高壓水作用下井壁混凝土耦合損傷演化機(jī)理及強(qiáng)度特征研究.pdf

1、煤炭資源開采目前已向深部延伸，新建煤礦井筒穿過含水不穩(wěn)定地層越來越厚，井壁因此所需承受的地下水壓力越來越大;而混凝土作為主要筑壁材料，在高地下水壓作用下其損傷演化進(jìn)程與強(qiáng)度發(fā)展問題愈加突出。并且與地面空氣環(huán)境中的混凝土不同，井壁混凝土長期處于高壓水荷載直接作用下，其損傷演化進(jìn)程和強(qiáng)度特征必將發(fā)生變化，這是一個(gè)值得研究的問題。因此，論文將充分考慮地下水滲流作用對井壁混凝土應(yīng)力變形的耦合影響，采用混凝土力學(xué)試驗(yàn)、相似模型試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值

2、計(jì)算等研究手段，探究了高壓水荷載直接作用下井壁混凝土損傷演化機(jī)理以及強(qiáng)度變形特征。
　　針對煤礦立井井筒支護(hù)難題，配制出密實(shí)度高、抗?jié)B性好的高強(qiáng)高抗?jié)B混凝土作為筑壁材料，并對其在地面空氣環(huán)境中的主要物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，可為后續(xù)高壓水荷載直接作用下井壁混凝土物理力學(xué)參數(shù)變化提供對比，以及解析解與數(shù)值計(jì)算參數(shù)的選取提供參考。
　　綜合考慮水壓力大小、水壓作用時(shí)間、混凝土強(qiáng)度等級三種不同影響因素耦合作用效應(yīng)，借助SPSS數(shù)理

3、統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出混合正交試驗(yàn)表，開展高壓水荷載直接作用下井壁混凝土耦合損傷試驗(yàn)。結(jié)果表明對混凝土峰值強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱程度依次為水壓力大小、混凝土強(qiáng)度等級、水壓作用時(shí)間。結(jié)合聲波測試結(jié)果、welbull統(tǒng)計(jì)分布理論、lemaitre等效應(yīng)變假設(shè)以及損傷力學(xué)理論，建立了高壓水荷載直接作用下井壁混凝土耦合損傷演化方程，并基于混凝土強(qiáng)度理論推導(dǎo)出相應(yīng)條件下本構(gòu)模型。
　　采用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)開展了高壓水荷載直接作用下井壁混凝土水力耦合滲透性試驗(yàn)

4、。結(jié)果表明孔隙水在混凝土內(nèi)部滲流時(shí)對其造成的損傷影響較為明顯，加速試件的變形破壞;同等條件下孔隙水壓越大，井壁混凝土峰值強(qiáng)度及割線彈性模量降低越明顯;結(jié)合理論分析建立了應(yīng)力滲流耦合狀態(tài)下井壁混凝土滲透率演化概念模型。
　　根據(jù)養(yǎng)護(hù)條件不同將井壁混凝土分為常規(guī)、飽和、密封三種狀態(tài)，開展了高壓水荷載直接作用下井壁混凝土強(qiáng)度及變形特征試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)三種不同狀態(tài)井壁混凝土都呈現(xiàn)出鮮明的水圍壓增強(qiáng)效應(yīng)，密封狀態(tài)井壁混凝土水圍壓增強(qiáng)效應(yīng)明顯高

5、于常規(guī)和飽和兩種狀態(tài);高壓水荷載直接作用下井壁混凝土強(qiáng)度呈非線性增長，采用Bresler三參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則擬合效果最佳;不同強(qiáng)度等級不同狀態(tài)井壁混凝土廣義峰值軸向應(yīng)變與水圍壓呈線性增長關(guān)系。
　　基于相似模型理論設(shè)計(jì)出模型井壁，參照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理將混凝土強(qiáng)度等級、厚徑比、配筋率作為影響因素。采用準(zhǔn)平面應(yīng)變加載方式，進(jìn)行了高壓水荷載直接作用下井壁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及正八面體應(yīng)力空間強(qiáng)度理論建立了相應(yīng)條件下井壁混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則

6、和極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式?；谏鲜鰪?qiáng)度準(zhǔn)則同時(shí)引入高強(qiáng)混凝土脆性損傷因子，在考慮地下水滲流變形耦合影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行立井井壁出水機(jī)理分析，推導(dǎo)得到了相應(yīng)條件下立井井壁極限水壓力彈塑性解析解，并對其主要影響因素進(jìn)行了分析比較。
　　基于ABAQUS/CAE應(yīng)力滲流耦合分析模塊，開展了考慮地下水滲流動(dòng)態(tài)耦合影響下井壁與圍巖共同作用時(shí)應(yīng)力損傷數(shù)值計(jì)算，利用USDFLD.for子程序?qū)崿F(xiàn)了滲透系數(shù)與孔隙率的動(dòng)態(tài)耦合分析，結(jié)果表明井壁在已發(fā)生損傷