深厚表土环境中RC井壁结构力学性能退化规律及寿命预测研究

摘要

钢筋混凝土结构力学性能的退化是在自然环境与力学环境多种因素耦合作用下进行的，是一个非常复杂的交互影响与相互叠加的过程，也是引起钢筋混凝土结构可靠度降低与寿命缩短的根本原因。本文采用理论分析、工程实测、物理试验与数值计算相结合的方法，对深厚表土环境主要特征、高强混凝土材料性能退化规律、井壁结构力学性能退化规律、井壁结构可靠性评价及寿命预测与井壁结构防治技术进行研究分析，旨在为理论设计与实际工程提供相应的指导。本研究主要内容包括：
　　⑴通过对巨野地区煤矿的钢筋混凝土井壁结构及环境进行现场调研，凝练出井壁结构、井壁内壁与外壁的自然环境与力学环境主要特征，分析得到了深厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构的力学性能退化机制。通过对深厚表土环境的环境室模拟试验，得到了在该环境中三个强度等级共5个周期468个高强混凝土标准试件的立方体抗压强度与应力-应变全曲线。不同环境中高强混凝土强度变化规律不同，随着侵蚀时间的增长，高强混凝土抗压强度与应力-应变全曲线在模拟内壁环境中均处于逐渐降低阶段，其中混凝土强度越高，降低的程度越低；高强混凝土抗压强度与应力-应变全曲线在模拟外壁环境中先处于上升阶段，然后随着周期的增加，将进入下降阶段，其中强度越高，降低的程度越低。三个强度等级的单掺粉煤灰混凝土在环境1中强度损失率最大为6.4％、4.9%与3.7%，在环境2中强度损失率最大为6.9%、5.3%与4.2%，在环境3中强度损失率最大为7.6%、5.6%与4.8%；三个强度等级的双掺粉煤灰与硅灰混凝土在环境1中强度损失率最大为6.3%、4.3%与3.3%，在环境2中强度损失率最大为6.8%、4.9%与4.0%，在环境3中强度损失率最大为7.4%、5.3%与4.4%。基于高强混凝土抗压强度损失率建立了高强混凝土腐蚀层厚度的估计模型；结合损伤力学的相关知识与三参数的Weibull分布，建立起了高强混凝土受侵蚀后的应力-应变方程。对不同周期的高强混凝土进行了XRD与XRF微观分析，从微观角度分析了退化高强混凝土的生成物与化学成分。
　　⑵通过对厚、中厚、深厚及巨厚表土深度中的钢筋混凝土井壁结构力学性能与井壁结构力学性能退化共16个模型的数值计算，并且选取深厚表土中一段钢筋混凝土井壁进行力学性能退化的物理试验，得到并验证了表土中竖向附加力是钢筋混凝土井壁破裂的主要原因。随着井壁外侧的竖向附加力不断增大，同时钢筋混凝土井壁混凝土材料性能在内壁与外壁所处不同环境的退化，井壁会更早的在表土段与基岩交界处内壁内侧出现开裂，然后裂缝在交界处附近发展，最后井壁的基岩与表土交界部分大面积压碎破坏。物理试验主要环境分为环向加载-自然养护、环向加载+腐蚀、竖向加载+环向加载+腐蚀三种，一定周期后对井壁进行力学性能退化试验。随着周期的增长，腐蚀环境的钢筋混凝土井壁会出现不同程度的劣化，其中加有竖向荷载的钢筋混凝土井壁的开裂荷载与极限荷载比不加竖向荷载的井壁低，主要原因是竖向荷载使钢筋混凝土井壁的外表面出现了微裂缝，加速了有害离子对井壁的侵蚀。通过高强混凝土材料在深厚表土环境中的损伤与退化机理的理论分析，基于损伤力学的相关理论，建立了高强混凝土腐蚀损伤模型，并将拟合曲线与试验曲线进行了相应的对比；基于损伤力学的相关理论，得到了高强混凝土损伤本构模型；基于双剪统一强度理论，分析了钢筋混凝土井壁结构力学性能的退化规律，并得到了深厚表土层与基岩交界处井壁应力场分布。
　　⑶依据理论分析、现场实测、物理试验与数值计算的结果，提出了钢筋混凝土井壁结构的可靠度计算方法。在考虑荷载与效应二维因素条件下，基于MATLAB软件得到了不同表土深度中钢筋混凝土井壁结构在不同混凝土强度与荷载条件下的可靠指标与失效概率，同时依据钢筋混凝土井壁结构可靠性理论建立了钢筋混凝土井壁结构可靠指标与使用寿命之间的关系；基于相关规定的可靠度指标，得到了钢筋混凝土井壁结构的可靠指标随使用寿命的变化曲线。依据钢筋混凝土井壁结构的破裂机理与可靠指标变化，进行了针对性方式治理与预防的数值计算与理论研究。钢筋混凝土井壁破裂后采用开设卸压槽与增设套壁的方式进行治理，随着竖向附加力继续增大，钢筋混凝土井壁依旧会破坏，其破坏机理主要为卸压槽上下附近的内壁内侧出现径向劈裂破坏，然后裂缝向卸压槽上下远处不断的扩展，最后外壁压坏卸压。钢筋混凝土井壁采用在内壁设立钢结构可压缩层的方式进行预防，减少内壁的竖向应力，达到井壁在煤矿生产年限内能够满足安全使用性的要求。

目录

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和意义(Research Backgroud and Significance)

1.2 深厚表土环境中 RC 井壁结构与环境特征（Features of RC Shaft Structure and Environment in Deep Thick Alluvium Environment）

1.3 深厚表土环境中混凝土材料性能退化规律（ Law of Performance Degradation of Concrete Materials in Deep Thick Alluvium Environment）

1.4 深厚表土环境中RC井壁结构力学性能退化规律（Degradation Law of RC Shaft Structure in Deep Thick Alluvium Environment）

1.5 深厚表土环境中 RC 井壁结构可靠性评价及寿命预测（Reliability Evaluation and Life Prediction of RC Shaft Structure in Deep Thick Alluvium Environment）

1.6 深厚表土环境中 RC 井壁结构破裂防治技术（Prevention and Cure Technology of RC Shaft Structure in Deep Thick Alluvium Environment）

1.7 主要存在问题（Major Problems）

1.8 研究内容与技术路线（Research Contents and Technical Route）

2 深厚表土环境中RC井壁结构与环境特征

2.1 测试方案(Test Scheme)

2.2 井壁结构参数（Parameter of Shaft Structure）

2.3 井壁自然环境（Natural Environment of Shaft）

2.4 井壁力学环境（Mechanical Environment of Shaft）

2.5 本章小结（Chapter Summary）

3 深厚表土环境中 RC 井壁结构力学性能退化规律与寿命预测研究方案设计

3.1 深厚表土环境实验室模拟（ Laboratory Simulation of Deep Thick Alluvium Environment）

3.2 竖向附加力模拟（Simulation of Vertical Additional Force）

3.3 原材料性能（Raw Material Properties）

3.4 高强混凝土配方设计（Design of Concrete Formula）

3.5 总体研究方案（Design of Overall Research Project）

4 深厚表土环境中高强混凝土材料性能退化规律

4.1 试验方案（Test Scheme）

4.2 高强混凝土抗压强度损失规律及预测模型（ Law of Deterioration Rule and Prediction Model of Compressive Strength of High Strength Concrete）

4.3 高强混凝土应力应变全曲线变化规律（Variation Law of Stress and Strain Curves of High Strength Concrete）

4.4 劣化高强混凝土微观分析（ Microscopic Analysis of Deteriorated High Strength Concrete）

4.5 本章小结(Chapter Summary)

5 深厚表土环境中RC井壁结构力学性能数值计算

5.1 计算方案(Calculation Scheme)

5.2 钢筋混凝土井壁结构破坏的弹塑性理论（Elastic-Plastic Theory of Reinforced Concrete Shaft Structure Damage）

5.3 厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能（ Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft Structure in Alluvium Environment）

5.4 中厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能（Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft Structure in Thick Alluvium Environment）

5.5 深厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能（Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft Structure in Deep Thick Alluvium Environment）

5.6 巨厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能（Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft Structure in Mega-Thick Alluvium Environment）

5.7 本章小结(Chapter Summary)

6 深厚表土环境中RC井壁结构力学性能退化数值计算

6.1 计算方案(Calculation Scheme)

6.2 钢筋混凝土井壁结构力学性能退化后破坏的弹塑性理论（Elastic-Plastic Theory of Deteriorated Reinforced Concrete Shaft Structure Damage）

6.3 厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能退化（Mechanical Properties Degradation of Reinforced Concrete Shaft Structure in Alluvium environment）

6.4 中厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能退化（Mechanical Properties Degradation of Reinforced Concrete Shaft Structure in Thick Alluvium Environment）

6.5 深厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能退化（Mechanical Properties Degradation of Reinforced Concrete Shaft Structure in Deep Thick Alluvium Environment）

6.6 巨厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构力学性能退化（Mechanical Properties Degradation of Reinforced Concrete Shaft Structure of Mega-Thick Alluvium Environment）

6.7 钢筋混凝土井壁时变破裂形态（Time Varying Fracture State of Reinforced Concrete Shaft）

6.8 本章小结(Chapter Summary)

7 深厚表土环境中RC井壁结构力学性能退化物理试验

7.1 试验方案（Test Program）

7.2 钢筋混凝土井壁劣化特征（ Deterioration Chara cteristics of Reinforced Concrete Shaft）

7.3 钢筋混凝土井壁试验现象及破坏特征（Test Phe nomena and Reinforced Concrete Shaft）

7.4 钢筋混凝土井壁荷载-位移关系（ Load Displacement Relationship of Reinforced Concrete Shaft）

7.5 钢筋混凝土井壁荷载-应变关系（Load Strain Relationship of Reinforced Concrete Shaft）

7.6 钢筋混凝土井壁极限承载力（ Ultimate Bearing Capacity of Reinforced Concrete Shaft）

7.7 本章小结(Chapter Summary)

8 深厚表土环境中RC井壁结构力学性能退化规律

8.1 高强混凝土材料性能退化机理（ Performance Degradation Mechanism of High Strength Concrete Materials）

8.2 高强混凝土损伤退化演化模型（Damage Evolution Model of High Strength Concrete）

8.3 高强混凝土损伤演化本构模型（ Damage Evolution and Constitutive Model of High Strength Concrete）

8.4 钢筋混凝土井壁结构物理试验与数值计算结果对比（Comparison of Physical Test and Numerical Calculation Results of Reinforced Concrete Shaft Structure）

8.5 钢筋混凝土井壁结构破裂机理（ Fracture Mechanism of Reinforced Concrete Shaft）

8.6 钢筋混凝土井壁结构力学性能退化规律（Degrada tion Law of Mechanical Properties of Shaft Structure）

8.7 本章小结(Chapter Summary)

9 深厚表土环境中RC井壁结构可靠性评价及寿命预测

9.1 钢筋混凝土井壁结构可靠性评价研究（ Study of Reliability Evaluation of Reinforced Concrete Shaft Structure）

9.2 钢筋混凝土井壁结构可靠性评价实例(Example of Reliability Evaluation of Reinforced Concrete Shaft Structure)

9.3 钢筋混凝土井壁结构寿命预测研究（Study of Life Prediction of Reinforced Concrete Shaft Structure）

9.4 钢筋混凝土井壁结构寿命预测实例(Examples of Life Prediction of Reinforced Concrete Shaft Structure)

9.5 本章小结(Chapter Summary)

10 深厚表土环境中RC井壁结构破裂防治技术

10.1 研究方案(Research Program)

10.2 厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构破裂后治理的力学性能（Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft after Fracture Treatment in Alluvium Environment）

10.3 中厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构破裂后治理的力学性能（Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft after Fracture Treatment in Thick Alluvium Environment）

10.4 深厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构预防后的力学性能（ Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft after Prevention in Deep Thick Alluvium Environment）

10.5 巨厚表土环境中钢筋混凝土井壁结构预防后的力学性能（ Mechanical Properties of Reinforced Concrete Shaft after Prevention in Mega-Thick Alluvium Environment）

10.6 钢筋混凝土井壁结构破裂后治理的二次破裂机理(Twice Fracture Mechanism of Reinforced Concrete Shaft after Treatment)

10.7 钢筋混凝土井壁结构可压缩层的卸压效应(Pressure Relief Effect of Reinforced Concrete Shaft with Compressible Layer)

10.8 钢筋混凝土井壁结构破裂后的治理技术（Cure Technology of Reinforced Concrete Shaft Fracture）

10.9 钢筋混凝土井壁结构破裂的预防技术（ Prevention of Reinforced Concrete Shaft Fracture）

10.10 本章小结(Chapter Summary)

11 结论与展望

11.1 主要结论（Main Conclusion）

11.2 创新点（Innovation Point）

11.3 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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