考虑地下水位影响的碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输试验研究

关于碱渣土地基环境下钢筋混凝土结构耐久性问题,尚未见相关研究成果,是有待研究的课题。为探究碱渣土地基混凝土内氯离子传输规律,本工作模拟真实碱渣土地基及地下水侵蚀环境,设计了三种地下水位-0.2 m、-0.5 m、-0.8 m,开展半埋于碱渣土地基的混凝土氯离子自然扩散试验,探究不同地下水位环境下混凝土地表吸附区及地下区域的氯离子分布规律。结果表明,地表吸附区由于其蒸发浓缩及毛细作用,氯离子浓度高于地下区域。氯离子浓度随地下水位的变化呈现较大差异,地表吸附区氯离子浓度随地下水位的升高呈下降趋势,地下区域地下水位的影响主要体现在试件与水位的相对位置,地下水位以下区域氯离子浓度高于地下水位以上区域。在此基础上,探究碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输机理,基于Fick第二定律定量研究了地下水位对表面氯离子浓度及扩散系数的影响,建立考虑地下水位影响的氯离子传输时变模型,通过与实测结果对比印证了模型的正确性,本模型可为实际工程中定量评估不同碱渣土侵蚀环境下混凝土内氯离子浓度以及服役寿命预测提供技术支持。

碱渣土蠕变特性试验及数值模拟研究

碱渣土孔隙比大、含水量高、压缩性大,研究其蠕变特性对于准确预测碱渣土地基长期沉降、确保上部结构长期稳定性具有重要意义。以天津港碱渣土为研究对象,采用分级加载-卸载的方式对不同深度处碱渣土进行一维压缩固结试验(包括卸荷回弹与再压缩试验)。通过试样孔隙比随上部固结压力的变化曲线分析了碱渣土的压缩特性;利用“陈氏法”对分级加载过程的应变-时间试验数据进行处理,得到不同深度处碱渣土在不同固结压力下的应变-时间蠕变曲线。在此基础上,根据蠕变曲线衰减稳定规律以及应力-应变等时曲线所反映的非线性蠕变特征,提出采用Merchant元件模型对蠕变试验曲线进行拟合,并确定模型中3个参数的经验计算公式,建立碱渣土非线性蠕变模型。最后,通过编制有限元子程序实现数值开发,将数模计算值与蠕变试验数据、天津港碱渣土地基沉降实测值进行对比,验证所开发数值模型的合理性。

水位变动区硫酸根侵蚀对混凝土氯离子传输影响试验研究

海洋环境水位变动区是氯离子和硫酸根离子侵蚀最严重的区域,氯离子主要破坏钢筋钝化膜引起钢筋锈蚀,硫酸根离子侵蚀除导致混凝土物理力学性能劣化外,还对氯离子在混凝土中的传输产生影响。目前针对硫酸根离子对氯离子传输影响的研究主要采用将试件浸泡在侵蚀溶液中的方式,不能反应耐久性问题更为严重的海洋水位变动区混凝土内离子传输规律。文章采用自主研制的潮汐循环模拟系统,开展了海洋环境水位变动区单一氯离子和氯离子-硫酸根离子耦合环境下氯离子传输特性物理试验,研究了硫酸根离子侵蚀对混凝土中氯离子传输规律的影响,给出了混凝土表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数的时变公式,建立了海洋环境水位变动区考虑硫酸根离子侵蚀效应的氯离子扩散模型。结果表明,早期由于硫酸根离子侵蚀在混凝土中生成石膏和钙矾石的填充作用,阻碍了氯离子在混凝土中的传输,使混凝土中氯离子浓度降低。

TA/SiO_(2)疏水涂层及其对混凝土抗侵蚀性能的影响

基于贻贝仿生原理,成功制备了单宁酸(TA)/SiO_(2)疏水涂层,通过设置22组工艺组合,综合水接触角、电通量和表面微观结构,得到了涂层的最优制备工艺.针对最优制备工艺涂层,通过自然扩散试验研究了其对混凝土抗离子渗透性能的影响,并采用磨耗和酸碱腐蚀试验研究了涂层稳定性.结果表明,TA/SiO_(2)疏水涂层表面具有丰富的微纳米结构,水接触角达148.1°,至少能够减少75.31%的离子渗透进入混凝土,且稳定性优良.

干湿循环对混凝土氯离子结合能力的影响研究

海洋环境下氯离子侵蚀是钢筋混凝土耐久性破坏的主要因素之一,目前普遍运用的基于Fick第二定律解析解的氯离子浓度预测方法是基于氯离子不与混凝土结合的假设。但在实际情况中,氯离子可以通过化学结合与物理吸附的方式与混凝土结合,混凝土对氯离子的结合作用会降低自由氯离子浓度,从而降低氯离子扩散速率和钢筋前沿的氯离子浓度累积量。文章进行了8组不同干燥时间比和5个暴露时间点的干湿循环试验,研究干湿循环作用和暴露时间对混凝土氯离子结合能力的影响。分别采用线性吸附理论和Freundlich吸附理论对试验数据进行拟合分析,预测氯离子的结合能力。结果表明两种吸附理论表达出的氯离子结合能力均随着干燥时间比的增加而降低,但Freundlich吸附理论的预测结果更为准确,故选取该理论建立了干燥时间比、暴露时间影响下的氯离子结合能力表达式。根据建立的氯离子结合能力公式,建立合理描述氯离子传输特性的数值模型。并通过数值模拟比较考虑氯离子结合能力的氯离子传输模型与基于Fick第二定律解析解的氯离子扩散模型的差异。

掺入粉煤灰软黏土的复合碱渣土力学特性探究

为探究承载性能优良且经济适用的碱渣地基土方案,设计了24种掺入粉煤灰和软黏土的复合碱渣土,并且综合无侧限抗压强度与经济指标,通过模糊评价法确定了复合碱渣土的最优配合比,同时对其进行了劈裂抗拉试验、静力三轴试验和蠕变试验.结果表明:软黏土、粉煤灰均对碱渣有明显加固作用,软黏土的加入可减少粉煤灰的用量,具备较好的经济适用性;复合碱渣土的劈裂抗拉强度与其无侧限抗压强度之比为0.15;固结围压对复合碱渣土不排水强度的影响最大,超固结比次之,固结比最小;当上部荷载未达到长期强度时,复合碱渣土的蠕变特征较为稳定且数值极小.

偏压固结下碱渣土循环累积孔压及强度弱化规律研究

碱渣是氨碱法制纯碱时排出的固体废弃物,经适当的加固处理后作为工程填垫土可以有效解决占地和污染问题。碱渣土的力学性质不稳定,在循环荷载作用下强度会发生明显弱化,导致承载力大幅降低。以天津港地区回填碱渣土为研究对象,开展了系列动三轴试验,以固结围压、动应力比和偏压固结比为试验变量,研究了不同应力组合下碱渣土中循环累积孔压发展规律以及循环后碱渣土不排水强度演化规律。基于等效超固结模型,引入强度弱化系数β,建立了考虑偏压固结比和动应力比影响的碱渣土循环强度弱化模型;引入强度提升系数α,建立了考虑偏压固结过程和循环加载过程耦合影响的碱渣土强度演化模型,并通过试验数据验证了模型的正确性。

碱渣土的触变性与扰动后强度演化规律研究

碱渣是氨碱法制碱过程中产生的工业废渣,作为地基回填土应用于工程建设可以有效解决占地和环境污染问题.关于碱渣土的基本物理、力学性质和静力学特性已开展了一些研究工作,但与天然沉积土相比,碱渣土通常具有更高的含水率与更大的孔隙比,在外部荷载扰动下的触变性是其应用于工程实践中需要解决的关键问题.以天津港原状碱渣土为研究对象,开展振动-静置试验和无侧限抗压强度试验,研究了不同振动时间、振动频率及静置时间下碱渣土的触变性,结果表明:振动时间、振动频率对于碱渣土强度影响显著,静置过程中土体强度随时间增长恢复速度逐渐减缓,且无法恢复至扰动前的强度.引入触变强度比率A量化振动-静置过程对土体强度的影响,提出考虑振动时间、振动频率及静置时间的碱渣土触变强度模型.在此基础上,进一步开展振动-静置循环试验,研究了不同振动-静置循环次数与静置时间下碱渣土触变强度的演化规律,发现随着振动-静置循环次数的增加,土体累积的结构性损伤逐渐增多,强度恢复程度将持续减小.通过对试验数据的统计分析,建立了振动-静置循环条件下的碱渣土触变强度演化模型,并用试验实测值验证了演化模型的正确性.

基于凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模拟

细观数值模拟是研究海洋环境下钢筋混凝土结构中氯离子传输的重要方法之一。细观数值模型将混凝土视为由水泥砂浆、粗骨料及界面过渡区组成的三相复合材料,目前建立的氯离子传输细观数值模型大多将粗骨料简化为圆形、正多边形等规则的几何形状,与实际粗骨料形状存在较大差异;少数学者建立的不规则形状粗骨料模型,其生成和投放效率较低,不适于大规模数值模拟计算。文章提出了随机生成凸多边形粗骨料的插点排序算法,建立了基于随机凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模型,相比于目前延凸算法得到的凸多边形骨料模型,文章建立的细观数值模拟方法具备更高的计算效率。通过物理试验实测数据,对细观数值模型进行了验证。基于建立的细观数值模型,研究了粗骨料体积分数对氯离子扩散性能的影响规律。

含根量对原状与重塑草根加筋土强度影响的试验研究

用室内三轴试验方法研究了原状和重塑草根加筋土的强度特性,分析含根量对土体强度的影响,并对二者强度的差异进行量化描述。试验结果表明：对于原状草根加筋土,含根量的增加对内摩擦角基本无影响,但可提高土体黏聚力,并且黏聚力先增加再基本保持不变;对于重塑草根加筋土,存在最优含根量使其强度最高,并且该值与围压相关,随围压的增大,该值增加;重塑草根加筋土的含根量是原状土的4~6倍时,二者土体破坏时的主应力差值基本相等。

筒型基础防波堤稳定性简化计算方法

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠下部筒体沉入土中维持结构稳定。结合实际工程,建立了筒型基础防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,得出了其失稳模式为绕基础筒底以下某点发生转动失稳。通过对结构进行极限状态受力分析,建立了基于实际转动点的结构稳定性计算方法,对稳定性计算模型和土体作用力计算公式等进行了检验。在此基础上,将转动点移至基础筒底部距结构中心线水平距离为h′的位置,以此作为结构倾覆破坏时的假想支撑点,建立了基于重力式结构稳定性验算模式的筒型基础防波堤稳定性分析的简化方法。通过不同基础尺度下计算结果的分析比较,建议了h′的取值。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法具有较高的精度,可供实际工程参用。

筒型基础防波堤土压力性状的有限元分析

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠沉入地基土层中的筒型基础维持结构稳定,作用在筒型基础上的土压力是结构稳定性验算的核心内容。结合某实际工程,建立了筒型基础防波堤三维弹塑性有限元模型,分析了不同波浪力加载值下作用在筒型基础上土压力的大小及竖向和环向分布规律,并将有限元计算的极限状态下的土压力与Rankine主动、被动土压力和静止土压力进行了比较分析。根据筒型基础的位移模式,将土压力分为主动、被动和静止3个区域,建议了不同区域土压力的简化计算方法,为筒型基础结构稳定性验算提供了基本依据。

挡土墙主动土压力分布与侧压力系数

采用库仑土压力理论的假设:挡土墙土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,在该滑动楔体上沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上的水平力、竖向力和力矩平衡条件,建立挡土墙上土压力强度的一阶微分方程式,给出了土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点高度的理论公式,并分析了填土内摩擦角和墙背摩擦角对土侧压力系数、土压力强度、土压力合力、土压力合力作用点和墙底抗倾稳定性的影响。

滨海软土非线性流变模型及其工程应用研究

基于室内一维固结蠕变试验,研究了天津滨海淤泥质软黏土的蠕变变形规律,建立了反映滨海软黏土的非线性流变本构模型,确定了模型中的各个参数。通过此本构模型推导出天津软黏土的沉降计算公式,利用该公式对天津滨海地区北塘水库大坝软土堤基进行了沉降计算和分析,计算值与实测值比较吻合,证明了流变模型的合理性,同时也说明在软土地基沉降计算中,考虑非线性流变性状的影响是必要的。并对天津滨海新区软土长期蠕变沉降作出预测。

墙体绕基础转动情况下挡土墙主动土压力分布

采用库仑土压力理论的假设 ,挡土墙上的主动土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生 ,在该滑动楔体上沿填土深度方向取水平层薄单元进行分析 ,建立关于挡土墙上土压力强度的一阶微分方程 ,给出了墙体绕地基转动变位模式下 ,土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式 ,并与库仑土压力理论、墙体平动变位模式下土压力和有关实验结果进行了比较分析。结果表明 ,墙体绕地基转动变位模式下土压力合力与墙体平动变位模式下土压力合力相等 ,并等于库仑土压力理论计算结果 ,但土压力合力作用点和土压力分布有显著差别。

高桩码头岸坡稳定有限元分析

采用有限元强度折减法分析岸坡稳定是目前比较前沿的研究成果,该方法在获得抗力分项系数的同时,可以得到岸坡土体的应力、位移场、塑性区以及桩基对岸坡稳定的影响。对国内某突堤码头建立了有限元模型,土体采用与Mohr-Column准则匹配的Drucker-Prager弹塑性准则,首次利用强度折减有限元法分析了在桩基影响下的成层土岸坡稳定问题,并给出了抗力分项系数、塑性区和位移场,从而为高桩码头岸坡的稳定性计算提供参考依据。

格型钢板桩结构有限元数值分析

以有限元软件ABAQUS作为分析平台,建立波浪荷载作用下格型钢板桩结构稳定性及应力分析的三维弹塑性有限元分析模型。格型钢板桩采用壳体单元模拟,在相邻板桩之间设置铰接连接器模拟板桩之间的相对转动;土体采用Mohr-Coulomb本构模型模拟,在格型钢板桩与其内、外土体之间设置接触面单元模拟它们之间的滑移、张裂和闭合。结合某实际工程,研究结构的破坏模式、失稳特性和应力分布特性,分析参数变化对结构稳定性和环向拉力的影响,并对格内土体的剪切变形进行分析,建议格型钢板桩锁口拉力的验算断面。结果表明,铰接连接器的设置对于结构稳定性影响不大,但对环向拉力有一定影响;格内土体的剪切变形主要发生在格体中轴处,符合太沙基法结论。

天津滨海地区两种典型软黏土蠕变特性试验研究

通过三轴蠕变试验,研究了天津滨海地区两种典型淤泥质黏土和粉质黏土的非线性蠕变特性。蠕变试验采用分级加载的方式进行,利用"陈氏法"对实测数据进行处理后得到两种软黏土在不同应力状态下的蠕变试验曲线。在此基础上,提取相关数据得到两种软黏土的应力–应变等时曲线,根据该曲线的变化规律,采用Merchant模型对两种软黏土的蠕变曲线进行拟合,确定模型参数,建立了适用于天津滨海地区两种典型软黏土的非线性蠕变模型。最后,对两种软黏土蠕变模型参数的变化规律进行了对比分析得出:Merchant模型中虎克弹簧的弹性模量EH随主应力差增大呈负指数规律变化,Kelvin体的弹性模量EK随主应力差增大呈线性规律变化的经验公式。

墙体绕墙顶转动情况下挡土墙主动土压力分布

根据库仑土压力理论的假设,挡土墙上的土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,给出了墙体绕墙顶转动变位模式下土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点的理论公式,并与库仑土压力理论、墙体平动变位模式下土压力和有关实验结果进行了比较· 结果表明,墙体绕墙顶转动变位模式下土压力合力与墙体平动变位模式下土压力合力相等,且等于库仑理论计算结果。

离岸深水全直桩码头承载特性与简化计算方法

全直桩码头是一种新型高桩码头结构型式,在离岸深水海域得到越来越广泛的应用。该结构的承载机理、破坏模式及设计计算方法等与传统高桩码头结构存在较大差异,目前研究尚不完善。采用ABAQUS建立全直桩码头结构–地基相互作用三维弹塑性有限元模型,研究水平荷载作用下码头的承载变形特性及破坏模式。明确了对于水平荷载作用下的离岸深水全直桩码头,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用。在此基础上,采用经典的P–y曲线,建立了全直桩码头水平向承载力简化计算方法。该方法可以计算出桩身任意位置的内力及变形,且适于大、小位移情况。并提出了以"塑性铰"作为简化计算方法中水平极限承载力的判断标准。通过与有限元计算结果进行对比,验证了所建立简化计算方法的正确性。