砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

峰前等剪应力幅值下黏土-混凝土接触面小变形特性分析

为了研究黏土-混凝土接触面在峰前切向循环剪切应力控制条件下的变形特性,运用研制的土-结构接触面循环剪切仪,开展了50、100、150、200k Pa共4个法向压力下的黏土-混凝土接触面直接剪切试验,确定了各法向压力下接触面的峰值剪切强度;在每个法向压力下设置了低于峰值强度的2个低剪切应力幅值和3个高剪切应力幅值,开展了黏土-混凝土接触面循环剪切试验。根据试验结果,设置了累积位移、割线刚度、切向塑性功3个指标,分析了各指标随循环圈数的发展规律;对比了同一剪切应力幅值下,法向压力对循环剪切曲线的影响。试验结果表明,低剪切应力幅值下,黏土-混凝土接触面剪切位移-剪切应力曲线表现为弹性;高剪切应力幅值下,黏土-混凝土接触面剪切位移-剪切应力曲线表现为弹塑性,接触面累积位移存在极限值,割线加载刚度和割线卸载刚度逐渐增大并趋于一致,切向塑性功逐渐减小并趋于0;法向压力对接触面循环剪切曲线的影响主要体现在第1圈循环时。相关研究成果可服务于土-敏感结构接触面峰前阶段循环剪切的变形分析,亦可为低剪切应力下土-结构接触面循环剪切本构的建立提供试验依据。

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。

考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明:密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度I_(cr),当I>I_(cr)时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.

考虑粗糙度影响的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性研究

为保证多年冻土地区桥梁桩基在服役期的安全稳定,需研究考虑流变效应的桩端承载及桩侧承载性能,其中考虑桩-冻土接触面蠕变特性的桩侧承载性能是多年冻土桩基长期稳定性的关键。利用自行研制的大型应力控制式剪切仪开展冻结砂土-混凝土接触面的剪切蠕变特性研究,试验采用灌砂法定义混凝土表面的粗糙度,其中4组为试验分析组(粗糙度为0,0.039,0.059和0.098 mm),1组为模型验证组(粗糙度为0.02 mm)。基于冻结砂土-混凝土接触面蠕变试验,研究蠕变变形、蠕变速率与时间及粗糙度的变化规律,揭示粗糙度影响下的接触面剪切蠕变机理,建立考虑粗糙度影响的接触面现象学蠕变模型。研究结果表明:冻结砂土-混凝土接触面在恒荷载作用下表现出显著的蠕变效应。不同粗糙度条件下,冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性不尽相同,粗糙度越大试样衰减蠕变时间越长、稳定蠕变阶段越明显、蠕变稳定性越强;稳定蠕变速率随粗糙度的增大而减小,二者呈线性变化规律,得到发生非衰减蠕变的临界粗糙度为0.093 mm。提出的现象学蠕变模型对冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线有着良好的适应性,同时也可用于预测不同粗糙度条件下试样的蠕变规律,可为多年冻土区桩基长期承载及变形数值计算提供参考。

复合混凝土-石膏墙板接触面抗剪性能试验研究

对复合混凝土-石膏墙板进行了聚苯板与石膏板之间、石膏板与混凝土之间连接面的抗剪性能试验,比较了3组9个试件的破坏过程、裂缝形态、荷载位移曲线、抗剪承载力和最大相对位移。试验结果表明,石膏板与混凝土之间和聚苯板与石膏板之间的粘接起决定性作用,连接面的抗剪承载力均远大于石膏板和聚苯板保温层自重及相应设计荷载要求。

冻结作用下粉土-混凝土接触面抗拉强度试验研究

为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律,开展了冻结状态下多种含水率、温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明:在试验温度下,粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10,粉质黏土的1/10~1/7;含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大,其次是温度、干密度;在试验含水率范围内,接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关;温度降低会增大接触面冻结抗拉强度,在-2℃至-6℃,冻结抗拉强度迅速增长,在-6℃以后,冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明:低温、高含水率、低干密度条件下,接触面冻结抗拉强度达到最佳;三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度,其中含水率、温度影响显著,干密度影响不显著;在试验含水率区间内,接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势,且含水率、温度之间存在交互作用;随温度降低,存在一临界负温,接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。

钢-玄武岩混杂纤维在高性能混凝土中的应用研究

跨海桥梁、跨山桥梁等桥梁建筑施工难度大、设计年限长,提升了对高性能混凝土力学与耐久性能的要求。基于此,在高性能混凝土的基础上添加了钢-玄武岩混杂纤维材料,开展不同钢-玄武岩混杂纤维掺量的高性能混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗碳化性能、抗腐蚀性能和抗冻性能测试,分析了高性能混凝土使用性能随钢-玄武岩混杂纤维掺量的变化规律。结果表明,相比未掺加纤维条件,钢-玄武岩混杂纤维掺量为0.6%、1.2%、1.8%及2.4%时,高性能混凝土的28 d抗压强度提高了12.3%、22.4%、33.0%及23.9%,而28 d抗折强度则提高了10.6%、25.0%、37.5%及34.6%;从抗碳化性能提高方面考虑,高性能混凝土的最优钢-玄武岩混杂纤维量宜为1.2%~1.8%;从抗氯离子腐蚀提高方面考虑,高性能混凝土的最优钢-玄武岩混杂纤维量宜为1.8%;从抗冻性能提高方面考虑,高性能混凝土的最优钢-玄武岩混杂纤维量宜为1.2%~1.8%。

不同注浆工况对砂土-混凝土接触面剪切特性影响

为研究后注浆对土与结构物接触面力学特性的影响,采用自主研发的注浆装置和可注浆的大型直剪仪,通过3种注浆压力、3种注浆量和4种荷载工况下的共计22组后注浆砂土-混凝土接触面大型直剪试验,分析不同注浆工况和荷载工况对砂土-混凝土接触面剪切力学特性、剪胀(缩)性以及强度参数等的影响.结果表明:在注浆压力和法向应力一定的情况下,接触面峰值剪切应力随着注浆量的增大而增大,但随着法向应力的增大,增加注浆量对接触面力学特性的改善效果逐渐减弱;在注浆量和法向应力一定的情况下,注浆压力较低时,接触面峰值剪切应力变化不大,当注浆压力达到一定值,其对接触面峰值剪切应力提高效果较为明显;不同注浆和荷载工况下接触面抗剪强度增强系数介于1.1~2.0;浆液主要通过提高接触面等效黏聚力改善接触面力学特性,等效内摩擦角近似与未注浆接触面一致;接触面在未注浆工况下均发生剪缩,且最大剪缩量随着法向应力的增大而增大;后注浆能够转变较低法向应力下的接触面剪胀(缩)性;同一法向应力下,接触面最大剪胀量均随着注浆压力和注浆量的增大而增大,而最大剪缩量则随着注浆压力和注浆量的增大而减小.

玄武岩机制砂混凝土应力-应变关系研究

以云南某隧道废弃玄武岩生产的机制砂为骨料,制备标准棱柱体和立方体试件分别进行单轴抗压试验,分析其受力变形及破坏特性,得到其单轴受压状态下的抗压强度和应力-应变全过程曲线,并结合过镇海模型建立应力-应变关系和模量计算方法,通过开展数值模拟研究验证该应力-应变关系的准确性。结果表明:由于机制砂棱角较为明显,故断裂面或裂缝均出现在骨料和水泥砂浆交界处,破坏时混凝土试件两侧边缘位移较大,出现剥落现象,即呈现X型破坏;与常规河砂混凝土相比,受压破坏时玄武岩机制砂混凝土裂缝较多;随着玄武岩机制砂混凝土强度的增大,其脆性也逐渐增大;玄武岩机制砂混凝土立方体抗压强度试验和轴心抗压强度换算系数建议取0.76;结合过镇海模型建立的玄武岩机制砂混凝土应力-应变关系计算方法能够较好地反映其受力变形特性;拟合值和数值模拟结果较为接近,误差较小,计算结果较为合理。

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。

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。

基于X射线断层扫描术的黏性土-混凝土接触面剪切-渗流机理研究

高心墙堆石坝心墙和岸坡混凝土垫层接触部位错切变形大,常通过设置接触黏土来增强这一位置的变形协调性和抗渗透破坏能力。已有试验研究表明,黏性土和混凝土接触面一般在大剪切变形下的抗渗透破坏能力增强,但其机理尚不明确。本文对这一机理展开研究。对黏性土-混凝土接触面进行了一组剪切-渗流试验,并对其中一个试样在不同阶段于接触面附近取样,利用X射线断层扫描术(即XCT扫描)试验对其进行微观结构扫描。通过图像处理软件对试样进行三维结构重建,并提取了在试验过程中不同相对位移下接触面附近土样的表观孔隙率分布。通过对表观孔隙率的分布及XCT扫描的典型截面图像分析,研究了黏性土-混凝土接触面在一定固结压力下发生大剪切变形后抗渗能力增强的机理。

钢-玄武岩混杂纤维道面混凝土力学性能试验研究

结合道面混凝土的使用特点及要求,为提高道面混凝土的基本力学性能,对钢-玄武岩混杂纤维道面混凝土(steel-basalt hybrid fibers reinforced pavement concrete,简称SBHFRPC)的工作性及基本力学性能进行了比较系统的试验研究。试验通过对比分析研究了钢纤维以0.9%、1.2%、1.5%、1.8%四种体积掺率和玄武岩纤维以0.05%、0.10%、0.15%三种体积掺率相互混杂对机场道面混凝土抗折、抗压强度性能的影响规律,同时,对钢-玄武岩混杂纤维机场道面混凝土的基本力学增强机理进行了一定的分析。试验结果表明:混杂纤维对道面混凝土有较好的力学增强性能,在钢纤维掺量为1.5%,玄武岩纤维掺量为0.10%时达到最佳。

钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构非线性地震反应分析

钢-纤维复合筋是一种耐腐蚀、具有稳定二次刚度等特性的新型结构材料。开展了钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的非线性地震反应研究工作,由复合筋的应力-应变本构关系出发,利用修正Gauss-Radau积分法推导了杆件单元柔度矩阵,并用于框架结构非线性时程响应分析。参考现行规范设计了一个8度区的普通钢筋混凝土多层框架结构和一个对比钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构,比较了两个结构在相同地震输入下结构自振周期变化率、非线性时程响应和杆端出铰时间和位置等抗震性能指标。结果表明:在多遇和罕遇地震动输入下,配置钢-玄武岩纤维复合筋混凝土框架结构的最大弹塑性位移与层间转角等指标比普通钢筋的框架结构有所减小;在罕遇水准的地面运动输入下结构自振周期变化率小于RC框架结构,结构刚度退化和损伤程度更小;杆端出铰时间相对更晚、数量更少且更易形成梁铰塑性耗能机制。钢-玄武岩纤维复合筋可充分利用材料的强度,通过合理配置钢筋与玄武岩纤维的比例能够有效控制框架结构的塑性变形、减小结构残余位移,从而减小重力二阶效应对柱的不利影响,改善结构在大震下的性能,确保大震不倒的安全性能目标。

玄武岩纤维增强高掺量石粉-混凝土抗冻性能试验研究

为了研究冻融循环作用对玄武岩纤维增强高掺量石粉-混凝土力学性质的影响,通过冻融循环试验、无侧限抗压强度试验以及非线性超声波测试,研究了高掺量石粉对混凝土无侧限抗压强度的影响,在此基础上探讨了养护龄期、纤维掺量、纤维长度、冻融循环次数等参数对玄武岩纤维增强高掺量石粉-混凝土力学性质的影响。研究结果表明:冻融循环作用对混凝土的强度影响较大,而添加玄武岩纤维可以有效缓解混凝土在冻融循环条件下的强度损失,提高其抵抗冻融破坏的能力;在试验条件下,最优纤维掺量为5 kg/m^(3),最佳纤维长度为12 mm;另外,养护龄期的延长有助于提高混凝土的无侧限抗压强度,且同一冻融循环次数下,养护龄期为76 d的试块强度要高于养护龄期为28 d的试块;通过非线性超声波测试,得到试块的声波交流有效值随着冻融循环次数的增加而大幅度衰减,同一冻融循环次数下,掺入玄武岩纤维的试块的交流有效值略高于未掺入纤维的试块。对玄武岩增强高掺量石粉-混凝土在严寒地区的工程应用提供一定参考。

玄武岩-聚丙烯粗纤维混凝土管承载力试验研究

为改善素混凝土管易开裂、延性差等缺陷,基于纤维混凝土良好的抗裂性和耐久性,选用聚丙烯粗纤维和玄武岩纤维,设计了无纤维、单掺玄武岩纤维、单掺聚丙烯粗纤维及混掺玄武岩-聚丙烯粗纤维的四组混凝土管节,通过三点试验对比分析管节的开裂破坏形态、荷载-位移曲线和承载力,并建立纤维混凝土管节三点试验的数值模型,进一步探究聚丙烯粗纤维与玄武岩纤维对素混凝土管破坏形态和承载力的影响。结果表明,聚丙烯粗纤维可有效地改善混凝土管的破坏形态,提高混凝土管节的抗裂性能与承载能力,相比于无纤维管节,混掺玄武岩-聚丙烯粗纤维管B2P4的承载力提升了46.26%,效果最佳。此外,各组管节数值模拟结果与试验结果较为一致,承载力误差控制在5%以内,表明模拟合理。通过试验和数值模拟,获得提升混凝土管节抗裂性能和承载力的玄武岩-聚丙烯粗纤维的最佳掺量。

钢-玄武岩纤维复合筋混凝土梁受弯试验研究

为了解钢-玄武岩纤维复合筋(SBFCBs)混凝土梁的受弯性能,设计3组不同配筋率的SBFCBs混凝土梁和1组钢筋混凝土梁进行受弯试验,分析加载过程中SBFCBs混凝土梁的极限承载力、破坏形态、裂缝发展与分布、筋材应变、混凝土应变等梁的力学性能,并与钢筋混凝土梁试验结果进行对比。结果表明:钢筋外包玄武岩纤维可以显著提高梁体的极限承载力,玄武岩纤维含量比越大,SBFCBs混凝土梁的极限承载力越大;SBFCBs混凝土梁发生破坏之前产生明显的弯曲变形,梁的破坏形式趋于延性破坏;SBFCBs混凝土梁与普通钢筋混凝土梁相比,受弯后裂缝条数增多,裂缝间距较小,说明SBFCBs与混凝土粘结性能良好;SBFCBs混凝土梁的屈服应变约2000με,当内芯钢筋屈服后,复合筋外包玄武岩纤维可继续承担荷载;SBFCBs混凝土梁沿截面高度的平均应变符合平截面假定;SBFCBs混凝土梁的荷载~挠度曲线可分为三阶段,当复合筋内芯钢筋屈服后梁体具有明显的二次刚度。

玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管力学性能

针对实际工程中钢筋混凝土管节管壁易产生裂纹、影响工程质量问题,鉴于玄武岩纤维与粗聚丙烯纤维能够明显改善混凝土的抗拉、抗裂等力学性能,设计制作了一组普通钢筋混凝土管节B0P0和一组混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管节B2P4,进行室内三点试验,对比试验过程中两组管节的开裂破坏形态和荷载位移曲线,并利用ABAQUS软件建立钢筋混凝土管节数值分析模型,研究不同纤维配比和钢筋配置对钢筋混凝土管节受力性能的影响规律。研究结果表明:相较于B0P0,混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管节B2P4承载力提升了30.19%,管节表面裂缝宽度明显减小,阻裂增韧效果好;数值模型与试验结果的误差在5%以内,能够合理预测管节的破坏过程、荷载-位移曲线和极限承载能力,并通过数值模拟确定了混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维时的纤维最佳配比和合理钢筋配置。

钢丝-连续玄武岩纤维复合板加固混凝土梁研究

通过1根对比梁和3根钢丝-连续玄武岩纤维复合板加固钢筋混凝土梁的抗弯试验,从各阶段荷载、截面刚度、裂缝情况等方面对其抗弯加固性能进行了全面的比较分析。试验结果表明,加固构件的抗开裂荷载分别提高了49%、49%和33%;抗纵筋屈服时荷载分别提高了17%、20%和27%;承载能力分别提高了38%、45%和73%,显著提高梁的抗弯刚度和承载能力,并是一种性能良好且成本低廉的加固材料。