深厚表土環(huán)境中RC井壁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化規(guī)律及壽命預(yù)測(cè)研究.pdf

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的退化是在自然環(huán)境與力學(xué)環(huán)境多種因素耦合作用下進(jìn)行的，是一個(gè)非常復(fù)雜的交互影響與相互疊加的過程，也是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度降低與壽命縮短的根本原因。本文采用理論分析、工程實(shí)測(cè)、物理試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)深厚表土環(huán)境主要特征、高強(qiáng)混凝土材料性能退化規(guī)律、井壁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化規(guī)律、井壁結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)及壽命預(yù)測(cè)與井壁結(jié)構(gòu)防治技術(shù)進(jìn)行研究分析，旨在為理論設(shè)計(jì)與實(shí)際工程提供相應(yīng)的指導(dǎo)。本研究主要內(nèi)容包括：
　

2、?、磐ㄟ^對(duì)巨野地區(qū)煤礦的鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)及環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，凝練出井壁結(jié)構(gòu)、井壁內(nèi)壁與外壁的自然環(huán)境與力學(xué)環(huán)境主要特征，分析得到了深厚表土環(huán)境中鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能退化機(jī)制。通過對(duì)深厚表土環(huán)境的環(huán)境室模擬試驗(yàn)，得到了在該環(huán)境中三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)共5個(gè)周期468個(gè)高強(qiáng)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的立方體抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。不同環(huán)境中高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律不同，隨著侵蝕時(shí)間的增長，高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€在模擬內(nèi)壁環(huán)境中均處于逐漸

3、降低階段，其中混凝土強(qiáng)度越高，降低的程度越低；高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€在模擬外壁環(huán)境中先處于上升階段，然后隨著周期的增加，將進(jìn)入下降階段，其中強(qiáng)度越高，降低的程度越低。三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的單摻粉煤灰混凝土在環(huán)境1中強(qiáng)度損失率最大為6.4％、4.9%與3.7%，在環(huán)境2中強(qiáng)度損失率最大為6.9%、5.3%與4.2%，在環(huán)境3中強(qiáng)度損失率最大為7.6%、5.6%與4.8%；三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的雙摻粉煤灰與硅灰混凝土在環(huán)境1中強(qiáng)度損失率最大為

4、6.3%、4.3%與3.3%，在環(huán)境2中強(qiáng)度損失率最大為6.8%、4.9%與4.0%，在環(huán)境3中強(qiáng)度損失率最大為7.4%、5.3%與4.4%?；诟邚?qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度損失率建立了高強(qiáng)混凝土腐蝕層厚度的估計(jì)模型；結(jié)合損傷力學(xué)的相關(guān)知識(shí)與三參數(shù)的Weibull分布，建立起了高強(qiáng)混凝土受侵蝕后的應(yīng)力-應(yīng)變方程。對(duì)不同周期的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了XRD與XRF微觀分析，從微觀角度分析了退化高強(qiáng)混凝土的生成物與化學(xué)成分。
　?、仆ㄟ^對(duì)厚、中厚、深厚

5、及巨厚表土深度中的鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與井壁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化共16個(gè)模型的數(shù)值計(jì)算，并且選取深厚表土中一段鋼筋混凝土井壁進(jìn)行力學(xué)性能退化的物理試驗(yàn)，得到并驗(yàn)證了表土中豎向附加力是鋼筋混凝土井壁破裂的主要原因。隨著井壁外側(cè)的豎向附加力不斷增大，同時(shí)鋼筋混凝土井壁混凝土材料性能在內(nèi)壁與外壁所處不同環(huán)境的退化，井壁會(huì)更早的在表土段與基巖交界處內(nèi)壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)開裂，然后裂縫在交界處附近發(fā)展，最后井壁的基巖與表土交界部分大面積壓碎破壞。物理試驗(yàn)

6、主要環(huán)境分為環(huán)向加載-自然養(yǎng)護(hù)、環(huán)向加載+腐蝕、豎向加載+環(huán)向加載+腐蝕三種，一定周期后對(duì)井壁進(jìn)行力學(xué)性能退化試驗(yàn)。隨著周期的增長，腐蝕環(huán)境的鋼筋混凝土井壁會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化，其中加有豎向荷載的鋼筋混凝土井壁的開裂荷載與極限荷載比不加豎向荷載的井壁低，主要原因是豎向荷載使鋼筋混凝土井壁的外表面出現(xiàn)了微裂縫，加速了有害離子對(duì)井壁的侵蝕。通過高強(qiáng)混凝土材料在深厚表土環(huán)境中的損傷與退化機(jī)理的理論分析，基于損傷力學(xué)的相關(guān)理論，建立了高強(qiáng)混凝土

7、腐蝕損傷模型，并將擬合曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比；基于損傷力學(xué)的相關(guān)理論，得到了高強(qiáng)混凝土損傷本構(gòu)模型；基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，分析了鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的退化規(guī)律，并得到了深厚表土層與基巖交界處井壁應(yīng)力場(chǎng)分布。
　?、且罁?jù)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，提出了鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)的可靠度計(jì)算方法。在考慮荷載與效應(yīng)二維因素條件下，基于MATLAB軟件得到了不同表土深度中鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)在不同混凝土強(qiáng)度與荷載條

8、件下的可靠指標(biāo)與失效概率，同時(shí)依據(jù)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)可靠性理論建立了鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)與使用壽命之間的關(guān)系；基于相關(guān)規(guī)定的可靠度指標(biāo)，得到了鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)隨使用壽命的變化曲線。依據(jù)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)的破裂機(jī)理與可靠指標(biāo)變化，進(jìn)行了針對(duì)性方式治理與預(yù)防的數(shù)值計(jì)算與理論研究。鋼筋混凝土井壁破裂后采用開設(shè)卸壓槽與增設(shè)套壁的方式進(jìn)行治理，隨著豎向附加力繼續(xù)增大，鋼筋混凝土井壁依舊會(huì)破壞，其破壞機(jī)理主要為卸壓槽上下附近的內(nèi)壁