本文關鍵詞：鋼管混凝土圓弧拱壓彎性能實驗與支護應用

  更多相關文章： 鋼管混凝土圓弧拱 矢跨比 混凝土強度 鋼管混凝土支架 軟巖巷道 復合支護

【摘要】：本文以深井軟巖巷道支護問題為研究背景,以鋼管混凝土圓弧拱為研究對象,首先進行了普通混凝土和鋼纖維混凝土的配合比實驗,得到了不同強度等級和鋼纖維體積摻量混凝土的配比方案,測試了混凝土立方體試塊的單軸抗壓強度和劈拉強度。隨后,進行了鋼管混凝土圓弧拱在六點均布加載條件下的力學性能實驗,結合理論計算與數(shù)值模擬,較為全面地分析了矢跨比、核心混凝土強度等級和鋼纖維摻量等三個因素對鋼管混凝土圓弧拱力學性能的影響。最后,以清水營煤礦副立井+786m水平臨時水倉大斷面極軟巖巷道為例,采用現(xiàn)場考察、室內測試、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程試驗相結合的綜合研究方法,詳細介紹了基于鋼管混凝土支架的封閉式復合支護技術在工程現(xiàn)場的應用情況。論文取得了如下主要結論和創(chuàng)新成果:1、混凝土強度等級與鋼纖維摻量配合比實驗為了研究核心混凝土強度等級對鋼管混凝土圓弧拱力學性能的影響,首先進行了混凝土配合比實驗,依據《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010-2010),初步設定了5組水灰比,確定了混凝土配制材料的用量;而后對混凝土的流動性能進行了測試,確定了滿足流動性能和灌注要求的減水劑用量;最后,對混凝土立方體的抗壓強度和劈拉強度進行了測試,對測試數(shù)據進行統(tǒng)計分析,最終確定了5組水灰比混凝土的強度等級,并擇優(yōu)選用4組水灰比(0.3、0.35、0.4、0.45)進行圓弧拱壓彎性能實驗。在4組不同強度等級的普通混凝土配合比基礎上,進行了鋼纖維混凝土的配制,首先對鋼纖維混凝土的流動性能進行測試,研究了鋼纖維摻量對混凝土流動性能的影響;隨后對鋼纖維混凝土試塊的抗壓強度和劈拉強度進行測試,研究了鋼纖維體積摻量對不同強度等級混凝土力學性能的影響,對比分析了鋼纖維對混凝土抗壓強度和劈拉強度的影響程度,并最終確定了鋼纖維的合理摻量范圍1.0%-2.5%。2、六點均布加載條件下鋼管混凝土圓弧拱力學性能實驗進行了六點均布加載條件下鋼管混凝土圓弧拱力學性能實驗,研究了不同矢跨比(0.154、0.207、0.26)、不同混凝土強度等級(C50、C45、C40、C35)和不同鋼纖維體積摻量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)的共10根鋼管混凝土圓弧拱的力學性能,取得了以下幾方面的成果:(1)對圓弧拱試件的變形過程進行了監(jiān)測,得到了相應的荷載-位移曲線不同矢跨比、混凝土強度等級和鋼纖維摻量的圓弧拱試件的變形過程均可分為四個階段:壓實階段、彈性階段、彈塑性階段和塑性階段。在彈塑性和塑性變形階段,圓弧拱表現(xiàn)出較好的延性和承載能力。(2)研制了預埋式混凝土應變監(jiān)測裝置,對試件跨中處鋼管外壁應變和核心混凝土內部應變進行了同步監(jiān)測對10根圓弧拱試件跨中處鋼管外壁應變和核心混凝土內部應變進行了監(jiān)測,研究得出:(1)圓弧拱跨中位置處的鋼管和核心混凝土在整個加載過程中,始終處于受壓狀態(tài),不存在直梁純彎實驗中的中性層偏移現(xiàn)象;(2)在壓實變形階段,由于混凝土內部存在孔隙、空隙,連續(xù)性較差,鋼管的壓縮應變整體而言要稍大于混凝土的壓縮應變;(3)相同荷載下,矢跨比越小,鋼管和核心混凝土的應變值越大,這也表明矢跨比越小,圓弧拱內的軸壓越大,導致鋼管混凝土構件沿軸線方向的壓縮變形量越大;產生相同的應變時,矢跨比越大,需要施加的荷載值也越大;(4)圓弧拱在達到極限承載力時,混凝土強度等級越低,鋼管和核心混凝土最終的軸向壓縮變形越嚴重,混凝土的壓應變值整體要大于鋼管外壁;(5)鋼纖維的摻入使混凝土的密實性受到影響,4組不同鋼纖維摻量的圓弧拱試件,鋼管的壓縮應變值均要大于核心混凝土的壓縮應變。(3)得到了圓弧拱試件的屈服荷載和極限承載力得到了圓弧拱試件的屈服荷載和極限承載力及其對應的跨中位移量,實驗成果如下表:相對于0.154矢跨比試件,0.207和0.26矢跨比試件的屈曲荷載分別提高了50.8%和61.5%,極限承載力分別提高了42.7%和68.3%。由此得出,矢跨比越大,試件的屈曲荷載和極限承載力越大,圓弧拱抵御變形的能力越強,圓弧拱在平面內的承載力受矢跨比影響顯著。相對于C35圓弧拱試件,C40、C45和C50試件的屈曲荷載分別提高了2.08%、7.29%、10.42%,極限承載力分別提高了2.97%、4.7%、6.76%。由此得出,混凝土強度等級越高,圓弧拱試件的屈曲荷載和極限承載力越大。在核心混凝土中摻入鋼纖維后,圓弧拱的屈服荷載和極限承載力均有不同程度的降低,尤其是當鋼纖維體積摻量達到2.0%以上時,圓弧拱屈服荷載和極限承載力有較為明顯的下降,鋼纖維的摻入不利于鋼管混凝土圓弧拱承載性能的提升。綜上所述,最終得出三個因素對鋼管混凝土圓弧拱承載性能的影響程度為:矢跨比㧐混凝土強度等級㧐鋼纖維。(4)分析了鋼管混凝土圓弧拱的變形破壞形態(tài)在六點均布加載條件下,10根圓弧拱試件均是在拱腳內側位置處最先發(fā)生屈曲,達到極限承載力時,兩端拱腳處的鋼管均能看出明顯臌脹變粗,試件不同位置的曲率不再一致。(5)得出了均勻受壓鋼管混凝土圓弧拱屈曲荷載的表達式基于線彈性屈曲理論,得出了均勻受壓鋼管混凝土圓弧拱屈曲荷載的表達式,可用于0.26矢跨比深拱圓弧拱屈曲荷載的近似求解,而對于矢跨比0.154和0.207的淺拱試件,其屈曲前的軸向壓縮變形顯著,不適合使用該式進行求解。(6)利用有限元模擬著重分析了矢跨比、混凝土強度等級對圓弧拱內軸力和彎矩的影響(1)同一荷載水平下,矢跨比越小,圓弧拱內軸力越大;在達到各自極限承載力后,圓弧拱內軸壓無明顯差別;混凝土強度等級越高,圓弧拱在達到極限承載力時,其內部軸壓越大。(2)在彈性變形階段,矢跨比越小,圓弧拱內彎矩越大,抗彎性越差;改變混凝土強度等級對彎矩影響不明顯;不同矢跨比、混凝土強度等級圓弧拱內的最大彎矩值均出現(xiàn)在拱腳位置,拱腳處的彎矩和軸力最大,圓弧拱最先在拱腳位置處屈曲。(3)當圓弧拱達到極限承載力時,不同矢跨比、混凝土強度等級的圓弧拱,其拱腳處的彎矩均有所減小,最大彎矩值出現(xiàn)在跨中或1/4跨附近。3、大斷面極軟巖巷道鋼管混凝土支架支護應用研究清水營煤礦+786m臨時水倉巷道鋼管混凝土支架支護段,原有支護采用“錨網噴+混凝土碹體+U36型鋼支架”的聯(lián)合支護形式,在該支護形式下,巷道變形嚴重不能穩(wěn)定。為解決巷道變形嚴重難以控制的支護難題,首先現(xiàn)場考察了巷道的變形破壞情況,取樣測試了巷道圍巖物理力學參數(shù),測試表明:臨時水倉巷道膨脹性和吸水軟化性顯著,屬于典型的強膨脹型極軟弱巖層。結合巷道地質概況與圍巖物理力學參數(shù)測試結果,分析了巷道變形破壞的原因,分析認為:圍巖物理力學性質、水理作用和支護方式是引起臨時水倉巷道變性破壞的主要原因。據此針對性地提出了“錨網噴+立橢圓形鋼管混凝土支架+鋼纖維混凝土碹體+加固錨索”的封閉式復合支護方案。建立了考慮二次支護阻力、錨桿支護參數(shù)(強度、長度、直徑、預緊力、間排距)和圍巖力學性質等因素的極軟巖巷道承壓環(huán)強化支護力學模型,闡述了承壓環(huán)的結構組成,確定了承壓環(huán)的幾何厚度,給出了承壓環(huán)的力學邊界條件,推導得出了承壓環(huán)極限承載力的表達式,由此計算得出復合支護結構的最大支護阻力可達1.99MPa,滿足巷道支護要求。隨后,分析了二次支護阻力、錨固體內聚力和內摩擦角等三個關鍵因素對承壓環(huán)極限承載力的影響。研究表明:對于黏土礦物含量高、膨脹性和軟化性顯著的極軟弱圍巖,提高二次支護阻力對增強承壓環(huán)承載能力起著決定性作用。最后,通過FLAC3D對復合支護方案的支護效果進行模擬分析,進一步證明了復合支護方案的可行性,并將基于鋼管混凝土支架的復合支護技術成功應用于工程現(xiàn)場,并實施了圍巖變形監(jiān)測。結果表明,巷道收斂變形得到有效控制,并且支護體力學性能良好,滿足巷道支護要求。
【關鍵詞】：鋼管混凝土圓弧拱 矢跨比 混凝土強度 鋼管混凝土支架 軟巖巷道 復合支護
【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】：2016
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-18
• 1 緒論18-30
• 1.1 選題背景與研究意義18-19
• 1.2 鋼管混凝土構件力學性能研究現(xiàn)狀19-24
• 1.2.1 矢跨比對鋼管混凝土拱力學性能影響研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 混凝土強度對鋼管混凝土構件力學性能影響研究現(xiàn)狀21-22
• 1.2.3 鋼纖維對混凝土力學性能影響研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 混凝土內部應變監(jiān)測研究現(xiàn)狀24-26
• 1.3.1 電阻式應變片研究現(xiàn)狀24
• 1.3.2 振弦式傳感器研究現(xiàn)狀24-25
• 1.3.3 光纖傳感器研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4 鋼管混凝土支架研究現(xiàn)狀26-28
• 1.5 本文主要研究內容28-30
• 2 核心混凝土強度配合比實驗與力學性能測試30-48
• 2.1 不同混凝土基體強度配比實驗30-38
• 2.1.1 實驗目的30
• 2.1.2 實驗原材料選取30-31
• 2.1.3 混凝土配合比設計31
• 2.1.4 混凝土流動性能測試31-32
• 2.1.5 混凝土立方體單軸抗壓強度測試32-36
• 2.1.6 混凝土立方體劈裂抗拉強度測試36-38
• 2.2 鋼纖維混凝土配比實驗38-46
• 2.2.1 實驗目的38
• 2.2.2 鋼纖維混凝土配合比38-39
• 2.2.3 纖維混凝土坍落度測試39-40
• 2.2.4 鋼纖維混凝土立方體單軸抗壓強度測試40-43
• 2.2.5 鋼纖維混凝土立方體劈拉強度測試43-46
• 2.3 本章小結46-48
• 3 矢跨比對鋼管混凝土圓弧拱承載性能影響實驗研究48-78
• 3.1 實驗設計48-59
• 3.1.1 實驗目的48
• 3.1.2 圓弧拱試件設計與制作48-49
• 3.1.3 試驗臺設計49-55
• 3.1.4 核心混凝土應變監(jiān)測裝置制作55-57
• 3.1.5 鋼管應變監(jiān)測與圓弧拱位移監(jiān)測設計57-58
• 3.1.6 實驗步驟58-59
• 3.2 實驗成果分析59-65
• 3.2.1 圓弧拱荷載-位移分析59-60
• 3.2.2 圓弧拱荷載-應變分析60-63
• 3.2.3 圓弧拱試件承載力分析63
• 3.2.4 圓弧拱試件變形特征分析63-65
• 3.3 圓弧拱屈曲荷載理論計算65-69
• 3.3.1 圓弧拱平面內屈曲荷載計算65-67
• 3.3.2 屈曲荷載對比分析67-69
• 3.4 矢跨比單因素有限元分析69-75
• 3.4.1 圓弧拱力學模型建立69-71
• 3.4.2 模擬結果分析71-75
• 3.5 本章小結75-78
• 4 混凝土強度對鋼管混凝土圓弧拱承載性能影響實驗研究78-98
• 4.1 實驗設計78-79
• 4.1.1 實驗目的78
• 4.1.2 圓弧拱試件制作78-79
• 4.1.3 試件端頭處理與加載約束方式79
• 4.2 混凝土強度等級單因素實驗結果分析79-84
• 4.2.1 圓弧拱試件荷載-位移分析79
• 4.2.2 圓弧拱試件荷載-應變分析79-82
• 4.2.3 圓弧拱試件承載力分析82-83
• 4.2.4 圓弧拱試件變形破壞形態(tài)分析83-84
• 4.3 混凝土強度等級單因素有限元分析84-88
• 4.3.1 圓弧拱力學模型建立84
• 4.3.2 結果分析84-88
• 4.4 鋼纖維摻量單因素實驗結果分析88-95
• 4.4.1 圓弧拱荷載-位移曲線分析88-89
• 4.4.2 圓弧拱荷載-應變曲線分析89-92
• 4.4.3 圓弧拱承載力分析92-93
• 4.4.4 圓弧拱變形破壞形態(tài)分析93-95
• 4.5 本章小結95-98
• 5 大斷面極軟巖巷道鋼管混凝土支架復合支護應用98-116
• 5.1 工程概況98-100
• 5.1.1 地質概況98-99
• 5.1.2 巷道原支護方案與變形特點分析99-100
• 5.2 鋼管混凝土支架復合支護方案設計100-109
• 5.2.1 巷道圍巖物理力學性質測試100
• 5.2.2 巷道變形破壞原因分析100-101
• 5.2.3 巷道圍巖變形控制對策101
• 5.2.4 鋼混支架復合支護方案設計101-102
• 5.2.5 軟巖巷道承壓環(huán)支護力學模型建立與承載力計算102-107
• 5.2.6 承壓環(huán)極限承載力影響因素分析107-109
• 5.3 復合支護效果數(shù)值模擬109-113
• 5.3.1 模型建立109-110
• 5.3.2 結果分析110-113
• 5.4 工程應用113-114
• 5.4.1 復合支護施工工藝流程113
• 5.4.2 圍巖變形監(jiān)測113-114
• 5.4.3 經濟效益分析114
• 5.5 本章小結114-116
• 6 主要結論與創(chuàng)新點116-122
• 6.1 主要結論116-119
• 6.2 主要創(chuàng)新點119-120
• 6.3 討論與展望120-122
• 參考文獻122-132
• 致謝132-134
• 作者簡介134-135

【參考文獻】

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本文編號：557547