常温、常压、常态的大气环境下黏性土微观孔隙的缓慢变异特征

作为建筑材料和地基的土体处于常温、常压、常态的大气环境下,大气氧化过程是缓慢的、不易察觉的,但对土质长期劣化效果不容忽视.本文以此命题为出发点,以大气氧化过程中微观孔隙变化特征为突破口,联合扫描电镜测试、压汞法及氮吸附法研究大气环境作用对湛江黏土的微观结构改造作用及其对土性影响机理.研究表明,大气氧化后土色由青灰色、绿灰色变为淡黄棕、黄棕色,颗粒团聚程度增强,塑性降低,膨胀性与收缩性减弱,灵敏性与结构屈服强度明显降低.大气环境作用对d0.1?m孔隙组产生"缩合"效果,对d1?m孔隙组产生"胀散"效果,表现为氧化土的总孔隙体积减小,但d1?m的孔隙体积明显增大,局部出现断裂孔隙,"墨水瓶"型孔隙减少,开放性孔隙向封闭性孔隙转化.湛江黏土在大气影响下土性发生异变并不是土的矿物本性变化所引起,而是水-土-电解质-大气间的化学反应与运动导致颗粒联结形式更改进而重塑微观结构所导致,土的超微观结构形态变化是发生这一现象的根本因素.鉴于大气氧化过程导致的结构强度的减损效果对土体稳定性的影响是长期的且潜在危害较大,应加强监测环境物化因素变化对岩土工程的影响.     

标准吸湿含水率对膨胀土进行分类的理论与实践

通过一系列膨胀土的物理、力学和化学性质试验, 发现膨胀土的标准吸湿含水率与膨胀土的蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量有良好的线性关系, 也与塑性指数和自由膨胀率有线性相关的趋势, 表明膨胀土的标准吸湿含水率具有明确的物理意义. 塑性指数能很好地反映粒度组成、分散特性和阳离子与黏土矿物的相互作用程度. 因此, 标准吸湿含水率能反映膨胀土的最基本的本质属性. 在一些文献分类成果的基础上, 考虑到对自由膨胀率分类成果的继承性, 提出了以标准吸湿含水率、塑性指数和自由膨胀率3个指标对膨胀土进行分类的方法, 其分类指标试验操作容易、设备简单、试验耗时短.     

活性粉末混凝土热物理性质的研究

通过高温试验获得了不同钢纤维掺量RPC的热传导、热扩散、比热容和热膨胀等热物理性质,分析了RPC热物理性质随温度和钢纤维掺量变化的规律,并与普通高强和高性能混凝土的热物理性质进行了对比.建立了RPC热物性参数随温度和钢纤维掺量变化的经验关系.利用传热学和固体物理方法分析了RPC传热过程与热传导性质变化的微观物理机制,推导了RPC的比热容和热膨胀系数的理论表达式,利用理论模型定量地分析了温度和钢纤维对RPC比热容和热膨胀性质的不同影响,并给出了判别条件,理论预测与试验观测相一致.     

RC梁-柱中节点核心区剪切破坏及尺寸效应数值分析

钢筋混凝土梁-柱中节点核心区剪切破坏具有脆性特征,因而其抗剪强度可能存在尺寸效应.在已开展的物理试验研究基础上,采用数值试验方法扩展讨论了结构尺寸(节点最大截面尺寸为900 mm×900 mm)、轴压比和体积配箍率对钢筋混凝土梁-柱中节点破坏机制与失效模式的影响,并揭示了它们对剪切强度尺寸效应的影响规律.研究结果表明:(1)单调加载下,梁-柱中节点展现为核心区的脆性剪切破坏,名义剪切强度具有明显尺寸效应;(2)轴压比的增大可提高中节点的抗剪承载力,同时强化了剪切强度的尺寸效应;(3)体积配箍率的增大将增强节点的抗剪承载力,但会削弱剪切强度的尺寸效应.此外,经典的Ba?ant材料层次尺寸效应律可描述中节点剪切破坏的尺寸效应行为,但其无法描述轴压比与配箍率的定量影响.     

干化-湿化路径下红黏土微观结构演化规律研究

以桂林红黏土为研究对象,借助扫描电子显微镜法(SEM)和压汞法(MIP)对不同初始孔隙比的压实土样和泥浆土样在干化-湿化路径下微观结构演化规律开展研究.扫描电子显微镜结果表明,饱和压实土样的微观结构主要由集聚体、集聚体间大孔隙和集聚体内小孔隙(颗粒间孔隙)组成;饱和泥浆土样的微观结构主要由片层状的黏土颗粒和较为均匀的颗...     

钢筋混凝土节点核心区剪切破坏尺寸效应试验研究

设计了最大节点核心区尺寸为700 mm×700 mm的14个几何尺寸相似的钢筋混凝土(RC)框架梁-柱节点(中间层中节点)试件,对其在不同加载方式(单调与循环加载)下的力学性能进行了试验研究.研究了荷载形式、配箍率及尺寸对节点核心区剪切破坏行为的影响规律;重点分析了节点核心区名义剪切强度的尺寸效应规律,并初步讨论了尺寸效应产生的根源.试验结果与分析表明:(1)不同荷载形式作用下RC梁-柱节点的破坏均为核心区脆性剪切破坏;(2)由于低周疲劳损伤特性,循环荷载作用下节点剪切强度较低,且变形能力较弱;(3)节点名义剪切强度随结构尺寸增大而减小,尺寸效应显著;(4)随着箍筋率的提高,节点抗剪承载力及变形能力增强,剪切强度的尺寸效应行为被削弱.本试验中,混凝土破坏的主导效应以及加载的低周疲劳特性是剪切破坏尺寸效应产生的主要原因.     

300 m级超高堆石坝心墙砾石土力学特性试验研究

坝体的变形协调控制一直是高堆石坝设计和施工中的核心问题之一.对于300 m级超高堆石坝,由于国内外设计和施工经验较少,且用于300 m级超高堆石坝心墙防渗料的砾石土与一般砾石土力学特性存在较大差异,已有的研究成果尚不能有效指导工程实践.基于此,本文以两河口超高堆石坝心墙砾石土为研究对象,结合室内试验和现场试验结果,研究300 m级超高堆石坝心墙砾石土相关力学特性.结果表明,两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高压实度,其自身抗渗性能较好,可满足工程设计技术要求;通过压缩系数及压缩模量可知,所研究的心墙砾石土为低压缩性土;心墙砾石土峰值强度随围压的增大而增大,峰值摩擦角随围压的增大而减小,所得到的邓肯模型参数可为后续两河口超高堆石坝数值计算提供参考;现场试验表明两河口超高堆石坝心墙砾石土具有较高的承载力和抗剪强度,其渗透系数满足设计技术要求.本文通过相关室内试验及现场试验验证了砾石土作为300 m级超高堆石坝心墙防渗料的可行性及可靠性,研究成果可为300 m级超高堆石坝设计和工程建设提供相关试验及理论依据.     

粗粒料及粒间微生物胶结的破碎-强度-能量耗散研究进展

粗粒料广泛应用于水利大坝、公路铁路路基及机场高填方边坡等对强度及变形要求较高的基础设施中.粗粒料颗粒粒径及颗粒强度离散性较其他岩土颗粒材料大,且在外荷载作用下易发生破碎;微生物胶结作为一种新型的绿色胶结方式,可以改善粗粒料的力学特性,抑制颗粒破碎.文章首先介绍了粗粒料颗粒强度相关理论分析方法:包括Weibull分布理论、尺寸效应、分形维数、雪崩动力学理论等;随后总结了研究粗粒料颗粒强度及变形特性的室内试验方法与技术:包括单颗粒破碎试验、一维压缩试验、声发射监测系统及微生物胶结技术;最后从粗粒料类别、外部环境因素、颗粒粒径、微生物胶结情况等方面对粗粒料单颗粒破碎试验和一维压缩试验结果进行分析,阐明了相关因素对颗粒强度、Weibull模量、压缩性、破碎量、声发射能量及能量耗散等的影响规律.研究成果有助于加深对粗粒料强度及变形特性的认识,也可推动粗粒料在实际工程中的应用.     

硫化矿石5天氧化增重率测定值影响因素实验研究

5天氧化增重率是衡量硫化矿石自燃倾向性的重要指标之一,鉴于指标测定条件没有统一的标准,本文通过正交试验,选取两种有代表性的硫化矿石样品对其采用4因素3水平的正交表进行实验,探讨环境温度、环境湿度、矿样粒度以及初始含水率等因素对矿石5天氧化增重率测定值的影响。结果表明:各因素对矿石5天氧化增重率测定值的影响顺序为:环境温度矿样粒度环境湿度初始含水率。在正交试验的基础上,通过改变各因素水平值,进行单因素实验,得到环境温度、矿样粒度、环境湿度及初始含水率与矿石5天氧化增重率之间的关系曲线,进一步分析了各影响因素对矿石5天氧化增重率测定值的影响,并依此对5天氧化增重率的测定条件进行规范,以便准确地测定硫化矿石的自燃倾向性。     

均质土坝坝体材料冲蚀特性试验研究

土石坝坝体冲蚀特性直接关系到坝体是否溃决,何时溃决,是土石坝溃坝研究的核心难题.本文通过物理模型试验,对不同坝体土料冲蚀特性进行研究.基于大量试验研究,分析了土料干密度、净切应力、冲刷系数、泥沙指数等与土体冲蚀特性的关系.提出泥沙指数宜依据土料冲蚀速率和净切应力确定,而不宜设为定值1(黏性土)或者1.5(非黏性土);冲刷系数与泥沙指数呈现明确的对数关系;起动切应力对土料冲蚀速率影响权重较大;利用泥沙指数变量,可以有效地区分坝体土料的抗冲蚀能力,并评估坝体抗溃决能力.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究

地铁隧道盾构施工前,通常需要对风化层中的孤石进行爆破处理,爆破荷载不可避免地对周围土体产生扰动.为了调查爆破冲击荷载对花岗岩残积土力学行为的影响,开展了不同冲击速率、频率、振动峰值应力及有效围压作用下花岗岩残积土的冲击动力试验,分析冲击荷载引起的超静孔隙水压力和变形的发展规律与破坏模式.结果表明:高速冲击引起的颗粒重排会增大土的内摩擦角,但强度增大的同时也会破坏原生结构强度,土体产生更多裂缝;振动峰值应力与频率对残积土的影响均存在着临界值,振动峰值应力与频率超过临界值时,强度软化且变形量增大;低围压下残积土可能会出现剪胀与剪切带破坏;提出的3种爆破冲击破坏类型中,低频高振动峰值应力的冲击条件下易出现严重的冲击破坏,频率3 Hz、振动峰值应力400 kPa是厦门花岗岩残积土介于破坏型与亚稳定型的临界影响值,因此,工程实践中应关注低频、高振动峰值应力的爆破冲击对周围土体带来的危害.研究可为花岗岩风化层中爆破法处理孤石提供施工参数,也可为考虑爆破振动影响的土层的力学参数确定与评价提供技术支持.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.     

基于广义可靠指标相对安全率的高土石坝坝坡稳定设计安全判据

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响,亟需发展对应的可靠度设计方法.可靠度设计中采用目标可靠度作为安全判据,因此研究高土石坝的目标可靠度是发展可靠度设计方法的重要前提.广义可靠指标相对安全率搭建了确定性设计安全判据和可靠度设计安全判据之间的桥梁,本文将广义可靠指标相对安全率应用于超过200 m高土石坝坝坡稳定安全判据研究,验证高土石坝坝坡稳定确定性设计与可靠度设计安全判据之间的等价关系,并提出了软岩土石坝和硬岩土石坝坝坡稳定可靠度控制标准.结果发现,《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199-2013)中规定的硬岩堆石坝的目标可靠度符合所标定目标可靠度要求,建议提高软岩堆石坝的目标可靠度.     

混凝土强度等级对全珊瑚海水钢筋混凝土梁抗剪性能的影响

通过对全珊瑚海水钢筋混凝土梁(coral aggregate reinforced concrete beam, CARCB)和普通钢筋混凝土梁(ordinary aggregate reinforced concrete beam, OARCB)进行斜截面抗剪性能试验,研究了混凝土强度等级对CARCB的裂缝发展、破坏形态、跨中变形及抗剪承载能力的影响,建立了弯矩-跨中挠度、挠度-梁长、荷载-最大裂缝宽度的关系,探讨了CARCB抗剪承载力(Vcs)的计算模型.结果表明:随着混凝土强度等级的提高, CARCB正截面开裂荷载(Vcr)、斜截面Vcr和Vcs均逐渐增大.不同混凝土强度等级的CARCB,其裂缝宽度均随着荷载的增大而增长,加载初期,在梁跨中附近出现正截面弯曲裂缝,裂缝宽度开展非常缓慢,随着荷载的增加,在支座向集中力作用点处出现斜裂缝,斜裂缝宽度迅速增大,最终导致梁破坏.在C60的CARCB中采用有机新涂层钢筋能有效抑制钢筋锈蚀.最后,综合考虑箍筋锈蚀和高强珊瑚混凝土(coral aggregate concrete, CAC)的影响,提出了更加合理的CARCB抗剪承载力计算模型.     

国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”研究进展

重大研究计划重大工程的动力灾变瞄准强地震动场和强/台风场及其动力作用下重大工程的损伤演化破坏过程的国际研究前沿,重点解决两大关键科学问题,即:(1)强地震动场和强/台风场的特性与规律;(2)重大工程动力灾变的过程与机理.为此重点开展4个方面的研究工作,包括:(1)强地震动场和强/台风场的建模与预测;(2)重大工程动力灾变的关键效应;(3)重大工程动力灾变的全过程分析;(4)重大工程动力灾变模拟系统的集成与验证.     

活性粉末混凝土钢纤维增强增韧的细观机理

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高强度水泥基复合材料, 掺入钢纤维可改善RPC韧性, 弥补脆性大的不足. 通过8字型RPC200试件的轴向拉伸试验, 应用带扫描电镜的实时加载和CCD技术详细地观测了钢纤维黏结－滑移拔出过程、RPC基体细观结构变化和物理力学特征, 分析了基体钢纤维掺量对单根钢纤维拔出时表面黏结物的形态、初裂荷载、极限荷载、界面黏结强度以及拔出功的影响, 给出了各物理量随基体纤维含量变化关系的统一表达形式. 分析了界面黏结力的构成以及钢纤维对RPC的增强增韧作用. 指出基体纤维对单根纤维黏结性能的影响存在最优掺量ρ_v,opt=1.5%.     

非饱和土中功的表述以及有效应力与相分离原理的讨论

基于多相孔隙介质理论的质量、线动量、能量平衡方程和非饱和土力学的假定，推导出总变形功W的一种表达式。在总变形功的具体方程基础上给出了建议与土骨架位移在功上对偶的有效应力表达式．它和Wheeler（2003年）以及其他一些研究者根据直觉和经验给出的有效应力具有相同的形式，但本文给出的有效应力是从多相孔隙介质理论的基本原理出发，经推演而得到的，具有坚实的理论基础和科学依据。文中根据总变形功的具体表达式，指出非饱和土的物理力学性质复杂，其影响因素较多，其固体骨架的变形不可能像饱和土那样由有效应力唯一确定。另外，利用总变形功的表达式以及各相自由能A^a的关系式，论证并得出了Passman（1984年）给出的相分离原理不严格适用于非饱和土的结论。     

钢管混凝土柱压-扭破坏尺寸效应细观数值分析

地震作用下,钢管混凝土柱容易受到扭转作用而发生压-扭破坏,扭矩作用将导致钢管混凝土柱的破坏加剧.本文首先建立了能够同时考虑混凝土非均质特性和混凝土/钢管接触行为的钢管混凝土柱力学分析模型及其数值模拟方法,进而模拟研究了钢管混凝土柱在压-扭联合作用下的失效破坏行为和尺寸效应规律.主要分析了截面尺寸、轴压比、含钢率和截面形状对钢管混凝土柱破坏模式、名义抗扭强度及其尺寸效应行为的影响.结果表明:随轴压比的增大,钢管混凝土柱抗扭承载力呈现先增大后减小的趋势,且当轴压比在0.4左右时,抗扭承载力达到最大值;钢管混凝土柱在压-扭联合作用下存在一定程度的尺寸效应,且根据本文模拟工况,名义抗扭强度下降幅度可达24%;此外,随轴压比的增大,名义抗扭强度的尺寸效应行为呈现先削弱后增强的趋势.基于本文数值试验数据及作者前期研究工作,提出了考虑轴压比和含钢率影响的钢管混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应公式.