基于多因素耦合的錨桿錨固結(jié)構(gòu)耐久性研究.pdf

1、隨著中國的改革開放和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，特別是“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，錨桿錨固結(jié)構(gòu)在我國巖土錨固工程中得到空前廣泛的應(yīng)用。其發(fā)展速度之快、應(yīng)用規(guī)模之大，應(yīng)用量之多已躍居世界之首。但另一方面，錨桿錨固結(jié)構(gòu)所處自然環(huán)境大多十分惡劣，各種腐蝕性介質(zhì)及雜散電流廣泛存在，同時在荷載的作用下，還存在嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕。錨桿錨固結(jié)構(gòu)在這樣的工作環(huán)境和長期使用條件下會逐漸老化，損傷甚至破壞，世界各地均發(fā)生過由于耐久性不足而導(dǎo)致錨固失效的工程實例，有學(xué)者甚至將

2、之比喻為“定時炸彈”?？梢姡^固體結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要性和緊迫性。
　　世界范圍內(nèi)的眾多學(xué)者對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量理論與實驗研究，深入研討了各種實際工程中遇到的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題。但其研究范圍主要局限于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、受力狀態(tài)與錨固體結(jié)構(gòu)有著較大的差別，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果不能完全直接運用于錨固結(jié)構(gòu)。錨桿錨固結(jié)構(gòu)耐久性研究工作意義重大，但該領(lǐng)域的研究尚處于基礎(chǔ)階段，相關(guān)的實驗?zāi)Ｐ汀⒃囼灧椒?、實驗?shù)

3、據(jù)的分析、實驗成果與實際工程評估體系的結(jié)合等都還有大量問題亟需解決。
　　在土壤及巖石環(huán)境中，影響錨固體結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，且這些因素相互影響，表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)性和模糊性，本文通過實驗和理論分析，對多因素耦合條件下錨桿錨固系統(tǒng)的腐蝕退化機(jī)理進(jìn)行分析；對多種腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力作用復(fù)合條件下錨桿錨固結(jié)構(gòu)耐久性影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論，采用模糊綜合評價方法評估了錨固結(jié)構(gòu)的耐久性。具體的工作及成果如下：
　　①

4、設(shè)計符合實際受力狀態(tài)的新型錨桿試件，建立考慮多因素耦合的錨桿錨固結(jié)構(gòu)耐久性試驗系列新方法。對錨固試件使用不同濃度的單一介質(zhì)腐蝕溶液、復(fù)合介質(zhì)腐蝕溶液在長期浸泡、浸烘循環(huán)、長期荷載等復(fù)合條件下進(jìn)行了實驗研究。通過對實驗結(jié)果的分析，研究錨桿錨固系統(tǒng)在復(fù)雜因素作用下的腐蝕損傷機(jī)理，為研究錨桿體在多因素耦合作用下的腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散規(guī)律提供支撐。
　?、谑褂脽釋W(xué)方法對腐蝕介質(zhì)在錨固體內(nèi)部擴(kuò)散的過程進(jìn)行了研究。本文通過對比 PFC2D的熱學(xué)模擬結(jié)

5、果與理論公式結(jié)果，驗證了 PFC2D熱學(xué)模擬的正確性。進(jìn)行了單一氯離子在水泥砂漿錨固體中擴(kuò)散的 PFC2D模擬、浸烘循環(huán)的模擬、硫酸鹽對氯離子在砂漿錨固體中擴(kuò)散的影響模擬研究，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。
　?、蹌?chuàng)新性的使用細(xì)觀斷裂力學(xué)理論對錨固體在長期拉應(yīng)力作用下的微裂縫開展進(jìn)行了研究。本文通過化學(xué)反應(yīng)速率理論和裂紋增長動力學(xué)知識推導(dǎo)了錨固體在長期拉應(yīng)力作用下裂紋開展的時間效應(yīng)相關(guān)參數(shù)，然后結(jié)合 PFC2D的平行黏結(jié)模型推導(dǎo)了如

6、何計算時間增長減少平行黏結(jié)直徑、估計黏結(jié)失效的時間。本文進(jìn)行了錨固體在長期拉應(yīng)力作用下的應(yīng)力腐蝕裂紋模擬研究，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。
　?、苓M(jìn)行了考慮化學(xué)腐蝕對應(yīng)力腐蝕影響的研究。實驗證明，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入砂漿錨固體內(nèi)部，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶的鹽類礦物，引起膨脹、開裂，導(dǎo)致砂漿錨固體的劣化，加速了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。本文通過 PFC2D的熱學(xué)計算模塊和力學(xué)計算模塊研究這種影響。在計算過程中，根據(jù)熱學(xué)模塊的計算結(jié)果獲得氯離子濃度；再調(diào)用

7、應(yīng)力腐蝕子程序，利用氯離子濃度對混凝土裂紋擴(kuò)張臨界應(yīng)力進(jìn)行修正，模擬砂漿錨固體的開裂情況。與實驗結(jié)果的對比證明這一方法比單純考慮應(yīng)力腐蝕的計算方法更加接近實際。
　?、萁⒘恕翱紤]熱學(xué)-細(xì)觀力學(xué)耦合的錨固體內(nèi)部腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模擬方法”。在計算過程中，進(jìn)行 PFC2D的熱學(xué)模塊和力學(xué)模塊的耦合計算，熱學(xué)模塊輸出氯離子濃度分布情況，力學(xué)模塊根據(jù)氯離子濃度對應(yīng)力腐蝕的結(jié)果進(jìn)行修正；另一方面力學(xué)模塊輸出模型的應(yīng)力、裂紋生成等信息，熱學(xué)模塊讀

8、取這些信息后允許模型的熱學(xué)邊界做出修正，生成新的熱學(xué)計算的“邊界條件”。通過與實驗數(shù)據(jù)的對比，證明耦合計算能較好地模擬砂漿錨固體在長期拉力以及腐蝕介質(zhì)復(fù)合作用下的開裂和腐蝕的情況。
　?、薹治隽烁g性離子侵蝕錨固體和鋼筋開始腐蝕失效的各種不確定因素，建立了基于一次二階矩理論的半分析概率預(yù)測模型，用于計算錨固系統(tǒng)達(dá)到一定概率發(fā)生腐蝕破壞或者鋼筋達(dá)到腐蝕失效需要的試件，與傳統(tǒng)的確定性分析模型相比，新模型可以研究錨固體系的腐蝕失效概率關(guān)

9、于各參數(shù)的敏感性，可以分析這些影響因素的平均值和變異系數(shù)的影響。
　?、邚慕Y(jié)構(gòu)層次全面分析了影響錨固體結(jié)構(gòu)耐久性的各種因素及其特點，建立錨固結(jié)構(gòu)耐久性評估新方法。利用層次分析和模糊數(shù)學(xué)理論，突破停留在構(gòu)件層次上的錨固結(jié)構(gòu)耐久性研究，從結(jié)構(gòu)層次討論錨固結(jié)構(gòu)耐久性，與實際工況更為接近。
　　本文通過實驗和理論分析，對多因素耦合條件下錨桿錨固結(jié)構(gòu)耐久性展開了一系列研究，希望取得的研究成果能起到拋磚引玉的作用，為今后的研究提供一些思