【摘要】：本文針對開采沉陷區(qū)的輸電線路中輸電塔基的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,從適用于煤礦中的可伸長錨桿力學特性入手,進行了適用于開采沉陷區(qū)輸電塔基的恒阻拉伸抗壓錨桿的結構設計、加固力學機理、力學特性、控制對策的研究。對開采沉陷區(qū)輸電塔基典型的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象及其失穩(wěn)破壞特征進行了分析研究,根據(jù)開采沉陷區(qū)對地表變形影響的類型分析,輸電塔基出現(xiàn)了不同的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,表現(xiàn)出如下破壞特征:整體下沉,不均勻沉降,基礎開裂、錯動,基礎滑移,基礎傾斜。并對其失穩(wěn)原因進行了分析歸納,發(fā)現(xiàn)尤其對開采沉陷區(qū)而言,不均勻沉降對基礎的影響尤為顯著。以開采沉陷區(qū)中常用的大板基礎為例,詳細分析了不均勻沉降對大板基礎的影響,發(fā)現(xiàn)對某些開采引起的地表嚴重不均勻沉降導致的基礎隨之產生的不均勻沉降而言,傳統(tǒng)的剛性調整措施已不能有效抵抗不均勻沉降對基礎和桿塔的影響。針對開采沉陷區(qū)輸電塔基出現(xiàn)的不均勻沉降現(xiàn)象,提出了適用于開采沉陷區(qū)輸電塔基的恒阻拉伸抗壓錨桿的理念,并具體詳細描述了恒阻拉伸抗壓錨桿的結構組成及其結構特性,錨桿主要結構構件包括螺母、恒阻裝置、抗壓裝置、球狀體、連接裝置、基礎錨固桿,恒阻拉伸抗壓錨桿與以往普通錨桿相比,集恒定拉力、大拉伸量、強抗壓性、高吸收能量能力的特點于一體,能夠提高在開采沉陷區(qū)輸電桿塔錨桿基礎中錨桿在拉、壓兩方向對基礎和桿塔的控制調節(jié)能力,有效抵抗地面不均勻沉降,從而保證輸電塔基的穩(wěn)定性,保障開采沉陷區(qū)輸電線路的安全運行。對恒阻拉伸抗壓錨桿在靜力拉伸實驗、承壓實驗和承壓后拉伸實驗中的工作機理和力學機制進行了分析�？芍�,恒阻拉伸抗壓錨桿在靜力拉伸實驗中經(jīng)歷三個階段,在第一階段中恒阻拉伸抗壓錨桿所受拉力小于設計恒定拉力值,第二階段中阻拉伸抗壓錨桿保持恒定的拉力值且發(fā)生較大的設計伸長量,第三階段中隨著伸長量達到錨桿設計伸長量值,桿體運動至套筒端部即抗壓自鎖裝置部位,隨拉力增大,桿體斷裂,拉力值降為零,至此恒阻拉伸抗壓錨桿靜力拉伸實驗結束。恒阻拉伸抗壓錨桿在承壓模擬實驗中經(jīng)歷三個階段,第一個階段,當恒阻拉伸抗壓錨桿所受實驗系統(tǒng)施加的拉力為零或拉力極小時,錨桿所受拉力也未能使桿體帶動鎖片向左運動;第二個階段,隨著錨桿受到的外界模擬壓力也增大,自鎖裝置與桿體之間所產生的合力用來抵抗實驗系統(tǒng)拉伸夾持端的拉力,即抵抗錨桿受到的外界模擬壓力;第三個階段,錨桿受到的外界模擬壓力達到設定壓力值時,停止實驗,此時桿體與抗壓自鎖裝置由于相互之間力的作用而固定在一起。在承壓后拉伸實驗中經(jīng)歷兩個階段,第一個階段,因抗壓自鎖裝置與桿體之間有相互作用力,當實驗系統(tǒng)對錨桿的拉力較小時,拉力值尚未能夠把桿體從抗壓自鎖裝置中拉出,此時桿體與抗壓自鎖裝置不會產生相對運動;第二個階段,隨著實驗系統(tǒng)拉伸夾持端對錨桿的拉力逐漸增大,當拉力值增大到足以把桿體從抗壓自鎖裝置中拉出時,實驗系統(tǒng)拉力值出現(xiàn)最大值,隨即變小至0,最大拉力值即為能夠拉開承壓時對應的拉開力的力值。錨桿在承壓與拉伸的反復實驗中,錨桿反復經(jīng)歷上述階段,進而通過實驗中對應的數(shù)據(jù)對錨桿的承壓和承壓后拉伸力大小的關系對錨桿的性能進行研究。并對恒阻拉伸錨桿在開采沉陷區(qū)的大板基礎中的控制機理進行了分析,建立了適用于開采沉陷區(qū)輸電塔基的恒阻拉伸抗壓錨桿及基礎的能量本構關系。通過對恒阻拉伸抗壓錨桿進行單根、多根靜力拉伸實驗、單根模擬抗壓實驗、不同直徑的錨桿承壓實驗以及承壓后拉伸實驗,對數(shù)據(jù)進行分析處理后得到以下結論:(1)內桿直徑22mm的恒阻拉伸抗壓錨桿充分說明了恒阻拉伸抗壓錨桿的恒阻、大拉伸量特點,平均恒阻值達到了51.87kn,平均伸長量達到了571.33mm,靜力拉伸實驗中恒阻拉伸抗壓錨桿恒阻裝置的套筒均有一定的伸長量,在16.33mm左右,且直徑都有所增大,連接螺母與抗壓裝置端變化很小,中間部分變化較兩端明顯,錨桿拉斷后錨桿套筒部分均未破壞,所以直徑、長度部分的變化都未對錨桿的拉伸力學性能造成影響;錨桿吸收能量平均為44.29kj,恒阻部分平均吸收能量27.91kj,遠大于普通錨桿的吸收能量值,且隨著錨桿拉伸量越大,吸收能量能力越強。(2)兩根恒阻拉伸抗壓錨桿組合充分說明了恒阻拉伸抗壓錨桿的高恒阻、大拉伸量特點,兩根錨桿組合平均恒阻值達到了102.14kn,平均伸長量達到了566.70mm;靜力拉伸實驗中恒阻拉伸抗壓錨桿恒阻裝置的套筒均有一定的伸長量,通過對實驗中各錨桿的套筒累計伸長量數(shù)據(jù)分析,兩根錨桿拉伸變形不協(xié)調;且直徑都有所增大,連接螺母與鎖具端變化很小,中間部分變化較兩端明顯,錨桿拉斷后錨桿套筒部分均未破壞,所以直徑、長度部分的變化都未對錨桿的強度造成影響;兩根錨桿吸收能量平均為54.31kj,遠大于普通錨桿的吸收能量水平,且隨著錨桿拉伸量越大,吸收能量能力越強。(3)內桿直徑22mm的四根恒阻拉伸抗壓錨桿組合充分說明了恒阻拉伸抗壓錨桿的恒阻、大拉伸量的特點,四根錨桿組合后平均恒阻值達到了203.99kn,平均伸長量達到了553.60mm;靜力拉伸實驗中恒阻大變形錨桿恒阻裝置的套筒均有一定的伸長量,在6.9mm左右,且直徑都有所增大,連接螺母與鎖具端變化很小,中間部分變化較兩端明顯,錨桿拉斷后錨桿套筒部分均未破壞,所以直徑、長度部分的變化都未對錨桿的強度造成影響;四根錨桿組合后吸收能量平均為107.18kj,遠大于普通錨桿的吸收能量水平,且隨著錨桿拉伸量越大,吸收能量能力越強。(4)對于桿體直徑42mm和32mm的恒阻大變形錨桿仍具有恒阻拉伸抗壓錨桿的恒阻、大拉伸量的特點,其中桿體直徑為42mm的錨桿恒阻值達到了139.34KN,伸長量達到了646mm,桿體直徑為32mm的錨桿恒阻值達到了90.25KN,伸長量達到了634mm,恒阻值均大于桿體直徑22mm的錨桿(恒阻值平均51.87KN),故隨著桿體直徑增大,恒阻值也提高;靜力拉伸實驗中恒阻拉伸抗壓錨桿恒阻裝置的套筒均有一定的伸長量,但變化很小,在4mm左右,桿體拉出后錨桿套筒部分均未破壞;錨桿在拉伸過程中均有能量的吸收,其中桿體直徑為42mm的錨桿吸收能量為80.94KJ,桿體直徑為32mm的錨桿吸收能量為54.13KJ,遠大于普通錨桿的吸收能量水平,且大于桿體直徑為22mm的錨桿,隨著桿體直徑增大,吸收能量能力越強。(5)承壓后拉伸實驗中,錨桿伸長后能夠通過抗壓裝置自鎖,保持錨桿具有較高的抗壓承載能力,直徑42mm的錨桿可以提供800KN的抗壓力,錨桿的抗壓力隨錨桿直徑的增大而增大;在很小拉力作用下內桿就可以從套筒內拉出,且承壓力越小,所需的拉開力也越小;錨桿抗壓自鎖裝置可以經(jīng)受反復拉壓,抗壓自鎖性能不受影響。通過數(shù)值模擬對濟三煤礦回采工作面的開挖對于地表輸電塔基的影響進行了分析對比,對不同位置的輸電塔基進行了對比分析,其沉降量都超過了規(guī)范值,所采用的大板基礎不能夠提供足夠的調節(jié)能力,運用恒阻拉伸抗壓錨桿后,通過恒阻拉伸抗壓錨桿的支護后基礎沉降量得到了有效控制,驗證了在開采沉陷區(qū)輸電塔基恒阻拉伸抗壓控制對策的有效性。通過大量系統(tǒng)的研究工作,本文針對開采沉陷區(qū)的輸電塔基的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,揭示了開采沉陷區(qū)不均勻沉降下輸電塔基的失穩(wěn)機理,研發(fā)了適用于開采沉陷區(qū)輸電塔基的恒阻拉伸抗壓錨桿的結構,揭示了其加固力學機理和能量本構關系,掌握了恒阻拉伸抗壓錨桿的靜荷載下拉伸、抗壓、抗壓后拉伸等力學特性,形成了開采沉陷區(qū)輸電塔基恒阻拉伸抗壓控制對策。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU476

【參考文獻】

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本文編號：2527390