冻融循环作用下隧道喷射混凝土损伤试验研究

摘要

寒冷地区隧道喷射混凝土中赋存的孔隙水会在气温正负交替变化下冻结、融化,从而引起其材料的微观损伤、冻胀碎裂甚至破坏失稳。本文采用室内试验和损伤力学理论分析相结合的方法,制作了100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×300mm两种尺寸的C25喷射混凝土棱柱体试块,分别进行了快速冻融试验和单轴压缩试验,测试了经历0次、25次、50次、75次和100次冻融循环次数后试件的质量、动弹性模量、超声波波速、棱柱体轴心抗压强度、弹性模量和应力—应变曲线,对喷射混凝土冻融循环作用下的损伤力学特性进行了研究,建立了喷射混凝土受冻融次数影响的单轴压缩损伤本构模型,并与试验得到的单轴压缩应力—应变曲线进行了对比验证。主要结论如下:
　　(1)喷射混凝土在经历100次冻融循环后,质量损失平均值为0.95％,相对动弹性模量和相对超声波波速平均值分别为96.01%和94.21%,相对动弹性模量和相对超声波波速损失平均值分别为3.99%和5.79%,且质量损失、相对动弹性模量和相对超声波波速都是随着冻融循环次数的增加而降低,即退化规律一致。
　　(2)测试了喷射混凝土在不同冻融循环次数下的棱柱体轴心抗压强度和弹性模量。在冻融循环前,喷射混凝土棱柱体轴心抗压强度平均值为20.0MPa,经历100次冻融循环后,喷射混凝土棱柱体轴心抗压强度平均值为12.0MPa,相对应的损失为40%;在冻融循环前,喷射混凝土抗压弹性模量平均值为21.85GPa,在经历100次冻融循环后,喷射混凝土棱柱体抗压弹性模量平均值为14.49GPa,相对应的损失为33.68%。喷射混凝土棱柱体轴心抗压强度和弹性模量都是随着冻融次数的增加而减小。
　　(3)经过不同次数冻融循环作用后的喷射混凝土的应力—应变曲线变化趋势基本相似。随着冻融循环次数的增加,峰值点应力cf不断降低,相应的峰值应变c?和极限应变u?不断增大,曲线趋于扁平。
　　(4)以弹性模量为损伤变量,建立了喷射混凝土的冻融损伤演化方程,冻融损伤与冻融次数的关系可用一次函数表示。
　　(5)利用Lemaitre等效应变假设及其相应的损伤模型,得到了喷射混凝损伤本构模型,并将本构模型计算得到的应力—应变关系曲线与试验曲线进行了对比,结果表明所建立的损伤本构关系与试验结果基本一致,损伤力学模型是可靠的。
　　通过本文的研究,可为寒区隧道喷射混凝土损伤力学的研究提供必要的参考和借鉴作用,并且对寒区隧道的设计与施工具有一定的参考价值。

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第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及方法

第二章 喷射混凝土损伤试验方案

2.1 原材料及配合比

2.2 试件制作与养护

2.3 试验测试内容和试件编号

2.4 试验设备和试验方法

2.5 试验数据的处理

2.6 本章小结

第三章 喷射混凝土损伤试验结果与分析

3.1 快速冻融试验

3.2 单轴压缩试验

3.3 本章小结

第四章 喷射混凝土宏观损伤力学研究

4.1喷射混凝土损伤理论

4.2 喷射混凝土损伤演化方程

4.3 喷射混凝土损伤本构方程

4.4 喷射混凝土总损伤率的演化方程

4.5 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 主要结论

5.2 进一步研究的建议

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢