开敞系统中冻土-混凝土界面抗拉强度试验研究

在寒区桩基工程中,冻土-混凝土界面强度对于桩基础的受力状态有着重要的影响。在开敞系统条件下进行了冻土-混凝土界面区的抗拉强度正交试验,利用极差方差分析法,厘清了界面粗糙度、土样含水率、试验温度及干密度4种试验因素对界面冻结抗拉强度影响的主次顺序。分析试验结果表明,土样含水率的增大、试验温度的降低及接触面粗糙度的提升均可使界面冻结抗拉强度不断提高;存在临界土样含水率,当含水率位于临界含水率两侧时,接触面粗糙度因水分迁移所形成冰膜改变的程度不同,导致接触面粗糙度的增加对界面冻结抗拉强度增幅的影响程度具有不同的规律。

冻土-混凝土接触面动剪强度研究

为了研究冻土-混凝土接触面的力学特性,开发了一种低温动荷载直剪仪,它是在普通直剪仪框架的基础上,安装了动力加载系统和温度控制系统。该装置能够保证在负温条件下对冻土进行动荷载直剪试验,从而测定冻土的动力学参数。为了研究寒区冻土与混凝土构筑物的相互作用,使用该仪器进行了一系列的多因素接触面动直剪试验,试验结果表明了冻土-混凝土接触面在动荷载作用下的行为特征,多因素对比试验则揭示了接触面动剪强度的影响因素和变化规律。

冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理研究

在高寒区水利工程中,冻土与混凝土接触界面的力学特性对于衬砌的稳定性和长期服役性能有着重要的影响。为研究冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理,开展了试验温度为-1～-5℃,初始含水率为9.2%～20.8%,法向压力为50～300 kPa条件下冻结黄土-混凝土界面直剪试验。通过研究界面剪切应力-位移曲线特征,结合摩尔库伦强度理论,将峰值强度分解为残余强度和界面冰胶结强度,对冻土-混凝土界面冻结强度形成机制进行解释。相应将界面黏聚力分解为峰值强度黏聚力和残余强度黏聚力,界面摩擦系数分解为峰值强度摩擦系数和残余强度摩擦系数。结果表明:界面冰胶结强度随着试验温度下降而增大,但受法向压力影响很小。在初始含水率为13.1%,法向压力100 kPa时,试验温度由-1下降至-5℃,冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。界面残余强度随着法向压力增大而增加,但受试验温度影响很小。在含水率20.8%,试验温度-5℃时,法向压力由50增加至300 kPa,残余强度由34增加至177 kPa。界面峰值强度黏聚力随温度的降低呈指数增长,在含水率13.1%时,温度由-1下降至-5℃,峰值强度黏聚力由35.09增加至148.05kPa,而残余强度黏聚力变化很小。界面处摩擦系数受试验温度影响较小。该研究可为寒区衬砌工程等冻土-构筑物接触面结构建设提供参考。

高温冻土-现浇混凝土接触面影响因素及本构模型

通过一系列高温冻土-现浇混凝土接触面的负温直剪试验,分析接触面剪切力学特性和受力变形机理,采用二元介质模型对接触面受力变形机理进行力学抽象,引入破损率和应力分担率函数,假设接触面各微元强度服从Weibull概率分布,建立高温冻土-现浇混凝土接触面的本构方程。研究结果表明:接触面剪切变形破坏发生在富含冰膜的界面冻土上,接触面应力-位移曲线表现为应变软化型,可将其划分为4个阶段。在各接触面影响因素中,温度对接触面冻结强度影响最显著,二者呈指数函数关系,法向应力和含水率与冻结强度呈线性关系。基于二元介质理论建立的力学模型和本构关系科学地揭示了接触面微观受力变形机理,较好地描述接触面应力-位移曲线全过程及应变软化现象,可为高温冻土地基中结构承载力的数值模拟和安全评价提供理论依据。

冲击荷载下混凝土-冻土组合体吸能特性及破坏形态试验与分析

为研究在冲击荷载作用下冻土含水率和应变率对混凝土-冻土组合体能量耗散和破坏形态的影响,采用杆径为50 mm的分离式Hopkinson压杆系统对不同冲击气压下和不同冻土含水率的组合体进行冲击压缩试验。试验结果表明:随着冻土含水率的增加,混凝土-冻土组合体的吸收能呈现先增加后减小的趋势,当冻土含水率超过饱和状态后,由于冻土中多余的冰晶体对土颗粒间连结作用的破坏,组合体的吸收能减少;随着应变率的增大,组合体内部新产生的裂纹比原裂纹扩张吸收更多的能量,组合体试件的吸收能也随之增加;在组合体受到冲击压缩作用时,冻土在混凝土后面起到缓冲的作用,部分能量被冻土吸收,当应变率相同时,组合体吸收能越大,冻土试样破坏程度越大,而混凝土试样破坏程度越小。

现浇混凝土-冻土接触面传热特性影响因素研究

现浇混凝土-冻土接触面传热特性直接影响灌注桩表面冻结强度,研究现浇混凝土-冻土接触面传热特性影响因素对冻土区桩基础设计和施工具有重要意义。基于小型模型桩试验条件建立数值模型,开展混凝土浇筑过程中混凝土-冻土接触面传热特性研究,分析了混凝土浇筑温度、水胶比、冻土温度、冻土含水量引起的接触面热流和温度变化。结果表明:浇筑温度由5℃升高至30℃,0.5 h混凝土与冻土接触面热流增大381.2%.水胶比由0.4增大至0.6,0.5 h接触面热流减少23.7%.接触面温度随冻土含水量的增大呈先增大后减小趋势,峰值在冻土液限附近。导热系数和相变热作用的转变起到了决定作用。冻土温度在-1^-3℃之间降低时,接触面温度随冻土温度降低而升高。浇筑后0~1 h(尤其是0~0.5 h)是混凝土对冻土释放热量的主要时间。

细粒含量对冻土-桩基界面力学性质的影响

冻土-桩基界面剪切特性对冻土区交通工程稳定性及长期服役性有重要的影响,本文通过负温直接剪切试验,研究细粒含量对冻土-混凝土桩基界面力学性质的影响,研究结果表明:试样应力-位移曲线均表现出应力软化型;界面剪切峰值强度及冰胶结强度随细粒含量增加而增长,残余强度随细粒含量变化波动很小;随着细粒含量增长,冰胶结强度对冻土-混凝土界面剪切强度贡献逐步增加;试样峰值强度及残余强度随法向压力变化均单调增长,其中50~100 kPa强度增长幅度较其它压力间隔剧烈;峰值粘聚力随细粒含量增长而增加,残余粘聚力随细粒含量变化逐渐减小;建立冻土-混凝土界面剪切强度计算公式,并验证其准确性。

Degradation of bond between steel bar and freeze-thaw concrete after electrochemical chloride extraction

The effect of electrochemical chloride extraction （ECE） on bond strength between steel bar and freeze-thaw concrete contaminated by chloride was experimentally investigated for beam specimens with dimensions of 100 mm × 100 mm × 400 ram. During the experiment, 3% NaC1 （vs mass of cement, mass fraction） was mixed into concrete to simulate chloride contamination, and the specimens experienced 0, 25, 50, 75 freeze-thaw cycles before ECE. In the process of ECE, different current densities and durations were adopted. It is indicated that the bond strength between reinforcement and concrete decreases with the increase of freeze-thaw cycles; the more the current and the electric quantity of ECE are, the more the loss of bond strength is; and the largest loss is up to 58.7%. So, it is important to choose proper parameters of ECE for the reinforced concrete structures contaminated by chloride and subjected to freeze-thaw cycles.