【摘要】：礦產(chǎn)資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的主要引擎之一,是我國(guó)努力建設(shè)成為世界一流強(qiáng)國(guó)的重要支柱,它的戰(zhàn)略意義不言而喻。因此自建國(guó)以來我們國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的利用和開采都呈上升趨勢(shì),由于長(zhǎng)時(shí)間的開采以及國(guó)家的工業(yè)化和機(jī)械化水平不斷增強(qiáng),致使多數(shù)淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭,國(guó)家的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略由淺部逐步向深部轉(zhuǎn)移。然而進(jìn)入深部開采后,各種地質(zhì)條件變的復(fù)雜,采礦難度增大,危險(xiǎn)因素增加,致使很多工程的安全問題亟需解決。以露天開采為例,它是我國(guó)金屬礦的主要開采方式,隨著開采規(guī)模和采場(chǎng)深度的增加,高陡邊坡的大變形問題日益凸顯,最終導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)和其它潛在危險(xiǎn)不斷增大,從而對(duì)人員和設(shè)備造成非常大的威脅。由于邊坡變形緩慢不易察覺,且當(dāng)邊坡達(dá)到臨滑狀態(tài)時(shí)影響其最終發(fā)生破壞的原因多種多樣,所以僅通過控制影響因素的方式來保證邊坡的穩(wěn)定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,而需要在災(zāi)害發(fā)生之前對(duì)邊坡和圍巖進(jìn)行最大限度的保護(hù)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外露天礦邊坡的防護(hù)和監(jiān)測(cè)手段以錨索作為主要承載體,而對(duì)于錨索在工程上的廣泛應(yīng)用除了具有成本低、使用方便簡(jiǎn)單外,還有其較強(qiáng)的力學(xué)性能。例如錨索的承載力、變形量等,這些力學(xué)參數(shù)決定了錨索加固的有效性。邊坡高度隨著采礦深度的增加而不斷增高,巖體的臨空面變大,重力勢(shì)能增加,節(jié)理充分發(fā)育,加之外在自然因素和人為因素的影響,使得邊坡產(chǎn)生大的變形,穩(wěn)定性大大降低。這些不利因素對(duì)錨索提出了更高要求,而對(duì)于傳統(tǒng)錨索來講由于材料本身的限制和自身結(jié)構(gòu)上的缺陷,使其不能較好的適應(yīng)巖體所產(chǎn)生的大變形破壞,最終導(dǎo)致支護(hù)失效。鑒于當(dāng)前傳統(tǒng)錨索力學(xué)性能的局限性以及所面臨工程環(huán)境的嚴(yán)峻性,亟待開發(fā)具有超常力學(xué)性能的支護(hù)錨索,并構(gòu)建新的關(guān)于非線性巖體的本構(gòu)關(guān)系,繼而形成一整套適用于巖體大變形的錨索支護(hù)體系。2011年深部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)何滿潮院士團(tuán)隊(duì),研發(fā)了一種具有高恒阻、大延伸率、吸能強(qiáng),且在整體結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻錨索,簡(jiǎn)稱為NPR錨索。自NPR錨索研發(fā)以來,已在室內(nèi)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn),包括靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),并成功應(yīng)用于很多露天礦邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和控制之中,成果顯著。通過總結(jié)歷年研究成果并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),至今為止有四個(gè)方面內(nèi)容還未探究:第一,NPR錨索變化規(guī)律的深入研究。如恒阻器的變形規(guī)律、恒阻體在恒阻器中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、NPR錨索負(fù)泊松比規(guī)律及吸能特性的研究;第二,建立適合NPR錨索變形狀態(tài)的彈塑性力學(xué)模型。當(dāng)前對(duì)具有特定恒阻力的NPR錨索進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),以經(jīng)驗(yàn)和二維彈性力學(xué)理論作為基礎(chǔ)。但實(shí)際來講,NPR錨索的恒阻力是由恒阻器與恒阻體之間的相互作用產(chǎn)生的,在此過程中恒阻器不僅有彈性變形,而且還會(huì)發(fā)生一定塑性變形,其中塑性變形對(duì)恒阻力影響最大。為此建立三維彈塑性力學(xué)模型,并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,為后續(xù)設(shè)計(jì)具有特定恒阻力的NPR錨索提供一定的理論支持;第三,深度剖析影響NPR錨索恒阻力的幾大關(guān)鍵性因素。在NPR錨索變形量一定的情況下,恒阻力是決定其吸能大小的核心因素之一,也是控制和加固巖體的重要力學(xué)參數(shù),所以研究影響恒阻力的幾大參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)不同恒阻力的NPR錨索有非常重要的意義;第四,根據(jù)何滿潮院士提出的“預(yù)測(cè)深部地質(zhì)斷層構(gòu)造活動(dòng)以及有效控制局部活動(dòng)斷層”的科學(xué)構(gòu)想,急需突破現(xiàn)有NPR錨索的變形長(zhǎng)度,提高吸能量級(jí),并設(shè)計(jì)出合理錨索結(jié)構(gòu)以保證恒阻力的穩(wěn)定性。針對(duì)上述四個(gè)方面,本文的研究以NPR錨索的靜力學(xué)特性為突破點(diǎn),采用工作原理分析、變形規(guī)律探究、彈塑性力學(xué)理論推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新以及幾何尺寸的分析、并通過一系列的室內(nèi)靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果相對(duì)比的方法進(jìn)行。本文各部分研究?jī)?nèi)容和主要結(jié)論如下:一、系統(tǒng)介紹NPR錨索的支護(hù)理念,即將NPR錨索與巖體耦合成為一個(gè)系統(tǒng),利用其高恒阻力來抵抗巖體多余的外力荷載,利用其大變形特點(diǎn)控制巖體的變形程度,利用其吸能特點(diǎn)將巖體中的多余變形能吸收。從而保證NPR錨索在不發(fā)生破斷失效的情況下,使支護(hù)巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)而在分析NPR錨索和巖體的能量平衡方程后,得到“任何工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖體,在與NPR錨索進(jìn)行耦合支護(hù)后,都將具有與NPR支護(hù)材料相同的力學(xué)特性”這一結(jié)論。二、為了分析和研究NPR錨索的靜力學(xué)特性,何滿潮院士研發(fā)了HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文對(duì)NPR錨索靜力拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、部件參數(shù)以及拉伸速率合理性進(jìn)行較為詳細(xì)的描述和分析。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)NPR錨索進(jìn)行實(shí)驗(yàn),詳細(xì)介紹了試件的基本參數(shù)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)過程,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行了科學(xué)分析。本文以1000mm長(zhǎng)(恒阻器)的NPR錨索試件為研究對(duì)象,詳細(xì)描述了NPR錨索在拉伸過程中的恒阻力變化情況、恒阻器的應(yīng)變規(guī)律和膨脹變化規(guī)律、伸長(zhǎng)量、靜/動(dòng)態(tài)負(fù)泊松比以及吸能等力學(xué)參數(shù)的變化情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)以下三點(diǎn):第一,NPR錨索在產(chǎn)生大變形的過程中,恒阻器表面各單元點(diǎn)會(huì)發(fā)生不同的應(yīng)變規(guī)律,這些規(guī)律的形成原因與恒阻體的運(yùn)動(dòng)情況相關(guān);第二,通過對(duì)恒阻器徑向?qū)嶒?yàn)前后的測(cè)量對(duì)比,以及通過自主研發(fā)的徑向測(cè)量設(shè)備對(duì)NPR錨索徑向進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,有效的驗(yàn)證了NPR錨索的負(fù)泊松比效應(yīng);第三,通過熱紅外成像儀和激光測(cè)溫儀對(duì)NPR錨索進(jìn)行測(cè)量,直觀的驗(yàn)證了其超強(qiáng)的吸能特點(diǎn)。三、NPR錨索的恒阻力是影響吸能狀態(tài)的因素之一,所以在設(shè)計(jì)特定恒阻力的NPR錨索時(shí)不能僅靠經(jīng)驗(yàn),還需要合理的理論公式與之配合。通過對(duì)NPR錨索分析后,其與單純的拉梅問題和薄壁圓筒問題不同,需將恒阻器近似看成厚壁圓筒問題進(jìn)行討論。對(duì)NPR錨索建立三維和二維彈塑性力學(xué)模型,同時(shí)將所有NPR錨索的實(shí)際幾何參數(shù)代入力學(xué)模型求解理論恒阻值,并將其與拉伸實(shí)驗(yàn)力值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),三維彈塑性力學(xué)模型較二維彈塑性力學(xué)模型所求得的恒阻值更接近現(xiàn)實(shí)力值,驗(yàn)證了三維彈塑性力學(xué)模型的正確性,可將其作為設(shè)計(jì)NPR錨索的理論依據(jù)。四、通過三維彈塑性力學(xué)模型的建立以及實(shí)驗(yàn)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),影響NPR錨索恒阻力的幾大關(guān)鍵因素分別為:恒阻器材料的強(qiáng)度、恒阻器的幾何尺寸(厚度、內(nèi)外徑等)、恒阻體的傾斜面角度、恒阻體的平面長(zhǎng)以及摩擦系數(shù)等。這些參數(shù)的變化對(duì)NPR錨索的恒阻力有非常大的影響。為此,通過優(yōu)化各個(gè)參數(shù)得到NPR錨索的最大恒阻力值,對(duì)設(shè)計(jì)NPR錨索具有一定參考價(jià)值。五、為了認(rèn)真踐行何滿潮院士提出的“預(yù)測(cè)深部地質(zhì)斷層構(gòu)造活動(dòng)以及控制局部地質(zhì)活動(dòng)斷層”的科學(xué)構(gòu)想,課題組對(duì)NPR錨索的吸能能力提出了更高的要求。首次對(duì)NPR錨索的變形量和恒阻力的穩(wěn)定進(jìn)行了突破性實(shí)驗(yàn),由原來1000mm~2000mm拉伸量、495kN~547kN恒阻力為基礎(chǔ),逐級(jí)增加變形量為3000mm~4000mm、恒阻力為550kN~723.7kN(最大恒阻力為567.7kN~800kN)兩種量級(jí)的NPR錨索,使得吸能量級(jí)由原來的4.21?10~5~1.09?10~6 J,提升至4000mm變形量的最大吸能量級(jí)3.2?10~6J。同時(shí)對(duì)恒阻體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使得NPR錨索恒阻力在提升的同時(shí),其力學(xué)規(guī)律也呈現(xiàn)出與NPR錨桿相同的波動(dòng)規(guī)律,保證了恒阻力的穩(wěn)定性。綜上所述,通過靜力拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了NPR錨索具有良好的力學(xué)特性并表現(xiàn)出一定的負(fù)泊松比效應(yīng)。將NPR錨索投入到工程實(shí)踐中去,其優(yōu)越的力學(xué)性能不僅可以吸收巖體內(nèi)多余的變形能,而且對(duì)巖體出現(xiàn)的非線性大變形有較好的控制作用,從而最大程度的維護(hù)好巖體的穩(wěn)定性和完整性,這對(duì)礦山安全以及可持續(xù)開發(fā)有著不可忽視的積極作用,具有顯著的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
【圖文】：

拉力集中型錨索的工作原理為，在錨索的錨固段中把束體與漿體固結(jié)在一起后，通過束體與漿體間接觸面上的剪切力提供錨固力，且力值隨錨固的深度的增加而減小。按照錨索束體在孔內(nèi)的固定方式可以分為粘結(jié)式錨固錨索和機(jī)械固定式錨索，圖 1.1 所示。其中粘結(jié)式錨固錨索通過混凝土泥漿或砂漿將錨索的錨固段與穩(wěn)定巖體進(jìn)行固結(jié)，機(jī)械固定式錨索通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將錨索錨固段在巖體上進(jìn)

圖 1.2 壓力集中型錨索結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.2 Structure of Pre-stressed Anchor Cable under Concentrated Pressure當(dāng)對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，拉力由錨索直接傳至承壓板的底部，使 P 型錨形成壓力。此時(shí)的拉力從內(nèi)錨段底部向上部逐步傳遞，圖 1.2 所示。由錨索的施工方法是一次注漿，，在減少了工序的同時(shí)，可以在未張拉前便
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD854.6

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周寧;孫濟(jì)洲;張加萬(wàn);;NPR技術(shù)在體繪制中的應(yīng)用研究[J];電子測(cè)量技術(shù);2007年07期

2 蔣三登;;構(gòu)建自然調(diào)控(NPR)體系拓展園林植保發(fā)展空間——關(guān)于城市園林有害生物治理問題的幾點(diǎn)思考[J];發(fā)現(xiàn);2007年S1期

3 謝慧星;;主動(dòng)謀變 構(gòu)建廣播融合發(fā)展新格局——以美國(guó)國(guó)家公共廣播電臺(tái)(NPR)媒體融合為例[J];聲屏世界;2017年04期

4 蔣三登;;構(gòu)建自然調(diào)控(NPR)體系 拓展園林植保發(fā)展空間——關(guān)于城市園林有害生物治理問題的幾點(diǎn)思考[J];城市管理與科技;2006年04期

5 蔣三登;;構(gòu)建自然調(diào)控(NPR)體系 拓展園林植保發(fā)展空間——關(guān)于城市園林有害生物治理問題的幾點(diǎn)思考[J];現(xiàn)代園林;2006年02期

6 張淑玲;;NPR新聞?wù)Z篇中的名詞化隱喻及其作用探析[J];海外英語(yǔ);2014年01期

7 裴云龍;蔡虹;趙皎卉;;納米科學(xué)對(duì)納米技術(shù)的影響:基于NPR的分析[J];情報(bào)雜志;2010年10期

8 呂s

本文編號(hào)：2666978