高溫差環(huán)境下引水洞襯砌及圍巖的強度特性研究.pdf

1、高溫環(huán)境將損傷混凝土結(jié)構(gòu)及巖體的力學性能。國內(nèi)外關(guān)于這方面的試驗及理論研究,都是針對整體高溫下的混凝土而展開的。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)波動對襯砌混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷乃至破壞對于高溫隧洞圍巖穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響目前無法量化估計,國內(nèi)外針對這些處于復雜溫度狀態(tài)的混凝土結(jié)構(gòu)物在遭受高溫或溫度循環(huán)后的力學性能的研究,未見報道。以至于高溫隧洞結(jié)構(gòu)噴層的施工難于正常進行。本文以新疆布侖口

2、—公格爾水電站高溫引水隧洞項目為背景,以國家自然基金項目《高溫環(huán)境下水工引水隧洞圍巖與支護襯砌結(jié)構(gòu)受力特點研究》(51179153)為依托,針對巖體工程中高溫隧洞的混凝土支護結(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)后的力學性能進行了系統(tǒng)的試驗研究及理論分析,從細觀上分析了其破壞機理,從宏觀上提出了適用于工程實際的模型與公式。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,通過室內(nèi)試驗得到了高溫下纖維

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

4、從而影響水化反應方向,進而導致水化產(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度細觀模型。運用此細觀模型與采用試驗測得的混凝土抗折強度值進行對比驗證,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,對噴層混凝土進行了不均勻溫度場及不均勻溫度梯度的溫度邊界系統(tǒng)實驗研究,得到了高溫差下混凝土噴層的強度變化規(guī)律。即隨著溫度差的增加,混凝土強度總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,不同的高分子纖維混

5、凝土受溫度的影響程度不同。對于混凝土試件的劈拉強度,通過試驗方式對不同的混凝土材料經(jīng)歷高溫差后的早齡期劈拉強度性能進行了探索研究,得到了噴層混凝土結(jié)構(gòu)早期劈裂抗拉強度受溫差影響的發(fā)展過程。在試驗的基礎上,基于彈性力學及熱力學理論,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度預測計算模型;并與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行了對比,具有較好的一致性,且公式中包含溫度場環(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,根據(jù)不均勻溫度梯度下混凝土強度劣化的機理分析,基于細觀力學的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裂強度之間的變化關(guān)系。
　　(3)根據(jù)襯砌混凝土運行高溫差檢修低溫差工況下的熱力

7、學邊界條件,開展相應的高溫干濕循環(huán)試驗研究,分析高溫隧洞中襯砌混凝土疲勞損傷的發(fā)展規(guī)律。試驗表明,溫度循環(huán)加載下的強度值都低于非循環(huán)加載下的強度值。這充分說明了在溫度循環(huán)荷載作用下試樣產(chǎn)生了疲勞效應。溫度的干濕循環(huán)會對混凝土的強度產(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)的溫度場發(fā)生變化會產(chǎn)生熱應力,使得混凝土強度降低,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)和溫度變化對水泥基材料力學性質(zhì)的劣化具有巨大的影響。

8、
　　以細觀熱力學和損傷力學的理論為基礎,結(jié)合混凝土疲勞損傷的發(fā)展規(guī)律,將冷熱反復溫度應力影響下的疲勞塑性應變作為損傷因子,然后從細觀受力分析出發(fā),建立冷熱反復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,具有重要的現(xiàn)實推廣意義。
　　(4)對于溫度場作用下的裂隙巖體,基于對含裂隙類巖石材料細觀破壞特征的分析,對其代表性體積單元RVE(representative volume el