水泥路面板早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及測量方法研究

水泥混凝土路面早期固化翹曲和殘余應(yīng)力將導(dǎo)致水泥路面發(fā)生板頂-底開裂，但是在我國設(shè)計規(guī)范中并沒有考慮早期固化翹曲因素。本項(xiàng)目首先針對水泥混凝土早期收縮行為，借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，根據(jù)水泥混凝土毛細(xì)孔壓力收縮機(jī)理，建立了水泥混凝土內(nèi)部相對濕度變化和干縮變形的關(guān)系，開發(fā)了一種能夠測量水泥混凝土內(nèi)部相對濕度的試驗(yàn)裝置，并通過室內(nèi)和試驗(yàn)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可行性及可靠性。然后，針對水泥路面早期固化翹曲機(jī)理，分不同時間澆筑了多個大尺寸梁式試件，埋設(shè)了溫濕度傳感、應(yīng)變傳感等自澆筑開始為期15天的連續(xù)監(jiān)測，分析了環(huán)境溫度和濕度對其翹曲行為的影響機(jī)理，確定了早期翹曲計算方法和零應(yīng)力溫度梯度的確定方法，并通過有限元模型分析了早期固化翹曲對服役期水泥路面板開裂行為的影響。最后，針對早期固化翹曲在水泥路面板表面形成的殘余應(yīng)力問題，借鑒金屬工程中殘余應(yīng)力測量方法-鉆孔法，本項(xiàng)目提出了鉆環(huán)法測量水泥路面板表面殘余應(yīng)力的方法，建立了鉆環(huán)法的有限元計算模型，通過生死單元技術(shù)完成了鉆環(huán)前后水泥路面板表面應(yīng)力釋放的數(shù)值模擬分析，并通過不同工況的數(shù)值模擬分析提出了鉆環(huán)法測量水泥路面表面殘余應(yīng)力的合理參數(shù)，與美國機(jī)場道面研究中心完成的梁式結(jié)果對比檢驗(yàn)了有限元模型的準(zhǔn)確性，通過室內(nèi)小型尺寸水泥路面板的鉆環(huán)試驗(yàn)檢驗(yàn)了該方法的可行性。 本項(xiàng)目的研究成果解釋了水泥路面早期固化翹曲和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，與水泥路面的板頂-底實(shí)際開裂狀況有著密切聯(lián)系，為將來水泥路面設(shè)計規(guī)范的完善提供了依據(jù)。 2100433B

水泥混凝土路面板早期收縮變形受到內(nèi)部骨料和外部邊界約束后將導(dǎo)致早期固化殘余應(yīng)力和早期固化翹曲的發(fā)生，從而影響板的開裂行為。為此，本項(xiàng)目首先針對水泥混凝土早期收縮行為，開發(fā)能夠測量水泥混凝土內(nèi)部相對濕度的試驗(yàn)裝置，并基于毛細(xì)孔液面平衡方程建立相對濕度和內(nèi)應(yīng)力發(fā)展的細(xì)觀計算模型，分析水泥混凝土早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理；然后通過室內(nèi)大尺寸板試驗(yàn)研究水泥路面板內(nèi)相對濕度變化規(guī)律和板早期固化翹曲行為，在此基礎(chǔ)上建立邊界約束和非線性相對濕度梯度下水泥路面板翹曲計算模型，分析早期固化殘余應(yīng)力和翹曲對板開裂行為的影響；最后借鑒金屬工程中測量表面殘余應(yīng)力的方法，采用鉆環(huán)法測量水泥混凝土板表面殘余應(yīng)力，通過室內(nèi)試驗(yàn)和鉆環(huán)過程的數(shù)值模擬完成不同工況下的對比分析，驗(yàn)證測量方法的可行性。.本研究有助于解釋水泥混凝土早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，提出并驗(yàn)證鉆環(huán)測量方法的可行性，為水泥混凝土路面設(shè)計方法的完善提供依據(jù)。

復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力模型是描述復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化溫度、時間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

中文名稱

復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力模型

英文名稱

residual stress model of composite

定　　義

描述復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化溫度、時間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），復(fù)合材料（二級學(xué)科），增強(qiáng)體（三級學(xué)科）

1.盲孔法殘余應(yīng)力測量

它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應(yīng)力場上鉆孔 ，以去除一部分具有應(yīng)力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內(nèi)的應(yīng)力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應(yīng)力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或應(yīng)變，通過高靈敏度的應(yīng)變儀，測量鉆孔后的應(yīng)變 量，就可以計算原應(yīng)力場的應(yīng)力值。

殘余應(yīng)力檢測儀主要采用盲孔法進(jìn)行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究，還可作為在靜力強(qiáng)度研究中測量結(jié)構(gòu)及材料任意點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器。如果配用相應(yīng)的傳感器，也可以測量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。它以計算機(jī)為中央微處理機(jī)，采用高精度測量放大器、數(shù)據(jù)采集和處理器，測量中無需調(diào)零，可直接測出殘余應(yīng)力值的大小及方向，實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力測量的自動化。

2.磁測法殘余應(yīng)力測量

磁測法殘余應(yīng)力檢測法主要是通過磁測法來測定鐵磁材料在內(nèi)應(yīng)力的作用下磁導(dǎo)率發(fā)生的變化確定殘余應(yīng)力的大小和方向。眾所周知，鐵磁材料具有磁疇結(jié)構(gòu)，其磁化方向?yàn)橐状呕S向方向，同時具有磁致伸縮性效應(yīng)，且磁致伸縮系數(shù)是各向異性的，在磁場作用下，應(yīng)力產(chǎn)生磁各向異性。磁導(dǎo)率作為張量與應(yīng)力張量相似。通過精密傳感器和高精度的測量電路，將磁導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出電流（或電壓）值來反映?yīng)力值的變化，并通過裝有特定殘余應(yīng)力計算機(jī)軟件的計算機(jī)計算，得出殘余應(yīng)力的大小、方向和應(yīng)力的變化趨勢。

3.X射線衍射法殘余應(yīng)力測量

在各種無損測定殘余應(yīng)力的方法之中，X射線衍射法被公認(rèn)為最可靠和最實(shí)用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了七十余年的進(jìn)程，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)，取得了卓著成果。

X-射線應(yīng)力測定儀是一種簡化和實(shí)用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項(xiàng)附加的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件，而且能夠針對同一點(diǎn)以不同的φ角、Ψ角進(jìn)行測試,以探測織構(gòu)的影響，這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。

鉆孔灌注樁存在因泥皮降低側(cè)阻與沉渣降低端阻及承載力離散等問題，故灌注樁后注漿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但目前對灌注樁注漿后帶來樁端持力層的加固作用、殘余應(yīng)力等方面缺乏研究，同時對樁基的破壞方式與破壞機(jī)理缺乏系統(tǒng)研究。本課題采用室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)、 現(xiàn)場注漿試驗(yàn)、現(xiàn)場靜載試驗(yàn)、鉆孔取芯觀測及理論建模研究相結(jié)合的方式，對樁端后注漿過程中漿液擴(kuò)散、樁端加固作用、殘余應(yīng)力及破壞機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了注漿對土層物理力學(xué)參數(shù)的影響、砂土漿液的可注入性的影響因素以及漿液在不同土體中的壓濾、壓密和劈裂效應(yīng)及其發(fā)展規(guī)律；通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究樁端后注漿殘余應(yīng)力及變化規(guī)律、樁端后注漿殘余應(yīng)力對樁基承載力的影響以及樁端后注漿破壞方式和破壞機(jī)理；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了后注漿過程中滲透注漿、壓密注漿模型，水泥漿液壓濾模型以及樁端殘余應(yīng)力模型等內(nèi)容。課題研究結(jié)果很好的解決了樁端后注漿過程中的關(guān)鍵難題，為后注漿的推廣應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。 2100433B