循环后,纤维增强水泥改性黄土经历10次冻融循环后强度损伤趋于平缓,变化幅度在3%左右.采用Lasso回归模型计算水泥-聚丙烯纤维改性黄土无侧限抗压强度回归预测模型,预测模型与试验结果吻合较好.