深厚表土環(huán)境中RC井壁結構力學性能退化規(guī)律及壽命預測研究.pdf

1、鋼筋混凝土結構力學性能的退化是在自然環(huán)境與力學環(huán)境多種因素耦合作用下進行的，是一個非常復雜的交互影響與相互疊加的過程，也是引起鋼筋混凝土結構可靠度降低與壽命縮短的根本原因。本文采用理論分析、工程實測、物理試驗與數(shù)值計算相結合的方法，對深厚表土環(huán)境主要特征、高強混凝土材料性能退化規(guī)律、井壁結構力學性能退化規(guī)律、井壁結構可靠性評價及壽命預測與井壁結構防治技術進行研究分析，旨在為理論設計與實際工程提供相應的指導。本研究主要內容包括：
　

2、?、磐ㄟ^對巨野地區(qū)煤礦的鋼筋混凝土井壁結構及環(huán)境進行現(xiàn)場調研，凝練出井壁結構、井壁內壁與外壁的自然環(huán)境與力學環(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構的力學性能退化機制。通過對深厚表土環(huán)境的環(huán)境室模擬試驗，得到了在該環(huán)境中三個強度等級共5個周期468個高強混凝土標準試件的立方體抗壓強度與應力-應變全曲線。不同環(huán)境中高強混凝土強度變化規(guī)律不同，隨著侵蝕時間的增長，高強混凝土抗壓強度與應力-應變全曲線在模擬內壁環(huán)境中均處于逐漸

3、降低階段，其中混凝土強度越高，降低的程度越低；高強混凝土抗壓強度與應力-應變全曲線在模擬外壁環(huán)境中先處于上升階段，然后隨著周期的增加，將進入下降階段，其中強度越高，降低的程度越低。三個強度等級的單摻粉煤灰混凝土在環(huán)境1中強度損失率最大為6.4％、4.9%與3.7%，在環(huán)境2中強度損失率最大為6.9%、5.3%與4.2%，在環(huán)境3中強度損失率最大為7.6%、5.6%與4.8%；三個強度等級的雙摻粉煤灰與硅灰混凝土在環(huán)境1中強度損失率最大為

4、6.3%、4.3%與3.3%，在環(huán)境2中強度損失率最大為6.8%、4.9%與4.0%，在環(huán)境3中強度損失率最大為7.4%、5.3%與4.4%?；诟邚娀炷量箟簭姸葥p失率建立了高強混凝土腐蝕層厚度的估計模型；結合損傷力學的相關知識與三參數(shù)的Weibull分布，建立起了高強混凝土受侵蝕后的應力-應變方程。對不同周期的高強混凝土進行了XRD與XRF微觀分析，從微觀角度分析了退化高強混凝土的生成物與化學成分。
　　⑵通過對厚、中厚、深厚

5、及巨厚表土深度中的鋼筋混凝土井壁結構力學性能與井壁結構力學性能退化共16個模型的數(shù)值計算，并且選取深厚表土中一段鋼筋混凝土井壁進行力學性能退化的物理試驗，得到并驗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。隨著井壁外側的豎向附加力不斷增大，同時鋼筋混凝土井壁混凝土材料性能在內壁與外壁所處不同環(huán)境的退化，井壁會更早的在表土段與基巖交界處內壁內側出現(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

6、主要環(huán)境分為環(huán)向加載-自然養(yǎng)護、環(huán)向加載+腐蝕、豎向加載+環(huán)向加載+腐蝕三種，一定周期后對井壁進行力學性能退化試驗。隨著周期的增長，腐蝕環(huán)境的鋼筋混凝土井壁會出現(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，加速了有害離子對井壁的侵蝕。通過高強混凝土材料在深厚表土環(huán)境中的損傷與退化機理的理論分析，基于損傷力學的相關理論，建立了高強混凝土

7、腐蝕損傷模型，并將擬合曲線與試驗曲線進行了相應的對比；基于損傷力學的相關理論，得到了高強混凝土損傷本構模型；基于雙剪統(tǒng)一強度理論，分析了鋼筋混凝土井壁結構力學性能的退化規(guī)律，并得到了深厚表土層與基巖交界處井壁應力場分布。
　　⑶依據(jù)理論分析、現(xiàn)場實測、物理試驗與數(shù)值計算的結果，提出了鋼筋混凝土井壁結構的可靠度計算方法。在考慮荷載與效應二維因素條件下，基于MATLAB軟件得到了不同表土深度中鋼筋混凝土井壁結構在不同混凝土強度與荷載條

8、件下的可靠指標與失效概率，同時依據(jù)鋼筋混凝土井壁結構可靠性理論建立了鋼筋混凝土井壁結構可靠指標與使用壽命之間的關系；基于相關規(guī)定的可靠度指標，得到了鋼筋混凝土井壁結構的可靠指標隨使用壽命的變化曲線。依據(jù)鋼筋混凝土井壁結構的破裂機理與可靠指標變化，進行了針對性方式治理與預防的數(shù)值計算與理論研究。鋼筋混凝土井壁破裂后采用開設卸壓槽與增設套壁的方式進行治理，隨著豎向附加力繼續(xù)增大，鋼筋混凝土井壁依舊會破壞，其破壞機理主要為卸壓槽上下附近的內壁