建筑科学与工程学报

黄土湿陷特性及其改性方法研究进展

2024年03月30 00:00

为了减小黄土湿陷性引起的一系列地质灾害方面的危害,对现阶段黄土湿陷性的研究成果进行了梳理和分析,总结了黄土湿陷微观研究中3种主流研究方法取得的部分重要成果,剖析了国内外黄土湿陷的评价方法及其侧重差异,归纳了湿陷性黄土的改性方法,并对未来黄土湿陷微观机理和湿陷性评价的研究进行了展望。结果表明:黄土湿陷的根本原因是其本身具有独特的架空结构,黄土遇水后架空结构中的部分黏粒发生水化膨胀导致颗粒滑移且随着含水率达到阈值,黄土结构中连接薄弱处将首先发生破坏,因此其稳定性受含水率的影响显著; 目前基于多元线性回归法、偏最小二乘法等方法建立了许多关于黄土湿陷性和各项物理指标、土层埋深以及微观结构参数之间关系的湿陷性评价理论; 针对黄土湿陷量计算值和实测值之间的差异,学者提出了修正系数、湿陷性土不连续分布效应系数等参数进行修正; 湿陷性黄土的改性方法可以分为物理改性和化学改性两类,浸水法、深层强夯法等物理改性方法通过使土的孔隙结构和颗粒排列方式发生改变进而实现改性,而化学改性加固中添加的各类固化剂会同黄土中的水和可溶性盐类发生一系列反应,增加黄土中的黏粒和胶结物含量,进而实现对黄土各项性质的改善。

FRP筋增强海水海砂混凝土材料与构件耐久性能综述

张凯建,王琳 — 2024年03月30 00:00

将纤维增强复合材料(FRP)应用在海水海砂混凝土(SSC)中可避免氯离子引起的钢筋腐蚀,但FRP增强海水海砂混凝土(FRP-SSC)结构在恶劣环境中仍存在耐久性问题。依据现有文献研究成果,梳理了海洋环境下FRP筋、SSC以及FRP-SSC构件的耐久性。结果表明:在混凝土的碱性环境以及海水海砂中盐离子的共同作用下,FRP筋的力学性能退化程度与变异性提高,FRP筋与SSC的黏结强度降低; 海水和海砂中盐离子的引入加快了水化反应,提高了SSC的密实度与耐久性,提高了SSC的耐久性; 海洋环境作用导致FRP筋力学性能退化及FRP筋/钢-FRP复合筋(SFCB)与SSC的黏结强度降低,削弱了SSC构件承载力,改变了构件破坏模式,SSC构件承载力随再生粗骨料(RCA)取代率提高而降低; 建议以FRP筋与SSC力学性能变异性量化和基于时变可靠度的构件设计方法作为今后进一步研究的方向。

基于改进MGM(1,1)模型的再生混凝土疲劳寿命预测

2024年03月30 00:00

准确预测再生混凝土(RC)疲劳寿命对其应用于路面及桥梁等项目具有重要意义。在灰色马尔科夫模型(MGM)的基础上,引入新陈代谢理论不断更新原始数列中的疲劳寿命数据,并结合粒子群算法优化状态区间的取值,提高其预测精度以适应混凝土疲劳寿命预测,再以不同应力水平的RC疲劳寿命试验结果作为原始数据,建立了基于改进的灰色马尔科夫模型的RC疲劳寿命预测模型,并对改进前后模型的精度以及预测结果进行对比分析。结果表明:RC疲劳寿命N服从两参数威布尔分布; 将预测值从lg(N)转化为疲劳寿命后进行误差分析可知,应力-疲劳寿命(S-N)曲线的预测精度较低,最大相对误差达到201.43%; MGM(1,1)模型相比于S-N曲线预测精度有所提升,但平均相对误差仍达到102.20%; 经两种算法理论改进后的MGM(1,1)模型预测精度有较大的提高,平均相对误差仅为5.62%; 引入其他文献试验数据进行验证并与原文献中模型进行对比分析发现,改进MGM(1,1)模型的误差波动幅度小且平均误差小于原文献中模型,平均相对误差仅为1.01%,说明改进的MGM(1,1)模型在对RC疲劳寿命预测上具有更高的精确度与可靠性。

不同恒温时间下疏浚砂砂浆力学及微观性能

2024年03月30 00:00

为了对不同恒温时间下不同疏浚砂掺量砂浆的特性进行研究,选取恒温时间(4、8、12、16 h)、疏浚砂掺量(0%、15%、50%)为试验变量,利用长江下游疏浚砂替代机制砂制备了15组试件进行试验,根据试验结果分析了不同恒温时间对不同疏浚砂掺量砂浆抗压性能及微观结构的作用机理。结果表明:当疏浚砂掺量为0%和50%时,随着恒温时间增加,后期抗压强度先增大后减小,恒温时间为8 h时最大; 当疏浚砂掺量为15%时,随着恒温时间增加,后期抗压强度逐渐减小,恒温时间为4 h时最大; 恒温时间越长,蒸养损伤越大,不利于后期强度发展,不同疏浚砂掺量下变化规律不同; 随着疏浚砂掺量增加,后期抗压强度先增大后减小,疏浚砂掺量为15%时最大; 掺入疏浚砂对砂浆抗压强度有一定的优化作用,粒径极小的疏浚砂颗粒能有效填充砂浆中的孔隙缺陷,特别是经过蒸养损伤过后的砂浆,蒸养条件下疏浚砂的优化作用被放大,疏浚砂砂浆的抗压强度得到了进一步提升,疏浚砂对蒸养砂浆抗压强度的提升远大于标养砂浆,且恒温时间越长,抗压强度提升越明显; 在恒温时间为4～8 h、疏浚砂掺量为15%的情况下,能制备出性能不低于纯机制砂砂浆的蒸养疏浚砂砂浆。

组合梁栓钉对高性能混凝土约束收缩效应研究

2024年03月30 00:00

为探究高性能混凝土在栓钉约束作用下的收缩特征及开裂行为,制作了钢-混凝土组合构件,通过试验研究了不同栓钉因素对高性能混凝土约束收缩应变、约束度及开裂风险的影响规律,运用正交试验方法研究了栓钉直径、间距、高度对高性能混凝土约束收缩的影响,得到了主要敏感因素。结果表明:高性能混凝土较普通混凝土的约束收缩应变发展趋势更为平滑; 各栓钉因素对约束收缩的敏感性影响的主次顺序依次为直径、间距、高度; 混凝土收缩在组合梁高度方向上呈现出一定的收缩梯度,混凝土约束收缩应变随高度增加而增大,但栓钉高度在30 mm处、间距在75 mm处、直径在150 mm处对高性能混凝土约束收缩几乎没有影响; 栓钉对混凝土的约束作用可定义为3个阶段,即约束增强阶段、约束下降阶段和约束稳定阶段; 组合梁构件最大开裂风险发生在栓钉的根部,当栓钉间距由150 mm减少到75 mm,直径由13 mm增加到22 mm时,最大开裂风险分别增加了20.03%和36.05%,栓钉高度的改变对最大开裂风险没有影响; 采用高性能混凝土以及直径小、高度高的栓钉布置方式可以有效减小混凝土的收缩及开裂风险。

纵向钢筋C型卡槽连接单向拉伸力学性能

2024年03月30 00:00

为提高装配式纵向钢筋连接的施工效率,提出了C型卡槽连接方式,制作9个连接件并进行单向拉伸试验,观察其破坏形态,研究试件荷载-位移曲线、应变发展过程,分析不同锚固板直径对连接件连接性能的影响; 基于混凝土局部受压计算公式,推导出C型卡槽连接钢筋的承载力计算公式,并给出不同锚固板直径与带锚固板钢筋直径的适配表。结果表明:锚固板直径为43 mm和48 mm的连接件发生带锚固板钢筋拉断破坏,荷载-位移曲线与单根钢筋拉伸的荷载-位移曲线相似,均能满足JGJ 107—2016和ACI 318对接头的强度要求; 锚固板直径为38 mm的连接件是依据JGJ 256—2011选取锚固板直径,试验过程中发生带锚固板钢筋拔出破坏,证明按照规程取值,锚固板直径偏小,无法满足连接要求; 锚固板直径为38 mm的连接件其荷载-位移曲线呈现波浪形,承载力虽小于前两者,但仍具有较好的延性和较高的残余承载力; 所有连接件的C型卡槽在整个受力过程中应变值较小,始终处于弹性阶段,C型卡槽环向应变表现为压应变,C型卡槽连接钢筋承载力的理论计算结果与试验结果相符。

CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

2024年03月30 00:00

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的不同损伤程度的钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验,以冲击高度、加固层数为试验参数分析CFRP加固损伤试件的裂缝发展、破坏形态及抗冲击性能,并研究试件在冲击荷载下的动力性能。结果表明:试件损伤程度越高,其斜向裂缝发展越密集,试件的破坏程度越严重; 落锤冲击高度越高,裂缝发展越趋近于跨中局部化; 当采用多层CFRP布加固损伤试件时,试件在落锤冲击作用下保持较好的完整性,仅外部混凝土粉碎掉落; 随着CFRP布粘贴层数的增加,试件整体产生弯剪破坏,损伤试件加固修复后的抗冲击能力及刚度相较于完好试件得到显著提升,提升幅度为70%～72%,但增加CFRP布粘贴层数对试件的加固修复效果提升作用有限,且加固效果与抗冲击能力并非呈线性关系; 基于有效应变计算的结果可知,采用CFRP布加固修复不仅仅具有加固补强的作用,同时能够在一定的程度上改善试件的整体抗冲击性能。

装配式地连墙接缝变形特性研究

2024年03月30 00:00

为了研究接缝对装配式地连墙变形特性的影响并采取合理的改进措施,采用现场试验的方法将局部现浇地连墙替换为装配式地连墙,并对其实测的变形数据进行了对比分析; 在实测数据分析的基础上,通过PLAXIS2D有限元软件模拟分析了不同深度横向接缝对装配式地连墙变形特性的影响规律; 通过PLAXIS3D有限元软件对比了现浇墙与装配式地连墙水平方向及竖直方向变形形态,分析了竖向接缝对装配式地连墙变形特性的影响规律; 最后,针对实测数据显示出的变形偏大问题,提出了改变冠梁刚度、围檩刚度、墙幅宽度、支撑位置4种改进措施,并通过PLAXIS3D有限元软件进行了验证。结果表明:装配式地连墙的接缝对墙体的刚度存在弱化作用,增大了其变形程度; 位于坑底以上的横向接头失效时,墙体水平位移会显著增大,位于坑底以下的横向接头失效时,不会引起墙体水平位移的显著增大; 竖向接头会显著减小装配式墙体的整体刚度,使其协同变形能力变差,变形更加难以控制; 适当调节支撑位置可有效缓解墙幅间的错动和减小墙体变形。

钢桥表面相对湿度的边界条件计算方法

2024年03月30 00:00

表面相对湿度是决定钢桥腐蚀速度的重要因素,精确计算表面相对湿度的关键在于选取合适的温度场边界条件,因此进行了拱肋模型相对湿度测试试验,利用有限元分析软件ABAQUS的DFLUX与UVARM子程序实现了钢桥表面相对湿度计算,并对比分析了不同太阳辐射、辐射换热及对流换热的计算方法对钢桥表面相对湿度模拟结果的影响。结果表明:太阳辐射强度对表面相对湿度的影响主要集中在日出、日落时段,采用Hottle模型计算的日总太阳辐射偏大,导致表面相对湿度偏低,建议使用实测太阳辐射数据计算太阳辐射热流密度; 天空及地面的辐射换热对表面相对湿度的影响不容忽视,利用简单的大气辐射换热替代天空、地面辐射换热,会导致结构吸收热量增加,表面相对湿度显著减小,建议在计算辐射换热热流密度时考虑天空温度、地面温度的影响; 白天对流换热对结构有降温作用,促使表面相对湿度升高,夜晚对流换热作用对结构有升温作用,促使表面相对湿度降低,目前对流换热系数计算方法多基于混凝土结构开展,后续可进行适用于计算钢桥表面相对湿度的对流换热系数研究。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

李宇,冯朴,李加武,付曜 — 2024年03月30 00:00

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显; 当风向角为75°～90°时,超高桥塔将在风速为35～50 m?s^-1的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小; 基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

基于图像三维重建的隧道喷射混凝土回弹率测定方法研究

2024年03月30 00:00

针对复杂隧道施工环境下如何快速、准确测量喷射混凝土回弹率的问题,基于机器视觉三维重建技术中的主要理论和算法,提出了一种新的隧道喷射混凝土回弹率测定方法。该方法通过坐标标记版和手持相机快速采集图像,基于运动恢复结构(SFM)算法、基于面片的密集匹配(PMVS)算法与三角剖分原则实现隧道实际开挖轮廓及初支内轮廓的三维曲面网格模型的建立; 通过网格射线法,将隧道实际开挖轮廓与初支内轮廓三维网格模型进行空间差值求解,获得初支实际有效的喷射混凝土体积; 最后,结合实际喷射混凝土总用量,完成喷射混凝土回弹量的测定,并以郑万高铁巴东隧道为依托进行现场试验与应用。结果表明:所提方法测得的喷射混凝土回弹率比传统现场称重法测试结果更为合理,准确性更高,说明该方法能够较好地实现喷射混凝土回弹率的测试; 在现场应用中,结合喷射混凝土回弹率的测试结果提出的降低回弹率的施工质量控制建议,现场采用后施工良好,保证了隧道施工质量; 该测定方法简便高效、成本低、不干扰施工,具有较好的工程应用价值。

浅埋暗挖交叉相贯隧道施工力学行为试验研究

2024年03月30 00:00

为完善浅埋暗挖交叉相贯隧道在施工过程中的受力形式及变形特征,依托青岛某地铁工程,根据所选地铁车站的地质条件及衬砌结构特点浇筑衬砌模型并配制围岩相似材料,利用模型试验对采用全断面法在Ⅴ级围岩环境下进行的风道和车站主体开挖过程的力学行为展开研究,并从隧道衬砌结构变形及地层内部位移变化规律两方面分析了浅埋暗挖交叉相贯隧道全断面开挖施工的力学行为。结果表明:对于交叉相贯位置处的隧道结构,已有隧道结构将改变后续施工隧道衬砌结构应变最大值及其出现位置; 位于交叉相贯隧道结构附近不同象限内的围岩分别处于水平变形累加区和往复区; 地表竖向变形最大点位于后续施工的车站上方且与交叉相贯位置存在一定距离,而在交叉相贯位置处的地表竖向变形值稍小; 模型试验明确了交叉相贯隧道在施工过程中围岩及衬砌结构的变形特征,给出了隧道结构地表最大变形与施工步序间的时空关系; 研究结果可为相关交叉相贯隧道结构的施工及设计提供依据。

急曲线电力盾构隧道侧穿桥桩扰动特性研究

2024年03月30 00:00

为探究急曲线电力盾构隧道施工对邻近桥梁桩基受力特性的影响,以转弯半径50 m的急曲线电力盾构隧道为例,建立不同水平净距下急曲线隧道侧穿桥桩的三维有限元模型,分析隧道和桥桩的水平净距对桩基变形和受力特性的影响。结果表明:数值模拟的地表沉降值与Peck公式理论值的计算相对误差在4%～19%之间,属于正常范围,说明数值计算结果是可靠的; 当水平净距从3.6 m减小到1.2 m时,桩基的竖向变形值和横向变形值均增大,增率分别为143.24%和55.56%,同时最大轴力和最大弯矩分别增大了2.08倍和3.00倍; 隧道埋深处曲线内侧的桩基附加弯矩最大,受力最不利,施工过程中应重点监测; 墩柱在净距为1.2 m时的差异沉降值为0.32 mm,倾斜率为0.014%,均小于规范允许值。

双线盾构隧道开挖对临近桥桩的影响规律研究

梁涵 — 2024年03月30 00:00

为了研究盾构隧道近距侧穿既有桥桩产生的影响,基于呼和浩特地铁1号线侧穿鼓楼立交桥桩工程实例,借助ABAQUS进行数值建模,采用Mohr-Coulomb弹塑性理论,对桩长、桩径、隧道埋深和桩顶荷载等影响因素进行了对比分析。结果表明:在隧道开挖土体扰动的影响下,随着桩长、桩径和桩顶荷载的增加,3根桩的水平位移都逐渐降低,Ⅰ号桩和Ⅲ号桩的桩身弯矩都逐渐增加; 因Ⅱ号桩位于双线隧道之间,在开挖过程中桩身弯矩受到左右两线隧道开挖产生的叠加效应而相互抵消,使其桩身弯矩不呈规律性变化; 随着隧道埋深的增加,3根桩的水平位移均未产生规律性变化,但桩身弯矩显著增加,且桩身弯矩最大值位于隧道埋深范围内; 当隧道埋深较浅时,其开挖影响范围较小,对临近桩的影响也较小; 注浆加固可有效控制隧道开挖过程中桩基的水平位移和地面沉降,但桩基水平位移的控制效果随着盾构隧道与桩基间净距的减小而逐渐降低。

寒区隧道围岩温度场分布特征及影响因素分析

2024年03月30 00:00

中国高纬度、高海拔地区的隧道数量越来越多,在隧道实际运营过程中发生了不同程度的冻害,给隧道结构及公共交通带来隐患,因此冻害防治刻不容缓。通过建立寒区隧道三维传热模型,对寒区隧道温度场分布规律进行研究,讨论了初始地温、围岩密度、导热系数及比热容对温度场的影响,并对其影响程度进行了比较。结果表明:洞外低温空气是引起隧道内温度场发生显著变化的主要因素,导致隧道围岩出现径向变温圈,在自然风作用下(2 m?s^-1,-10 ℃),初始地温为10 ℃的隧道围岩变温深度达到了8 m; 初始地温对运营期的隧道温度场有着直接影响,初始地温每升高5 ℃,运营期围岩温度增大2.5 ℃; 隧道围岩温度与围岩比热容、密度呈正相关,但与导热系数的关系和隧道径向距离有关,径向距离小于1.3 m时,呈正相关,反之呈负相关; 采用灰色关联分析法得到的隧道温度场的影响敏感性从大到小排序依次为初始地温(1)、围岩密度(0.74)、围岩导热系数(0.71)、围岩比热容(0.68),可见初始地温对温度场的影响最大。

穿越断层带隧道结构动态力学特性试验研究

2024年03月30 00:00

为了揭示隧道穿越断层期间结构力学响应特性,通过室内模型试验研究断层倾角为45°、60°、75°时采用台阶法进行开挖施工的围岩压力、围岩位移和衬砌应力变化情况。结果表明:断层倾角越大,围岩压力值越高,断层倾角为75°、60°时围岩压力分别为45°的1.169倍、1.089倍; 拱部围岩压力影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径; 断层倾角越大,围岩径向位移值越高,断层倾角为75°、60°时径向位移达45°的1.112倍、1.057倍; 拱部围岩位移影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径; 由于存在断层结构,隧道开挖后形成较大松散压力,衬砌结构呈“扁坦式”受力状态,边墙位置衬砌应力最大,拱顶、拱腰处次之; 断层倾角越大,衬砌应力值越高,第一施工循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.176倍、1.079倍,拱腰处为1.187倍、1.089倍,边墙处为1.169倍、1.082倍; 第二循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.136倍、1.067倍,拱腰处为1.158倍、1.075倍,边墙处为1.156倍、1.077倍。

黄土抗剪强度参数均值与方差的Bayes估计及其应用

2024年03月30 00:00

为解决黄土强度参数估计问题,从工程勘察项目中共收集统计了3 384组Q₁、Q₂、Q₃黄土强度参数黏聚力c、内摩擦角φ值的测试数据,不考虑二者的相关性,将参数均值和方差都作为随机变量,建立起黄土强度参数c、φ的正态-逆伽马先验分布。基于Bayes理论,利用共轭先验法推导了参数后验分布和后验概率密度函数的期望值求解公式,确定了估计的误差。以陕西泾阳黄土边坡为例,利用所建立的先验分布和边坡土层测试强度指标,求取参数的后验分布,进一步估计了边坡失效概率的概率分布和稳定系数均值的概率分布。结果表明:在95%的置信度下,按稳定系数评价,边坡均处于基本稳定状态,且稳定系数置信区间小; 按失效概率评价,边坡接近稳定状态,但失效概率的置信区间较大,黄土强度参数的方差控制着边坡失效概率的置信区间,将方差作为随机变量,考虑方差变异性,能更科学地评估黄土工程的可靠度。

地面超载下摩擦单桩负摩阻力的连续介质力学解

2024年03月30 00:00

针对地面超载引起的摩擦单桩负摩阻力,提出了一种基于桩土相互作用和连续介质力学的竖向位移模型来模拟桩土系统位移,模型中包含了桩土轴线位移函数和沿径向的衰减函数; 采用变分法得到了桩土系统的总势能,从而得到了位移模型中桩土位移和衰减函数的耦合控制方程; 利用迭代法求解了这两个耦合函数,得到了桩身轴力、中性面、负摩阻力、下拉力和土弹簧等效刚度等关键参数的数学表达式; 通过和原位试验及已有理论结果的对比,验证了所提方法的正确性。结果表明:桩土模量比对桩的负摩阻力和下拉力有显著影响,中性面位置与长细比密切相关,而与桩土模量比关系不大; 随着桩土模量比增大和桩长细比减小,桩身同一位置处轴力增长明显,但增长速率变缓; 地面超载作用下桩周土体位移最大沉降出现在地表处,且地表以下0.3倍桩长范围内为位移强烈影响区; 桩长细比和桩土模量比的增加均会使桩周土体位移场影响范围增大。

开挖顺序及内支撑早期刚度对软土基坑稳定性影响规律

2024年03月30 00:00

深基坑开挖变形控制是软土基坑工程的难题,工程中常采用密集的混凝土内支撑来提高支撑刚度,然而实际工程中未能合理考虑软土深基坑的开挖顺序和混凝土内支撑早期刚度影响,往往导致基坑实际变形远大于设计值。结合珠三角水资源配置工程的软土深基坑,利用验证后的数值模拟方法研究了不同开挖顺序及混凝土内支撑早期刚度对基坑受力和变形特性的影响规律,得出了分层分区非对称开挖和对称开挖对地连墙水平位移和地表沉降的影响规律。结果表明:尽管非对称开挖会造成基坑两侧的地连墙位移和地表沉降差异,但是密集内支撑条件下非对称开挖比对称开挖对于基坑周围地表沉降和地连墙水平位移影响更小并能够大量节约工期; 受混凝土内支撑早期刚度影响,施作内支撑后越早进入下一步开挖,地连墙水平位移和周围地表沉降越大; 考虑内支撑早期刚度影响时基坑上部的内支撑轴力会增大,而下部的内支撑轴力会减小,早期刚度越小,这种趋势越明显; 现场施工时难以实时动态监测混凝土的弹性模量,极易造成内支撑轴力的早期监测数据失真,甚至给工程带来错误决策。