聚氨酯泡沫注浆修复材料泡孔结构特征及抗压性能研究进展

聚氨酯泡沫(PUF)注浆修复材料以轻质高强、快凝高膨胀等优势,在基础设施修复加固领域得到了广泛的应用。抗压性能是工程修复材料十分重要的力学指标之一,而材料的微观结构对其宏观力学行为有决定性影响。近年来,国内外专家学者对PUF注浆修复材料的微观结构特性和抗压性能进行了大量研究,但尚未见到系统性总结。本文介绍了PUF注浆修复材料的定义及反应过程,综述了其微观泡孔结构特性、压缩应力-应变关系和本构模型,从宏微观角度讨论了其变形和破坏机理,总结了密度、试件尺寸、应变率和特殊环境工况对压缩性能的影响机理及规律,最后展望了PUF注浆修复材料未来的研究方向。

大豆脲酶诱导碳酸钙固化黄河泥沙水稳定性试验研究

随着国家“交通强国”战略的提出,沿黄工程建设发展迅速,填筑用土需求剧增。黄河泥沙作为填筑材料的可行性已被证实,但其在多雨地区的服役性能需要改善,探索一种生态、高效的泥沙加固方法提高其水稳定性十分关键。本文基于酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术固化黄河泥沙的方法,分别开展了常规浸水条件和干湿循环条件下固化黄河泥沙的水稳定性试验,研究了浸水后试样的质量损失及强度折损情况,分析了干湿循环对固化后黄河泥沙试样强度软化系数的影响规律。结果表明:采用EICP技术固化的黄河泥沙试样浸水崩解过程相比原状试样更加缓慢;胶结液浓度1.5 mol/L的黄河泥沙试样长期(56 d)浸水后,几乎保持完整,质量损失率仅为6.36%,强度折损率仅为6.21%;10次干湿循环后,不同胶结液浓度处理后的黄河泥沙试样均出现了不同程度的颗粒松散和脱落现象,胶结液浓度1.5 mol/L、灌浆10次的黄河泥沙试样的抗压强度损失仅为9.96%,抗干湿循环能力最强。利用EICP技术可以有效的固化黄河泥沙并提升其水稳定性,这对推进黄河泥沙的资源化利用进程十分重要。

玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能及失效分析

管道修复用紫外光原位固化(Ultraviolet cured-in-place pipe,UV-CIPP)材料是一种玻纤复合材料,其抗弯性能是评价管道修复效果以及材料优化设计所需的重要参考指标。以玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料为研究对象,考虑固化时间、固化距离、紫外灯功率和材料厚度的影响,基于融合高清视频和SEM观测的三点弯曲试验,对玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料抗弯性能和失效机制进行了研究。结果表明,UV-CIPP材料的失效过程可以分为三个阶段:弹性阶段、基体开裂阶段和玻纤布断裂阶段,基体开裂、脱粘分层和纤维拉拔断裂是玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲失效的主要原因。在单一变量影响下,玻纤增强甲基丙烯酸酯基UV-CIPP材料弯曲强度和弯曲模量随固化时间、固化距离和紫外灯功率的增大均呈现出先增大后减小的趋势,随着材料厚度的增大却逐渐减小。本研究不仅为UV-CIPP材料的优化设计提供了参考依据,也为国产化UV-CIPP材料的发展奠定了重要基础。

新型聚氨酯弹性体注浆材料的压缩尺寸效应及应变率效应

为了解决现有风电基础注浆加固材料强度低、抗变形能力弱及可注性差等难题,制备了一种新型聚氨酯弹性体注浆材料。在考虑尺寸效应和应变率效应的影响下进行了单轴压缩试验研究,得到了压缩应力-应变关系曲线,提出了一种适用于该聚氨酯弹性体注浆材料的四参数唯象本构模型。结果表明:在该材料达到极限破坏之前,其应力-应变关系分为弹性阶段、屈服阶段、应变软化阶段三个阶段;材料的弹性模量、抗压强度、软化应力、能量密度等力学参数随应变率增大而增大,随试件尺寸的增大呈现先减小后增大的趋势,且相比尺寸效应,应变率效应的影响更为显著。本工作提出的四参数唯象本构模型能准确地表征本材料在不同尺寸时的压缩应力-应变关系。此本构模型为该聚氨酯弹性体注浆材料的理论计算和工程应用提供了重要的科学依据。

渗透型高聚物与过江盾构隧道接缝混凝土界面特性

接缝渗漏是运营期过江盾构隧道的主要病害之一,盾构隧道工程常用注浆材料在隧道渗漏处治中与接缝混凝土黏结性能较差,造成渗漏处治效果不理想。在现有注浆材料的基础上研发了新型渗透型高聚物,为进一步研究新型渗透型高聚物用于隧道接缝渗漏处治的适用性,考虑了界面潮湿度、法向荷载、界面粗糙度等因素,设计了渗透型高聚物–混凝土界面直剪试验,研究了界面潮湿度、法向荷载、界面粗糙度等因素对渗透型高聚物–混凝土界面黏结性能的影响,建立并验证了渗透型高聚物–混凝土界面抗剪强度理论模型。结果表明:渗透型高聚物–混凝土界面抗剪强度与法向应力、界面粗糙度呈正比,与隧道潮湿程度呈反比。各因素对渗透型高聚物–混凝土界面抗剪强度的影响从大到小的排序为法向应力>粗糙度>潮湿度。渗透型高聚物–混凝土界面抗剪强度线性回归理论模型服从残差正态分布,能够直观预测抗剪强度与各因素间的定量关系。渗透型高聚物–混凝土界面抗剪强度最高可达1.5 MPa,符合过江盾构隧道渗漏处治需求。

基于集成学习模型的正常固结土抗剪强度指标预测方法

抗剪强度指标的准确获取对工程设计具有决定性作用,目前试验方法确定的强度指标过于依靠工程经验,导致最终的取值具有不确定性。集成学习模型是机器学习的一个子类,在处理复杂的数据和任务时表现出强大的性能。为了能更准确地获得抗剪强度指标,以正常固结土为研究对象,利用不同的集成学习算法建立其抗剪强度指标的预测模型。通过均方根误差(RMSE)、可决系数(R^(2))、绝对值误差(MAE)评估不同模型的泛化能力,并采用Adaboost算法进行输入参数的敏感性分析。结果表明抗剪强度采用Adaboost、内摩擦角采用RF、黏聚力采用Adaboost算法具有最佳的泛化能力,其测试集R^(2)可分别达到0.925,0.965,0.942。敏感性分析结果显示,对抗剪强度影响最大的参数为干密度、含水率和法向应力;对内摩擦角影响最大的参数为曲率系数、黏粒含量和含水率;对黏聚力影响最大的参数为含水率、干密度和液限。本文所建立的预测模型可为工程中抗剪强度指标的选取及运用机器学习方法研究土体强度参数提供参考。

顶管施工对新型复合装配式支护工作井的力学响应分析

由于传统的支护结构在顶管施工中会出现难以预留顶管施工孔洞、沉井倾斜及支护结构承载力不足等问题,严重影响顶管施工的效率和安全性。针对此类问题,提出了一种适用于顶管工作井的新型型钢-高聚物复合装配式支护结构。通过实际工程现场试验和有限元数值模拟相结合的方法,对顶管施工过程中工作井周围的土体沉降变形和支护结构的力学响应进行了分析,并验证了新型支护结构用于顶管施工的可靠性,最后通过正交模拟试验得到了影响工作井支护结构力学性能的主控因素。结果表明,支护桩桩间距是影响新型支护结构力学性能的主控因素,且在短距离顶管过程中,工作井周围土体均有不同程度的沉降,且顶进方向地表沉降最大,侧墙方向地表沉降最小,且对地表沉降的影响范围约为顶进距离的2.7倍。并且,支护桩的应力随管-土界面摩阻力的增大而增大,入洞口位置支护桩的应力最大。在长距离顶管施工中,顶管前期,顶进面应力较大,随着顶进距离的增大,侧墙和后背墙应力增大,高于顶进面。该研究成果可为顶管工作井新型支护结构的优化设计提供有利的建议。

高聚物注浆材料压缩疲劳损伤演化与寿命预测

高聚物注浆材料以固化时间短、膨胀力和膨胀比大、轻质高强等特点在道路的非开挖修复中应用广泛。在长期交通荷载作用下高聚物注浆材料的力学性能会受到一定程度的影响,然而其疲劳损伤演化规律和服役寿命预测尚未见到系统研究。采用现场试验、准静态压缩和循环压缩试验对高聚物注浆材料的修复效果和静动态抗压性能进行了研究,提出了一种基于密度和寿命的疲劳阈值预测公式。结果表明:弹性模量、抗压强度、准静态能量耗散随密度增大而增大且存在幂函数关系;不同密度高聚物注浆材料的疲劳阈值在0.6~0.8之间;压缩疲劳性能随着相对循环次数的演化过程可分为3阶段(调整阶段、稳定变化阶段、循环破坏或循环硬化阶段);在较高应力水平(0.7和0.8)下,经过调整和稳定变化阶段,动态弹性模量减小,累积应变、应变速率、动态能量耗散增大;相对循环次数达到80%之后,疲劳性能参数急剧变化,动态弹性模量平均减小了93.69 MPa,累积应变、应变速率、动态能量耗散平均增加了0.15、0.20 s^(-1)、0.027 MJ·m^(-3);试件发生破坏且在泡孔结构中出现裂纹和坍塌破碎;在低应力水平(0.6)下,经过调整阶段,动态弹性模量和累积应变与循环次数存在对数函数关系,应变速率和动态能量耗散与循环次数存在指数函数关系;循环硬化后,其宏微观形貌无明显损伤,且抗压强度和弹性模量平均有超过20%的提高。所得结果为高聚物注浆材料耐久性能评价和推广应用提供了一定的理论指导和科学依据。