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原文传递基于多因素耦合的锚杆锚固结构耐久性研究

论文题名：	基于多因素耦合的锚杆锚固结构耐久性研究
关键词：	锚杆锚固;多因素耦合;应力腐蚀;颗粒流程序;结构耐久性
摘要：	随着中国的改革开放和城镇化进程的推进，特别是“一带一路”战略的实施，锚杆锚固结构在我国岩土锚固工程中得到空前广泛的应用。其发展速度之快、应用规模之大，应用量之多已跃居世界之首。但另一方面，锚杆锚固结构所处自然环境大多十分恶劣，各种腐蚀性介质及杂散电流广泛存在，同时在荷载的作用下，还存在严重的应力腐蚀。锚杆锚固结构在这样的工作环境和长期使用条件下会逐渐老化，损伤甚至破坏，世界各地均发生过由于耐久性不足而导致锚固失效的工程实例，有学者甚至将之比喻为“定时炸弹”。可见，锚固体结构耐久性研究的重要性和紧迫性。　　世界范围内的众多学者对混凝土结构进行了大量理论与实验研究，深入研讨了各种实际工程中遇到的混凝土结构耐久性问题。但其研究范围主要局限于钢筋混凝土结构。而钢筋混凝土结构的工作环境、受力状态与锚固体结构有着较大的差别，钢筋混凝土结构的研究结果不能完全直接运用于锚固结构。锚杆锚固结构耐久性研究工作意义重大，但该领域的研究尚处于基础阶段，相关的实验模型、试验方法、实验数据的分析、实验成果与实际工程评估体系的结合等都还有大量问题亟需解决。　　在土壤及岩石环境中，影响锚固体结构耐久性的因素很多，且这些因素相互影响，表现出很强的随机性和模糊性，本文通过实验和理论分析，对多因素耦合条件下锚杆锚固系统的腐蚀退化机理进行分析；对多种腐蚀介质与应力作用复合条件下锚杆锚固结构耐久性影响因素进行了研究，结合层次分析法和模糊数学理论，采用模糊综合评价方法评估了锚固结构的耐久性。具体的工作及成果如下：　　①设计符合实际受力状态的新型锚杆试件，建立考虑多因素耦合的锚杆锚固结构耐久性试验系列新方法。对锚固试件使用不同浓度的单一介质腐蚀溶液、复合介质腐蚀溶液在长期浸泡、浸烘循环、长期荷载等复合条件下进行了实验研究。通过对实验结果的分析，研究锚杆锚固系统在复杂因素作用下的腐蚀损伤机理，为研究锚杆体在多因素耦合作用下的腐蚀介质扩散规律提供支撑。　　②使用热学方法对腐蚀介质在锚固体内部扩散的过程进行了研究。本文通过对比 PFC2D的热学模拟结果与理论公式结果，验证了 PFC2D热学模拟的正确性。进行了单一氯离子在水泥砂浆锚固体中扩散的 PFC2D模拟、浸烘循环的模拟、硫酸盐对氯离子在砂浆锚固体中扩散的影响模拟研究，并与实验结果进行了对比验证。　　③创新性的使用细观断裂力学理论对锚固体在长期拉应力作用下的微裂缝开展进行了研究。本文通过化学反应速率理论和裂纹增长动力学知识推导了锚固体在长期拉应力作用下裂纹开展的时间效应相关参数，然后结合 PFC2D的平行黏结模型推导了如何计算时间增长减少平行黏结直径、估计黏结失效的时间。本文进行了锚固体在长期拉应力作用下的应力腐蚀裂纹模拟研究，并与实验结果进行了对比。　　④进行了考虑化学腐蚀对应力腐蚀影响的研究。实验证明，腐蚀介质进入砂浆锚固体内部，发生化学反应，生成难溶的盐类矿物，引起膨胀、开裂，导致砂浆锚固体的劣化，加速了应力腐蚀的发生。本文通过 PFC2D的热学计算模块和力学计算模块研究这种影响。在计算过程中，根据热学模块的计算结果获得氯离子浓度；再调用应力腐蚀子程序，利用氯离子浓度对混凝土裂纹扩张临界应力进行修正，模拟砂浆锚固体的开裂情况。与实验结果的对比证明这一方法比单纯考虑应力腐蚀的计算方法更加接近实际。　　⑤建立了“考虑热学-细观力学耦合的锚固体内部腐蚀介质扩散模拟方法”。在计算过程中，进行 PFC2D的热学模块和力学模块的耦合计算，热学模块输出氯离子浓度分布情况，力学模块根据氯离子浓度对应力腐蚀的结果进行修正；另一方面力学模块输出模型的应力、裂纹生成等信息，热学模块读取这些信息后允许模型的热学边界做出修正，生成新的热学计算的“边界条件”。通过与实验数据的对比，证明耦合计算能较好地模拟砂浆锚固体在长期拉力以及腐蚀介质复合作用下的开裂和腐蚀的情况。　　⑥分析了腐蚀性离子侵蚀锚固体和钢筋开始腐蚀失效的各种不确定因素，建立了基于一次二阶矩理论的半分析概率预测模型，用于计算锚固系统达到一定概率发生腐蚀破坏或者钢筋达到腐蚀失效需要的试件，与传统的确定性分析模型相比，新模型可以研究锚固体系的腐蚀失效概率关于各参数的敏感性，可以分析这些影响因素的平均值和变异系数的影响。　　⑦从结构层次全面分析了影响锚固体结构耐久性的各种因素及其特点，建立锚固结构耐久性评估新方法。利用层次分析和模糊数学理论，突破停留在构件层次上的锚固结构耐久性研究，从结构层次讨论锚固结构耐久性，与实际工况更为接近。　　本文通过实验和理论分析，对多因素耦合条件下锚杆锚固结构耐久性展开了一系列研究，希望取得的研究成果能起到抛砖引玉的作用，为今后的研究提供一些思路与方法。
作者：	梁健
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张永兴;王桂林
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文