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硫酸盐侵蚀和剪切破坏是隧道喷射混凝土常见的病害形式。其中,硫酸盐对喷射混凝土造成的损伤是一个涉及物理、化学和力学等多学科和宏观-细观-微观多尺度的漫长侵蚀过程,其机理十分复杂。如何有效揭示硫酸盐对隧道喷射混凝土的侵蚀机理,以及明晰硫酸盐侵蚀条件下隧道喷射混凝土剪切性能的经时演变特征,对于硫酸盐环境下隧道喷射混凝土耐久性能和承载性能的设计和优化具有重要的科学指导意义。本文依托国家自然科学基金面上项目“多场耦合作用下垃圾渗滤液对隧道支护结构的腐蚀机理研究(项目号:51578091)”,以喷射混凝土材料硫酸盐细观侵蚀机理和剪切破坏特征为研究主线,采用现场“喷大板”试验、室内物理力学试验、硫酸盐长期暴露试验以及多尺度检测技术等手段,结合材料力学、材料科学、岩土工程学、微观动力学和孔隙学等相关理论,对硫酸盐环境喷射混凝土的宏观力学性能长期退化规律、细观孔隙结构经时演变特征、微观侵蚀产物类型、形貌和分布特征,以及硫酸盐侵蚀后隧道喷射混凝土剪应力-剪位移响应、库伦剪切强度参数、剪切强度组件以及破坏模式与破坏准则的经时演变规律进行了较为系统的研究,主要研究内容和成果如下:(1)通过现场喷大板试验和室内物理力学试验,获得了标准的隧道喷射混凝土立方体试件及其基本物理力学参数。对喷射混凝土试件进行了多组直接剪切试验,研究了不同水灰比喷射混凝土试件在不同轴压条件下的剪切力学特性。结果表明,水灰比和轴压显著影响喷射混凝土的剪切力学性能。例如,较高的轴压条件(σ_N≧4 MPa)会导致试件产生剪切破坏,而较低轴压条件下(σ_N<4 MPa)试件以滑移破坏为主。(2)通过室内喷射混凝土试件硫酸盐侵蚀长期暴露试验,获得了其质量和单轴压缩强度的长期演化规律。结果表明,不同暴露方式条件下的喷射混凝土质量和强度随时间的演化特征有差别。与化学侵蚀条件相比,物理侵蚀条件下喷射混凝土试件的早期质量增长较小,而后期质量损失较大;对于强度损失,物理侵蚀条件下的喷射混凝土试件最终强度损失量较化学侵蚀条件下的试件要轻微。(3)通过对喷射混凝土材料内部的细观孔隙结构特征的分析,结合经典的孔隙分类方法,提出了一种新的水泥基多孔材料内部的孔隙分类方法。依据此方法,对喷射混凝土内部不同孔级的细观孔隙结构(孔隙和孔喉)进行了特征分析。结果表明,水灰比越大,喷射混凝土试件的总孔隙度越高,内部无害孔体积越少(胶凝孔和过渡孔),而三个等级的有害孔体积越多(毛细孔)。(4)结合材料科学、微观动力学和孔隙学等相关理论以及微观扫描分析,探讨了硫酸盐在喷射混凝土内部的传输机制、分布特征、反应原理以及结晶规律,详细阐述了硫酸盐对喷射混凝土的细观侵蚀机理。结果表明,不同暴露方式条件下的硫酸盐细观侵蚀机理差异显著。暴露方式一以化学侵蚀为主,化学侵蚀的细观机理是以前期硫酸盐侵蚀产物在细观有害孔级的孔隙和较小尺寸的孔喉(一级和二级孔喉)中产出导致的填充效应和中后期硫酸盐与水泥浆体反应消耗胶结材料所致的掏空效应为主要特征的漫长侵蚀过程;暴露方式二以物理侵蚀为主,物理侵蚀的细观机理是以前期硫酸盐侵蚀产物在较大孔径的孔隙(三级有害孔)中结晶析出产生的填充效应和中后期结晶体富集产生结晶压对孔壁和孔隙尖端附近区域造成的致裂效应为主要特征的漫长侵蚀过程。(5)通过对不同硫酸盐侵蚀时期的喷射混凝土试件进行直接剪切试验,研究了喷射混凝土试件剪切特性的经时演化特征。结果表明,硫酸盐侵蚀显著影响喷射混凝土试件的剪应力-剪位移响应、库伦剪切强度参数、剪切强度组件以及破坏准则和破坏模式的经时演变特征。随着暴露时间的增长,名义粘聚力线性降低,而名义内摩擦角先缓慢减小后加速降低,粘结组件呈现线性降低的趋势,剪胀率逐渐降低,而摩擦组件则出现先轻微提高而后逐渐降低的变化趋势。硫酸盐侵蚀会导致喷射混凝土试件的剪切强度破坏准则由侵蚀前的双线性摩尔库伦退化为侵蚀后的线性摩尔库伦准则,且侵蚀后的破坏模式以滑移破坏为主。(6)基于剪切试验数据,结合损伤力学理论和统计数学模型,建立了考虑硫酸盐侵蚀损伤作用的隧道喷射混凝土剪切模型。通过一系列验证,证明该剪切模型能够很好地预测硫酸盐侵蚀条件下喷射混凝土的基本剪切性能,模型误差在可控范围之内。