發(fā)布時間：2017-09-11 03:05

  本文關(guān)鍵詞：水壓作用下井壁高強混凝土力學(xué)性能的試驗研究

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【摘要】：隨著新建井筒穿過沖積層的厚度增加,井壁所受外部荷載亦將增加,采用高強混凝土以提高立井井壁承載力是解決凍結(jié)井壁的支護問題的有效途徑之一。凍結(jié)壁融化解凍后,井筒運營階段往往處于高水壓環(huán)境中,經(jīng)常出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象,這就給井筒的安全使用帶來不利影響,混凝土中存在大量毛細管和孔隙,在水壓作用下,水會逐漸滲入混凝土的裂隙中,給混凝土的力學(xué)性能帶來影響。因此,有必要對水壓作用高強混凝土的力學(xué)性能進行研究。近年來,國內(nèi)外多位學(xué)者對于高壓水環(huán)境中的普通混凝土材料抗壓強度、彈性模量、變形特征進行了試驗研究,對其破壞機理形成了一定認識。已有的認識表明,隨著水壓的增加,普通混凝土的抗壓強度、彈性模量均受影響,水壓的大小、骨料粒徑和混凝土強度的高低對混凝土的抗壓強度損失均有一定作用。但是從已有研究成果來看,國內(nèi)外對高強混凝土在水壓作用下的力學(xué)性能研究目前未見報道。本文以山東巨野萬福煤礦新建立井為工程背景,為研究水壓作用對高強混凝土力學(xué)性能的影響,采用TAW-3000電液伺服壓力試驗機,進行了大量而系統(tǒng)的試驗研究,累計完成試驗267個,包括高強混凝土無水情況下的單軸和三軸抗壓試驗、受孔隙靜水壓作用后的單軸和三軸抗壓試驗、受孔隙靜水壓作用后的三軸-滲流耦合試驗,其中以高強混凝土為對象的后兩類試驗在國內(nèi)外均未見有報道。本文的主要工作和研究結(jié)論如下:1.采用TAW-3000型電液伺服巖石三軸試驗機系統(tǒng)完成了HC-1、HC-2和HC-3三種高強混凝土配合比的單軸試驗,以及圍壓0Mpa、5Mpa、10Mpa、15Mpa和20Mpa的常規(guī)三軸試驗,對高強混凝土的破壞形態(tài)、抗壓強度、彈性模量和應(yīng)力應(yīng)變曲線特性進行了分析。試驗結(jié)果表明,高強混凝土的破壞在單軸試驗中為柱狀爆裂破壞,在三軸壓縮試驗中為塑性破壞,以斜剪破壞為主,破壞面均穿過粗骨料。三軸峰值強度隨圍壓的增加而呈冪函數(shù)形式增加,基于該試驗數(shù)據(jù)特點建立了高強混凝土的兩參數(shù)破壞準則,擬合出的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致。圍壓的存在提高了高強混凝土的變形能力。圍壓越高,高強混凝土的峰值應(yīng)變值增大,并且符合冪函數(shù)的增加規(guī)律,根據(jù)這一特點,建立了兩參數(shù)模型,擬合結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致。單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線有較顯著的尖峰,峰后曲線急劇下降,幾乎沒有殘余強度;隨圍壓增加,三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線平臺段逐漸延長,峰后曲線越發(fā)平緩,殘余強度逐漸提高�；谠囼灲Y(jié)果分別擬合出了單軸和三軸條件下高強混凝土的本構(gòu)方程式,其中三軸曲線下降段的曲線方程為首次提出。經(jīng)驗證,所建立的本構(gòu)模型理論計算值能與試驗數(shù)據(jù)能良好的吻合。2.利用水壓加載設(shè)備對高強混凝土試件施加孔隙水壓(0mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、6mpa、8mpa)持續(xù)48h。利用三軸試驗機對孔隙水壓作用后的試件進行了單軸試驗以及圍壓5mpa和10mpa的常規(guī)三軸試驗,利用數(shù)字高速攝影記錄設(shè)備記錄了試件的單軸破壞過程,深入研究了孔隙靜水壓對高強混凝土的破壞形態(tài)、抗壓強度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明,孔隙水壓沒有改變高強混凝土的單軸和三軸宏觀破壞形態(tài),但提高了高強混凝土的脆性,使破壞更具突然性。隨孔隙水壓的提高,單軸與三軸的峰值強度均降低,且孔隙水壓降低了高強混凝土的變形能力,使高強混凝土在更小的變形條件下就達到峰值應(yīng)力三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線平臺段縮短,殘余強度降低,并且圍壓越大,變化幅度越小�？紫端畨禾岣�,單軸時的彈性模量隨之提高,這與三軸試驗中彈性模量降低的規(guī)律相反。研究結(jié)果表明,孔隙水壓對高強混凝土力學(xué)性能的影響主要是加大峰后曲線下降速率和降低了殘余強度。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),在兩參數(shù)破壞準則中以有效應(yīng)力代替圍壓應(yīng)力,并通過非線性回歸分析給出了圍壓0mpa、5mpa、10mpa條件下,破壞準則參數(shù)與孔隙水壓的關(guān)系,建立了考慮圍壓和孔隙水壓共同影響的高強混凝土的破壞準則。另外,將本構(gòu)模型的參數(shù)修正為與孔隙水壓相關(guān)的關(guān)系式,使其適應(yīng)范圍更廣,所得到的本構(gòu)模型理論計算值與試驗數(shù)據(jù)相符合。3.利用水壓加載設(shè)備對高強混凝土試件施加孔隙水壓(0mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、6mpa、8mpa)持續(xù)48h。對孔隙水壓作用后的試件進行圍壓5mpa、10mpa的三軸-滲流耦合試驗,并分析了滲透水壓的加載對高強混凝土破壞形態(tài)、抗壓強度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響。試驗結(jié)果表明,施加滲透水壓后,高強混凝土的抗壓能力和變形能力都降低。峰值強度和峰值應(yīng)變均減小,隨著滲透水壓的提高,高強混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變上升段曲線更加陡峭(彈性模量增加),但變化幅度與孔隙水靜壓單獨作用情況有所不同;應(yīng)力-應(yīng)變曲線平臺段縮短且殘余強度降低,峰后曲線下降速率加快,變化幅度比僅有孔隙水壓作用情況相差更大,原因是裂隙滲透水壓較孔隙靜水壓更能加劇微裂紋的不穩(wěn)定擴展�；谠囼灲Y(jié)果,在兩參數(shù)破壞準則中以有效應(yīng)力代替圍壓應(yīng)力,以滲透水壓代替孔隙水壓,并通過非線性回歸分析給出了圍壓5mpa、10mpa條件下參數(shù)與滲透水壓的關(guān)系,建立了圍壓和滲透水壓共同影響的高強混凝土的破壞準則。將本構(gòu)模型的參數(shù)修正為與滲透水壓相關(guān)的關(guān)系式,所得到的理論計算值與試驗應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)相符合,進一步拓展了本構(gòu)模型的適用范圍。4.參照巖石破裂過程的研究成果將高強混凝土的破裂過程劃分為五個階段,利用試驗結(jié)果計算出高強混凝土的破裂指標——啟裂強度、損傷強度和峰值強度,并提出以1.5倍和2倍峰值應(yīng)變處的殘余強度,用這5個指標來考察高強混凝土裂縫開展程度。研究了水壓和圍壓對高強混凝土開裂過程起到的作用,分析了滲透水壓的作用機理。研究結(jié)果表明:裂紋壓密階段水很難進入高強混凝土內(nèi)部,水壓作為外載影響高強混凝土的強度;在裂紋擴展階段時,裂隙中的水壓,弱化了高強混凝土的強度,加速了混凝土的宏觀破壞;而在峰后裂紋張開發(fā)育階段,水壓加劇了裂紋的發(fā)展,很大程度上降低了峰后殘余強度。水壓對高強混凝土的致裂作用主要體現(xiàn)在裂紋擴展以后的階段。5.利用滲透水壓與流量的歷史數(shù)據(jù)可以在一定程度上推測出微裂紋結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。根據(jù)試驗結(jié)果,基于試驗中所測出的動態(tài)擴展裂縫內(nèi)滲流規(guī)律,建立了反映裂紋動態(tài)尺寸與滲流速率的關(guān)系式,得到了一種可以通過試驗量測的滲透水流量來推測混凝土微裂紋擴展過程的新型、實用的方法。本文的研究工作填補了國內(nèi)外關(guān)于“水壓作用下高強混凝土力學(xué)性能的試驗研究”的空白。本文的研究成果將為井壁設(shè)計提供依據(jù),為井壁災(zāi)害提供預(yù)測方法,指導(dǎo)井壁災(zāi)害的預(yù)加固工程實踐,避免井筒出現(xiàn)安全問題對礦井正常生產(chǎn)造成不必要的經(jīng)濟損失,為提高井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和實現(xiàn)更有效的井壁事故防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。并可為考慮不同地下水環(huán)境中的其他高強混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計,以及混凝土的壽命預(yù)測、損傷評估與修復(fù)加固提供更符合實際的計算力學(xué)模型。
【關(guān)鍵詞】：深厚表土層 水壓作用 立井井壁 高強混凝土 力學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD352
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-38
• 1.1 選題背景和研究意義14-15
• 1.2 井壁高強混凝土力學(xué)性能的試驗研究現(xiàn)狀15-23
• 1.2.1 混凝土試驗設(shè)備及試驗方法綜述15-18
• 1.2.2 井壁高強混凝土單軸試驗結(jié)果18-22
• 1.2.3 井壁高強混凝土多軸試驗結(jié)果22-23
• 1.3 井壁高強混凝土力學(xué)性能的理論研究現(xiàn)狀23-32
• 1.3.1 井壁高強混凝土的本構(gòu)模型綜述24-27
• 1.3.2 井壁高強混凝土的破壞準則綜述27-32
• 1.4 水壓作用下井壁高強混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀32-35
• 1.4.1 水壓對井壁高強混凝土變形行為影響32-34
• 1.4.2 水壓對井壁高強混凝土破裂行為影響34-35
• 1.5 研究內(nèi)容與技術(shù)路線35-38
• 1.5.1 研究內(nèi)容35-36
• 1.5.2 技術(shù)路線36-38
• 2 試驗設(shè)計38-52
• 2.1 試件制備38-46
• 2.1.1 井壁高強混凝土組成成分及其性能38-44
• 2.1.2 高強混凝土配合比44-45
• 2.1.3 試件養(yǎng)護與加工45-46
• 2.2 試驗設(shè)備46-47
• 2.3 試驗方案47-52
• 2.3.1 試驗內(nèi)容47
• 2.3.2 試驗加載方法47-52
• 3 高強混凝土單軸及三軸試驗研究52-74
• 3.1 引言52
• 3.2 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)52-54
• 3.2.1 單軸試驗52-53
• 3.2.2 三軸試驗53-54
• 3.3 試驗結(jié)果與分析54-64
• 3.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線55-58
• 3.3.2 峰值強度58-59
• 3.3.3 峰值應(yīng)變59-63
• 3.3.4 彈性模量63-64
• 3.4 高強混凝土的破壞準則與本構(gòu)關(guān)系64-71
• 3.4.1 高強混凝土的破壞準則65-67
• 3.4.2 高強混凝土的本構(gòu)關(guān)系67-71
• 3.5 本章小結(jié)71-74
• 4 孔隙水壓對高強混凝土力學(xué)性能影響的試驗研究74-98
• 4.1 引言74
• 4.2 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)74-78
• 4.2.1 單軸試驗75-76
• 4.2.2 三軸試驗76-78
• 4.3 試驗結(jié)果與分析78-89
• 4.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線78-81
• 4.3.2 峰值強度81-83
• 4.3.3 峰值應(yīng)變83-87
• 4.3.4 彈性模量87-89
• 4.4 孔隙水壓影響下的高強混凝土的破壞準則與本構(gòu)關(guān)系89-95
• 4.4.1 孔隙水壓影響下高強混凝土的破壞準則89-91
• 4.4.2 孔隙水壓影響下高強混凝土的本構(gòu)關(guān)系91-95
• 4.5 本章結(jié)論95-98
• 5 滲透水壓對高強混凝土力學(xué)性能和破裂過程影響的試驗研究98-130
• 5.1 引言98-99
• 5.2 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)99-100
• 5.3 試驗結(jié)果與分析100-110
• 5.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線100-102
• 5.3.2 峰值強度102-104
• 5.3.3 峰值應(yīng)變104-108
• 5.3.4 彈性模量108-110
• 5.4 三軸-滲流耦合條件下高強混凝土的破壞準則與本構(gòu)關(guān)系110-114
• 5.4.1 滲透水壓作用下高強混凝土的破壞準則110-111
• 5.4.2 滲透水壓作用下高強混凝土的本構(gòu)關(guān)系111-114
• 5.5 水壓對高強混凝土破裂過程的影響114-124
• 5.5.1 高強混凝土的破裂過程114-116
• 5.5.2 高強混凝土破裂指標的確定116-117
• 5.5.3 水壓對高強混凝土破裂指標的影響117-124
• 5.6 滲透水壓加載歷史對高強混凝土的破裂過程的影響124-127
• 5.6.1 滲透水壓與流量的歷史數(shù)據(jù)的分析方法與原理124-125
• 5.6.2 滲透水壓與流量的歷史數(shù)據(jù)的分析結(jié)果125-127
• 5.7 本章小結(jié)127-130
• 6 結(jié)論與展望130-136
• 6.1 結(jié)論130-133
• 6.2 主要創(chuàng)新點133-134
• 6.3 展望134-136
• 參考文獻136-148
• 致謝148-150
• 作者簡介150
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文150
• 在學(xué)期間參加科研項目150
• 主要獲獎150-151

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