高溫差環(huán)境下引水洞襯砌及圍巖的強(qiáng)度特性研究.pdf

1、高溫環(huán)境將損傷混凝土結(jié)構(gòu)及巖體的力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的試驗(yàn)及理論研究,都是針對(duì)整體高溫下的混凝土而展開(kāi)的。而高溫隧洞中的大多數(shù)襯砌混凝土結(jié)構(gòu)處于特定較高的溫度變化范圍內(nèi),溫度高低變化及循環(huán)波動(dòng)對(duì)襯砌混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷乃至破壞對(duì)于高溫隧洞圍巖穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響目前無(wú)法量化估計(jì),國(guó)內(nèi)外針對(duì)這些處于復(fù)雜溫度狀態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)物在遭受高溫或溫度循環(huán)后的力學(xué)性能的研究,未見(jiàn)報(bào)道。以至于高溫隧洞結(jié)構(gòu)噴層的施工難于正常進(jìn)行。本文以新疆布侖口

2、—公格爾水電站高溫引水隧洞項(xiàng)目為背景,以國(guó)家自然基金項(xiàng)目《高溫環(huán)境下水工引水隧洞圍巖與支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)研究》(51179153)為依托,針對(duì)巖體工程中高溫隧洞的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)及洞周圍巖特有的環(huán)境特征,在高溫后及溫度循環(huán)后的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究及理論分析,從細(xì)觀上分析了其破壞機(jī)理,從宏觀上提出了適用于工程實(shí)際的模型與公式。得到以下主要研究成果:
　　(1)根據(jù)高溫隧洞噴層混凝土經(jīng)歷的高溫環(huán)境,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到了高溫下纖維

3、混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。即溫度的升高加快了水化反應(yīng)速率,促進(jìn)了混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展,使混凝土早期強(qiáng)度得到提高;隨著溫度的繼續(xù)升高導(dǎo)致水分遷移損失,水化反應(yīng)中能夠利用的水分逐漸減少,即溫度的上升會(huì)抑制混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展引起混凝土后期強(qiáng)度降低。
　　基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論,將高溫影響下水泥水化反應(yīng)過(guò)程中鈣離子濃度變化與材料的宏觀強(qiáng)度相結(jié)合,通過(guò)描述水泥混凝土膠結(jié)物受高溫影響的變化量,首次提出了一個(gè)能定量描述高溫對(duì)水泥水化過(guò)程中的水分影響,

4、從而影響水化反應(yīng)方向,進(jìn)而導(dǎo)致水化產(chǎn)物中鈣離子量改變的特征模型,建立出水泥基材料高溫下抗折強(qiáng)度細(xì)觀模型。運(yùn)用此細(xì)觀模型與采用試驗(yàn)測(cè)得的混凝土抗折強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,本文模型具有較好的合理性與可靠度。
　　(2)根據(jù)高溫隧洞混凝土噴層所經(jīng)歷的高溫差環(huán)境,對(duì)噴層混凝土進(jìn)行了不均勻溫度場(chǎng)及不均勻溫度梯度的溫度邊界系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究,得到了高溫差下混凝土噴層的強(qiáng)度變化規(guī)律。即隨著溫度差的增加,混凝土強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),不同的高分子纖維混

5、凝土受溫度的影響程度不同。對(duì)于混凝土試件的劈拉強(qiáng)度,通過(guò)試驗(yàn)方式對(duì)不同的混凝土材料經(jīng)歷高溫差后的早齡期劈拉強(qiáng)度性能進(jìn)行了探索研究,得到了噴層混凝土結(jié)構(gòu)早期劈裂抗拉強(qiáng)度受溫差影響的發(fā)展過(guò)程。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,基于彈性力學(xué)及熱力學(xué)理論,本文提出了考慮溫差因素的劣化影響因子,建立出溫差作用下混凝土早期劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)計(jì)算模型;并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,具有較好的一致性,且公式中包含溫度場(chǎng)環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的主要特征參數(shù),能夠較全面地反映出噴層混凝

6、土承受的溫度差影響和物理特性。
　　同時(shí),根據(jù)不均勻溫度梯度下混凝土強(qiáng)度劣化的機(jī)理分析,基于細(xì)觀力學(xué)的Eshelby和Mori-Tanaka理論,考慮溫度梯度下纖維和裂紋之間的相互作用,引入Claperyon方程描述了高溫環(huán)境下溫度梯度對(duì)水分遷移的影響,本文建立出高溫差下噴層纖維混凝土的細(xì)觀演化模型,展示了纖維體積份數(shù)、微裂紋密度等與混凝土基體開(kāi)裂強(qiáng)度之間的變化關(guān)系。
　　(3)根據(jù)襯砌混凝土運(yùn)行高溫差檢修低溫差工況下的熱力

7、學(xué)邊界條件,開(kāi)展相應(yīng)的高溫干濕循環(huán)試驗(yàn)研究,分析高溫隧洞中襯砌混凝土疲勞損傷的發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)表明,溫度循環(huán)加載下的強(qiáng)度值都低于非循環(huán)加載下的強(qiáng)度值。這充分說(shuō)明了在溫度循環(huán)荷載作用下試樣產(chǎn)生了疲勞效應(yīng)。溫度的干濕循環(huán)會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生劣化影響,從而使混凝土出現(xiàn)熱疲勞損傷。水泥混凝土內(nèi)的溫度場(chǎng)發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,使得混凝土強(qiáng)度降低,每次循環(huán)都將引起水泥基材料內(nèi)部產(chǎn)生新的變化,故循環(huán)次數(shù)和溫度變化對(duì)水泥基材料力學(xué)性質(zhì)的劣化具有巨大的影響。

8、
　　以細(xì)觀熱力學(xué)和損傷力學(xué)的理論為基礎(chǔ),結(jié)合混凝土疲勞損傷的發(fā)展規(guī)律,將冷熱反復(fù)溫度應(yīng)力影響下的疲勞塑性應(yīng)變作為損傷因子,然后從細(xì)觀受力分析出發(fā),建立冷熱反復(fù)溫差下襯砌混凝土的疲勞損傷模型。該模型將冷熱溫度循環(huán)次數(shù)與引水洞襯砌的使用年限聯(lián)系起來(lái),具有重要的現(xiàn)實(shí)推廣意義。
　　(4)對(duì)于溫度場(chǎng)作用下的裂隙巖體,基于對(duì)含裂隙類巖石材料細(xì)觀破壞特征的分析,對(duì)其代表性體積單元RVE(representative volume el