水压作用下井壁高强混凝土力学性能的试验研究

发布时间：2017-09-11 03:05

  本文关键词：水压作用下井壁高强混凝土力学性能的试验研究

  更多相关文章： 深厚表土层 水压作用 立井井壁 高强混凝土 力学性能

【摘要】：随着新建井筒穿过冲积层的厚度增加,井壁所受外部荷载亦将增加,采用高强混凝土以提高立井井壁承载力是解决冻结井壁的支护问题的有效途径之一。冻结壁融化解冻后,井筒运营阶段往往处于高水压环境中,经常出现渗漏水的现象,这就给井筒的安全使用带来不利影响,混凝土中存在大量毛细管和孔隙,在水压作用下,水会逐渐渗入混凝土的裂隙中,给混凝土的力学性能带来影响。因此,有必要对水压作用高强混凝土的力学性能进行研究。近年来,国内外多位学者对于高压水环境中的普通混凝土材料抗压强度、弹性模量、变形特征进行了试验研究,对其破坏机理形成了一定认识。已有的认识表明,随着水压的增加,普通混凝土的抗压强度、弹性模量均受影响,水压的大小、骨料粒径和混凝土强度的高低对混凝土的抗压强度损失均有一定作用。但是从已有研究成果来看,国内外对高强混凝土在水压作用下的力学性能研究目前未见报道。本文以山东巨野万福煤矿新建立井为工程背景,为研究水压作用对高强混凝土力学性能的影响,采用TAW-3000电液伺服压力试验机,进行了大量而系统的试验研究,累计完成试验267个,包括高强混凝土无水情况下的单轴和三轴抗压试验、受孔隙静水压作用后的单轴和三轴抗压试验、受孔隙静水压作用后的三轴-渗流耦合试验,其中以高强混凝土为对象的后两类试验在国内外均未见有报道。本文的主要工作和研究结论如下:1.采用TAW-3000型电液伺服岩石三轴试验机系统完成了HC-1、HC-2和HC-3三种高强混凝土配合比的单轴试验,以及围压0Mpa、5Mpa、10Mpa、15Mpa和20Mpa的常规三轴试验,对高强混凝土的破坏形态、抗压强度、弹性模量和应力应变曲线特性进行了分析。试验结果表明,高强混凝土的破坏在单轴试验中为柱状爆裂破坏,在三轴压缩试验中为塑性破坏,以斜剪破坏为主,破坏面均穿过粗骨料。三轴峰值强度随围压的增加而呈幂函数形式增加,基于该试验数据特点建立了高强混凝土的两参数破坏准则,拟合出的结果与试验数据一致。围压的存在提高了高强混凝土的变形能力。围压越高,高强混凝土的峰值应变值增大,并且符合幂函数的增加规律,根据这一特点,建立了两参数模型,拟合结果与试验数据一致。单轴应力-应变曲线有较显著的尖峰,峰后曲线急剧下降,几乎没有残余强度;随围压增加,三轴应力-应变曲线平台段逐渐延长,峰后曲线越发平缓,残余强度逐渐提高。基于试验结果分别拟合出了单轴和三轴条件下高强混凝土的本构方程式,其中三轴曲线下降段的曲线方程为首次提出。经验证,所建立的本构模型理论计算值能与试验数据能良好的吻合。2.利用水压加载设备对高强混凝土试件施加孔隙水压(0mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、6mpa、8mpa)持续48h。利用三轴试验机对孔隙水压作用后的试件进行了单轴试验以及围压5mpa和10mpa的常规三轴试验,利用数字高速摄影记录设备记录了试件的单轴破坏过程,深入研究了孔隙静水压对高强混凝土的破坏形态、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线的影响规律。试验结果表明,孔隙水压没有改变高强混凝土的单轴和三轴宏观破坏形态,但提高了高强混凝土的脆性,使破坏更具突然性。随孔隙水压的提高,单轴与三轴的峰值强度均降低,且孔隙水压降低了高强混凝土的变形能力,使高强混凝土在更小的变形条件下就达到峰值应力三轴应力-应变曲线平台段缩短,残余强度降低,并且围压越大,变化幅度越小。孔隙水压提高,单轴时的弹性模量随之提高,这与三轴试验中弹性模量降低的规律相反。研究结果表明,孔隙水压对高强混凝土力学性能的影响主要是加大峰后曲线下降速率和降低了残余强度。根据试验数据,在两参数破坏准则中以有效应力代替围压应力,并通过非线性回归分析给出了围压0mpa、5mpa、10mpa条件下,破坏准则参数与孔隙水压的关系,建立了考虑围压和孔隙水压共同影响的高强混凝土的破坏准则。另外,将本构模型的参数修正为与孔隙水压相关的关系式,使其适应范围更广,所得到的本构模型理论计算值与试验数据相符合。3.利用水压加载设备对高强混凝土试件施加孔隙水压(0mpa、1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、6mpa、8mpa)持续48h。对孔隙水压作用后的试件进行围压5mpa、10mpa的三轴-渗流耦合试验,并分析了渗透水压的加载对高强混凝土破坏形态、抗压强度、弹性模量、应力应变曲线的影响。试验结果表明,施加渗透水压后,高强混凝土的抗压能力和变形能力都降低。峰值强度和峰值应变均减小,随着渗透水压的提高,高强混凝土的应力-应变上升段曲线更加陡峭(弹性模量增加),但变化幅度与孔隙水静压单独作用情况有所不同;应力-应变曲线平台段缩短且残余强度降低,峰后曲线下降速率加快,变化幅度比仅有孔隙水压作用情况相差更大,原因是裂隙渗透水压较孔隙静水压更能加剧微裂纹的不稳定扩展。基于试验结果,在两参数破坏准则中以有效应力代替围压应力,以渗透水压代替孔隙水压,并通过非线性回归分析给出了围压5mpa、10mpa条件下参数与渗透水压的关系,建立了围压和渗透水压共同影响的高强混凝土的破坏准则。将本构模型的参数修正为与渗透水压相关的关系式,所得到的理论计算值与试验应力-应变数据相符合,进一步拓展了本构模型的适用范围。4.参照岩石破裂过程的研究成果将高强混凝土的破裂过程划分为五个阶段,利用试验结果计算出高强混凝土的破裂指标——启裂强度、损伤强度和峰值强度,并提出以1.5倍和2倍峰值应变处的残余强度,用这5个指标来考察高强混凝土裂缝开展程度。研究了水压和围压对高强混凝土开裂过程起到的作用,分析了渗透水压的作用机理。研究结果表明:裂纹压密阶段水很难进入高强混凝土内部,水压作为外载影响高强混凝土的强度;在裂纹扩展阶段时,裂隙中的水压,弱化了高强混凝土的强度,加速了混凝土的宏观破坏;而在峰后裂纹张开发育阶段,水压加剧了裂纹的发展,很大程度上降低了峰后残余强度。水压对高强混凝土的致裂作用主要体现在裂纹扩展以后的阶段。5.利用渗透水压与流量的历史数据可以在一定程度上推测出微裂纹结构的发展过程。根据试验结果,基于试验中所测出的动态扩展裂缝内渗流规律,建立了反映裂纹动态尺寸与渗流速率的关系式,得到了一种可以通过试验量测的渗透水流量来推测混凝土微裂纹扩展过程的新型、实用的方法。本文的研究工作填补了国内外关于“水压作用下高强混凝土力学性能的试验研究”的空白。本文的研究成果将为井壁设计提供依据,为井壁灾害提供预测方法,指导井壁灾害的预加固工程实践,避免井筒出现安全问题对矿井正常生产造成不必要的经济损失,为提高井壁结构设计水平和实现更有效的井壁事故防治措施提供了科学依据。并可为考虑不同地下水环境中的其他高强混凝土结构耐久性设计,以及混凝土的寿命预测、损伤评估与修复加固提供更符合实际的计算力学模型。
【关键词】：深厚表土层 水压作用 立井井壁 高强混凝土 力学性能
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD352
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-38
• 1.1 选题背景和研究意义14-15
• 1.2 井壁高强混凝土力学性能的试验研究现状15-23
• 1.2.1 混凝土试验设备及试验方法综述15-18
• 1.2.2 井壁高强混凝土单轴试验结果18-22
• 1.2.3 井壁高强混凝土多轴试验结果22-23
• 1.3 井壁高强混凝土力学性能的理论研究现状23-32
• 1.3.1 井壁高强混凝土的本构模型综述24-27
• 1.3.2 井壁高强混凝土的破坏准则综述27-32
• 1.4 水压作用下井壁高强混凝土力学性能研究现状32-35
• 1.4.1 水压对井壁高强混凝土变形行为影响32-34
• 1.4.2 水压对井壁高强混凝土破裂行为影响34-35
• 1.5 研究内容与技术路线35-38
• 1.5.1 研究内容35-36
• 1.5.2 技术路线36-38
• 2 试验设计38-52
• 2.1 试件制备38-46
• 2.1.1 井壁高强混凝土组成成分及其性能38-44
• 2.1.2 高强混凝土配合比44-45
• 2.1.3 试件养护与加工45-46
• 2.2 试验设备46-47
• 2.3 试验方案47-52
• 2.3.1 试验内容47
• 2.3.2 试验加载方法47-52
• 3 高强混凝土单轴及三轴试验研究52-74
• 3.1 引言52
• 3.2 试验现象与破坏形态52-54
• 3.2.1 单轴试验52-53
• 3.2.2 三轴试验53-54
• 3.3 试验结果与分析54-64
• 3.3.1 应力-应变曲线55-58
• 3.3.2 峰值强度58-59
• 3.3.3 峰值应变59-63
• 3.3.4 弹性模量63-64
• 3.4 高强混凝土的破坏准则与本构关系64-71
• 3.4.1 高强混凝土的破坏准则65-67
• 3.4.2 高强混凝土的本构关系67-71
• 3.5 本章小结71-74
• 4 孔隙水压对高强混凝土力学性能影响的试验研究74-98
• 4.1 引言74
• 4.2 试验现象与破坏形态74-78
• 4.2.1 单轴试验75-76
• 4.2.2 三轴试验76-78
• 4.3 试验结果与分析78-89
• 4.3.1 应力-应变曲线78-81
• 4.3.2 峰值强度81-83
• 4.3.3 峰值应变83-87
• 4.3.4 弹性模量87-89
• 4.4 孔隙水压影响下的高强混凝土的破坏准则与本构关系89-95
• 4.4.1 孔隙水压影响下高强混凝土的破坏准则89-91
• 4.4.2 孔隙水压影响下高强混凝土的本构关系91-95
• 4.5 本章结论95-98
• 5 渗透水压对高强混凝土力学性能和破裂过程影响的试验研究98-130
• 5.1 引言98-99
• 5.2 试验现象与破坏形态99-100
• 5.3 试验结果与分析100-110
• 5.3.1 应力-应变曲线100-102
• 5.3.2 峰值强度102-104
• 5.3.3 峰值应变104-108
• 5.3.4 弹性模量108-110
• 5.4 三轴-渗流耦合条件下高强混凝土的破坏准则与本构关系110-114
• 5.4.1 渗透水压作用下高强混凝土的破坏准则110-111
• 5.4.2 渗透水压作用下高强混凝土的本构关系111-114
• 5.5 水压对高强混凝土破裂过程的影响114-124
• 5.5.1 高强混凝土的破裂过程114-116
• 5.5.2 高强混凝土破裂指标的确定116-117
• 5.5.3 水压对高强混凝土破裂指标的影响117-124
• 5.6 渗透水压加载历史对高强混凝土的破裂过程的影响124-127
• 5.6.1 渗透水压与流量的历史数据的分析方法与原理124-125
• 5.6.2 渗透水压与流量的历史数据的分析结果125-127
• 5.7 本章小结127-130
• 6 结论与展望130-136
• 6.1 结论130-133
• 6.2 主要创新点133-134
• 6.3 展望134-136
• 参考文献136-148
• 致谢148-150
• 作者简介150
• 在学期间发表的学术论文150
• 在学期间参加科研项目150
• 主要获奖150-151

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