硬岩矿山巷道在机械冲击凿岩和炸药爆破的动力扰动作用下极易发生冒顶片帮和岩爆等动力灾害, 研究巷道变形破坏机理的动载效应意义重大。为了弄清动力扰动下巷道围岩的力学行为, 将硬岩巷道简化为岩石力学孔口问题, 采用50 mm杆径的改进型霍普金森压杆实验系统对系列含孔洞板状砂岩进行了冲击加载实验, 探索孔洞尺寸和形状对岩石动态力学参数、破坏模式及能量耗散特征的影响。研究结果表明: 孔洞的存在对岩石的动态强度、动态弹性模量和峰值应变均具有显著的弱化作用。随着孔洞尺寸的增大, 岩石动态力学特性参数显著降低; 不同孔洞形状中, 方形孔洞试样的动态强度和峰值应变最大, 紧接着是马蹄形孔洞和圆形孔洞试样, 而它们的弹性模量大小呈现相反的结论。岩石破坏形态方面, 冲击作用下完整岩石和孔洞岩石分别发生劈裂拉伸破坏和拉剪破坏。另外, 马蹄形孔洞试样能耗密度和分形维数同比最大, 分别为1.94 J/cm3和2.11 J/cm3, 表明其破坏过程最为剧烈, 而圆形和方形孔洞试样的破碎块度相差不大。该研究成果科学揭示了硬岩巷道围岩破裂特征, 为硬岩巷道支护设计和岩石灾变防治奠定了重要理论基础。

地聚物是通过化学激发生成的具有低碳属性的新型胶凝材料, 具有部分取代水泥的巨大潜力。本文通过压汞试验表征了偏高岭土-矿渣地聚物净浆及砂浆的孔隙结构, 分析了液固比、砂体积分数等因素对孔结构特性的影响, 明确了孔结构特性与面分形维数的相关性。采用氯离子非稳态电迁移试验、非稳态自然扩散试验和水分扩散试验, 研究了偏高岭土-矿渣地聚物净浆与砂浆的抗渗透性能, 分析了液固比、砂体积分数及孔面分形维数与浆体介质传输性能的相关性。结果表明: 随着液固比增大, 地聚物净浆的孔隙率和最可几孔径均增大, 抗渗透性能降低; 地聚物砂浆的抗渗透性能优于水泥砂浆, 砂体积分数增加时, 地聚物砂浆的最可几孔径和介质传输系数均先减小后增大, 抗渗透性能先增强后减弱; 孔面分形维数能较好地表征地聚物浆体孔结构特性, 并与抗渗透性能相关性良好。

为改善轻质混凝土匀质性, 提升轻质混凝土力学性能, 本文通过建立Herschel-Bulkley(H-B)塑性黏度计算模型, 探究了发泡浆体流变特性对泡沫沉降和浆体中陶粒分布的影响。结果表明: 随增稠剂掺量的增加, 轻质混凝土发泡浆体的屈服应力和基于非线性H-B模型ηH-B=0.016 67K(80n-20n)(ηH-B为H-B模型得出的发泡浆体塑性黏度;K为一致性系数; n为流动指数)得到的塑性黏度增大, 导致发泡浆体沉降距下降, 陶粒在浆体中的分形维数提高; 当发泡浆体塑性黏度大于1.74 Pa·s、屈服应力大于92.87 Pa时, 可制备抗压强度大于10 MPa的轻质混凝土。由此可见, 优化发泡浆体流变特性是克服陶粒在发泡浆体中易上浮问题的关键, 可有效改善轻质混凝土匀质性, 提升轻质混凝土力学性能。

为研究钢纤维混凝土损伤破坏过程和裂纹发展演化机理, 基于分形理论和扩展有限元法, 建立钢纤维混凝土立方体抗拉试验细观有限元模型和切口梁三点弯曲试验有限元模型, 以相关试验测试结果为基础, 比较验证了所建有限元分析模型的可靠性。以裂纹分形维数表征钢纤维混凝土损伤演化过程, 考察不同钢纤维体积掺量和长度、粗骨料形状等重要因素对钢纤维混凝土损伤演化过程的影响。结果表明, 基于裂纹分形维数的损伤值可以较好地反映钢纤维混凝土的损伤演化过程及特征, 钢纤维体积掺量、长度的增加和骨料形状的不规则化会延缓钢纤维混凝土立方体试件的损伤演化过程, 钢纤维体积掺量、初始裂纹距跨中距离的增加和初始裂纹缝高比的减小可在较小程度上延缓钢纤维混凝土切口梁的损伤演化过程。

为探究纤维在碱激发材料中的作用机制，采用2种不同长径比、6个不同体积掺量的聚丙烯纤维(PPF)、2种水胶比制备共计26组纤维增强碱激发砂浆(FRAAM)，研究纤维增强指数(I)对FRAAM工作性、密实度、强度、裂缝分形维数的影响。结果表明：纤维和水胶比对FRAAM塑性黏度的影响比对屈服应力的影响更加显著。当I小于临界I (Ic)=100时，纤维的影响可以忽略，纤维间的距离较远，FRAAM的工作性基本不受影响，但此时纤维也难以阻裂增韧，PPF对碱激发砂浆和水泥砂浆的增韧作用差异不大。当I介于Ic=100和致密I (Id)=350之间时，FRAAM的抗折强度、抗压强度、折压比及裂缝分形维数均得到显著提高，PPF对碱激发砂浆的增韧作用开始优于水泥砂浆，且FRAAM仍可自由流动。当I大于Id=350时，显著的纤维结团会极大劣化FRAAM的工作性，硬化后FRAAM密实度变差，抗压强度降低。PPF-FRAAM在松散堆积状态和紧密堆积状态下的I阈值分别为100和350，PPF的最优体积掺量在100/(长径比，l/d)～350/(l/d)之间。

为探究短切碳纤维(CFs)对混凝土内部孔结构微观特征的影响规律, 制备体积掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.5%的短切碳纤维增强混凝土(CFC)试件, 采用压汞法(MIP)分析各组试件内部孔结构特性, 并引入分形理论对孔径分形规律展开进一步探讨。结果表明: 掺入适量的CFs可有效降低混凝土总孔隙量和平均孔径, 且掺量为0.1%时改善效果最佳; 混凝土内部孔径具有显著的分形特性, 各组试件ln(Wn/r2n)、ln Qn曲线拟合相关系数R2均在0.996以上, 斜率可作为孔表面积分形维数(Dp); 随着CFs掺量的增加, Dp先减小后增大, 且Dp越大, 平均孔径越大, 进一步验证了CFs对混凝土内部结构的改善规律。

氯离子扩散系数是研究海洋环境下混凝土结构耐久性的重要参数之一。通过开展不同水胶比混凝土的压汞试验和盐雾扩散试验,研究了混凝土内部孔隙率、孔径分布及临界孔径对氯离子扩散系数的影响规律。结合Menger海绵体模型, 建立孔体积分形维数与氯离子扩散系数的关系。结果表明: 孔隙率和临界孔径与无量纲化氯离子扩散系数的相关性很高, 可作为反映混凝土氯离子扩散性能的重要参数; 通过数学分析计算得到的孔表面分形维数分布在2.56~3.86之间, 孔体积分形维数分布在2.85~2.98之间; 基于压汞法和分形理论计算得到的孔体积分形维数可以作为评价氯离子扩散系数的指标, 在孔径小于10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm以及大于1 000 nm四类区间, 氯离子扩散系数随孔体积分形维数的增加而下降。

混凝土梁在受弯过程中表面裂缝分布及演化的宏观特征可以反映其受弯性能, 本文基于不同废旧轮胎钢纤维(WTSF)取代率的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁受弯试验结果, 利用分形理论分析试验梁表面裂缝开展情况。结果表明, BFRP筋混杂钢纤维超高性能混凝土梁表面裂缝分布具有分形特征, 满足自相似性, 分形维数的变化区间为［0.892,1.064］。探讨了梁表面裂缝分形维数与施加荷载值、WTSF取代率、跨中挠度和最大裂缝宽度之间的关系, 并分别拟合了WTSF取代率与完全破坏状态下全梁区和纯弯段分形维数的函数关系。分形维数与施加荷载值、跨中挠度和最大裂缝宽度均呈对数函数关系, 完全破坏状态下, WTSF取代率变大会增大梁表面裂缝的分形维数, 但总体来说不利影响并不明显, 研究结果可为超高性能混凝土的工程实际应用提供参考。

针对目前奇异值分解降噪算法中有效秩阶次的确定存在说服力不足、工程应用困难的问题, 提出一种利用噪声特征的新方法。首先运用相空间重构获得奇异值序列; 其次求出各点对应的滤除信号分形维数; 最后结合实际噪声分形维数判断最佳有效秩阶次。仿真算例证实了该方法的有效性, 并与两种典型算法进行了对比, 着重说明了充分利用噪声特征这一要素所带来的好处, 给出了算法随信噪比的性能变化。