發(fā)布時(shí)間：2017-05-19 17:17

  本文關(guān)鍵詞：巖體錨固失效機(jī)理及預(yù)應(yīng)力錨固圍巖承載性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：針對(duì)深部高地應(yīng)力環(huán)境與極軟弱地層環(huán)境下的巷道開挖,傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護(hù)技術(shù)極易產(chǎn)生失效頻繁、可錨性較差、錨固支護(hù)強(qiáng)度低或主動(dòng)支護(hù)效果不足等問題,使錨桿、錨索支護(hù)潛力難以充分發(fā)揮,支護(hù)系統(tǒng)整體強(qiáng)度降低,不利于巷道圍巖控制,增加潛在不安全因素,也會(huì)造成巷道復(fù)修率增加,支護(hù)成本升高。針對(duì)上述問題,明確錨固支護(hù)失效機(jī)理,優(yōu)化確定高強(qiáng)錨桿安全合理的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù),提出針對(duì)性控制措施,對(duì)保障上述巷道開挖圍巖穩(wěn)定性及煤炭資源的安全高效開采,具有重要的理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的研究方法,明確了軟弱圍巖錨固體界面漸進(jìn)失效機(jī)理及錨固圍巖破裂機(jī)理,揭示了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強(qiáng)化機(jī)理及承載性能,提出了適用于高地應(yīng)力環(huán)境巷道開挖的高預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)方法及定量施加技術(shù)。主要研究工作及成果如下：1.軟弱圍巖錨桿錨固體界面力學(xué)承載特性分析針對(duì)軟弱圍巖錨桿錨固劑與圍巖之間界面粘結(jié)能力較弱、錨固支護(hù)構(gòu)件可錨性較差等問題,考慮錨桿錨固體設(shè)計(jì)參數(shù)、界面剪脹效應(yīng)、圍巖強(qiáng)度參數(shù)及圍巖應(yīng)力等因素影響,提出了錨固體界面黏結(jié)強(qiáng)度的理論計(jì)算分析方法,揭示了錨固體界面力學(xué)承載特性。軟弱圍巖錨固體界面抗剪能力與圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角、圍巖應(yīng)力正相關(guān),與錨固體直徑負(fù)相關(guān)；通過改善錨固段錨固工藝與采用注漿加固技術(shù),是提高軟弱圍巖錨固支護(hù)構(gòu)件可錨性的有效途徑。2.軟弱圍巖錨桿錨固體界面漸進(jìn)失效機(jī)理研究考慮軟弱圍巖錨桿錨固體界面剪脹效應(yīng)與軟化效應(yīng),提出了可有效描述界面“彈性-滑移剪脹-塑性軟化-脫黏”特性的本構(gòu)模型,并基于新提出本構(gòu)模型,建立了錨固體界面漸進(jìn)失效的全歷程分析方法,得到了界面漸進(jìn)失效過程中錨固體荷載傳遞規(guī)律及對(duì)應(yīng)極限拉拔力大小,揭示了軟弱圍巖錨桿錨固體界面的漸進(jìn)失效機(jī)理。3.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機(jī)理研究針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固圍巖發(fā)生整體剪切破壞工況,考慮巖體破壞的非線性特征,建立了錨固圍巖破裂的力學(xué)分析模型,基于系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化平衡原理,確定了錨固圍巖破裂機(jī)制與對(duì)應(yīng)極限拉拔力大小。當(dāng)錨固圍巖發(fā)生整體破壞時(shí),錨固體極限拉拔力大小主要取決于巖體質(zhì)量好壞,隨巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)A、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與上覆巖體荷載增加,極限拉拔力不斷增大。4.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖力學(xué)效應(yīng)研究根據(jù)錨桿作用疊加原理,建立了不同錨固長度下錨桿-圍巖力學(xué)作用模型,推導(dǎo)出了錨桿桿體及圍巖應(yīng)力分布規(guī)律,并考慮錨桿長度、布設(shè)間距、錨固長度、預(yù)應(yīng)力等4大類因素影響,設(shè)計(jì)20種對(duì)比方案,開展了錨固圍巖數(shù)值對(duì)比試驗(yàn),結(jié)合理論分析結(jié)果,揭示了不同錨固方式下圍巖支護(hù)力學(xué)效應(yīng)。研究表明：通過施加高預(yù)應(yīng)力,并留設(shè)一定自由段長度,或增加錨桿長度、減小布設(shè)間距,有利于錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴(kuò)散,可形成有效的錨固圍巖承載結(jié)構(gòu),當(dāng)錨桿布設(shè)間距較大時(shí),可通過提高預(yù)應(yīng)力、適當(dāng)減少錨固長度來改善圍巖控制效果。5.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強(qiáng)化機(jī)理研究將非全長預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用,劃分為錨固段圍巖被動(dòng)強(qiáng)化區(qū)與自由段圍巖主動(dòng)強(qiáng)化區(qū),提出了錨固圍巖主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度及被動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度的理論計(jì)算分析方法,揭示了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖的強(qiáng)化機(jī)理。為實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)潛力的充分發(fā)揮,最優(yōu)的錨桿錨固方式應(yīng)使自由段桿體與錨固段桿體支護(hù)潛力均得到最大程度發(fā)揮,具體可采用全長預(yù)應(yīng)力錨固方式(端部錨固、全長充填)來實(shí)現(xiàn)。6.錨固圍巖承載性能模型試驗(yàn)研究研發(fā)了錨固模擬試驗(yàn)裝置,考慮無錨桿支護(hù)與錨桿支護(hù)兩種工況作用,開展了錨固圍巖承載性能模型試驗(yàn),明確了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機(jī)制及承載性能,驗(yàn)證了理論分析成果的正確性。研究表明：采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可有效提高圍巖峰值、峰后承載能力及整體剛度,限制模型體圍巖的劈裂垮落破壞,使圍巖呈現(xiàn)出一定的延性變形破壞特征。7.預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)簡化設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用針對(duì)現(xiàn)有錨桿預(yù)應(yīng)力缺乏有效設(shè)計(jì)理論的現(xiàn)狀,以深部拱形巷道為例,考慮頂板圍巖破壞的非線性特征及圍巖應(yīng)力與錨桿支護(hù)作用,構(gòu)造出頂板圍巖破裂機(jī)制,基于上限分析理論,提出了巷道開挖初期頂板錨桿預(yù)應(yīng)力的一種簡化設(shè)計(jì)方法,給出了相應(yīng)工程建議措施,并通過現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)施,驗(yàn)證了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)對(duì)頂板圍巖控制效果的優(yōu)越性。8.不同錨固方式下圍巖控制效果現(xiàn)場試驗(yàn)研究考慮不同錨桿錨固長度及預(yù)應(yīng)力影響,設(shè)計(jì)系列對(duì)比試驗(yàn)方案,開展了不同錨固方式下圍巖控制效果現(xiàn)場試驗(yàn),通過對(duì)各方案圍巖變形破壞特征、錨桿受力特性進(jìn)行監(jiān)測分析,明確了不同錨固方式下巷道錨桿力學(xué)性能與圍巖控制效果。研究表明：提高預(yù)應(yīng)力是改善圍巖控制效果的有效途徑,在一定條件下,可適當(dāng)縮減錨桿錨固長度,并不會(huì)明顯削弱圍巖控制效果,還可以起到節(jié)約支護(hù)成本的作用。9.高預(yù)應(yīng)力定量施加技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用針對(duì)現(xiàn)有礦山全螺紋錨桿預(yù)應(yīng)力施加過程中出現(xiàn)的扭矩轉(zhuǎn)化系數(shù)低、螺紋易變形而退錨困難、預(yù)應(yīng)力施加值低且無法定量、片幫后預(yù)應(yīng)力二次施加困難、施工工藝復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題,研發(fā)了高預(yù)應(yīng)力定量施加技術(shù),并通過實(shí)驗(yàn)室測試與現(xiàn)場應(yīng)用,驗(yàn)證了高預(yù)應(yīng)力定量施加技術(shù)的有效性。
【關(guān)鍵詞】：軟弱圍巖 錨固體 漸進(jìn)失效機(jī)理 極限分析 極限拉拔力 錨固長度 預(yù)應(yīng)力 錨固方式 錨固圍巖承載結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD353
【目錄】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第一章 緒論17-40
• 1.1 選題背景及意義17-20
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展20-35
• 1.2.1 錨固系統(tǒng)界面荷載傳遞規(guī)律研究20-22
• 1.2.2 錨固系統(tǒng)失效機(jī)理研究22-27
• 1.2.3 錨固圍巖承載機(jī)理研究27-35
• 1.3 主要研究內(nèi)容與方法35-38
• 1.3.1 軟弱圍巖錨桿錨固體界面力學(xué)承載特性分析35
• 1.3.2 軟弱圍巖錨桿錨固體界面漸進(jìn)失效機(jī)理研究35-36
• 1.3.3 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機(jī)理研究36
• 1.3.4 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖力學(xué)效應(yīng)分析36
• 1.3.5 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強(qiáng)化機(jī)理及承載性能研究36-37
• 1.3.6 預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)簡化設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用37
• 1.3.7 高預(yù)應(yīng)力定量施加技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用37-38
• 1.4 研究技術(shù)路線38
• 1.5 研究創(chuàng)新點(diǎn)38-40
• 第二章 軟弱圍巖錨固失效機(jī)理研究40-76
• 2.1 引言40
• 2.2 軟弱圍巖錨固體界面力學(xué)承載特性40-43
• 2.2.1 錨固體界面剪脹應(yīng)力41-42
• 2.2.2 鉆孔孔壁圍巖應(yīng)力42-43
• 2.2.3 錨固體界面黏結(jié)強(qiáng)度43
• 2.3 軟弱圍巖錨固體界面漸進(jìn)失效機(jī)理43-56
• 2.3.1 軟弱圍巖錨固體界面粘結(jié)滑移失效本構(gòu)模型44-45
• 2.3.2 軟弱圍巖錨固體界面漸進(jìn)失效的全歷程分析45-56
• 2.4 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機(jī)理56-64
• 2.4.1 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及其相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則57-59
• 2.4.2 極限分析法59-61
• 2.4.3 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂的極限分析61-64
• 2.5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析64-74
• 2.5.1 錨固體界面力學(xué)承載特性影響因素分析64-66
• 2.5.2 錨固體界面漸進(jìn)破壞特征分析66-71
• 2.5.3 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂特征分析71-74
• 2.6 本章小結(jié)74-76
• 第三章 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖力學(xué)效應(yīng)分析76-99
• 3.1 引言76
• 3.2 不同錨固長度下圍巖力學(xué)作用分析76-89
• 3.2.1 力學(xué)模型建立及求解76-83
• 3.2.2 錨固圍巖力學(xué)效應(yīng)分析83-87
• 3.2.3 與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證87-89
• 3.3 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)89-97
• 3.3.1 數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)方案規(guī)劃89-92
• 3.3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析92-97
• 3.4 工程建議措施97-98
• 3.5 本章小結(jié)98-99
• 第四章 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強(qiáng)化機(jī)理及承載性能研究99-120
• 4.1 引言99
• 4.2 預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強(qiáng)化機(jī)理99-104
• 4.3 錨固圍巖承載性能模型試驗(yàn)104-119
• 4.3.1 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及相似材料選擇104-108
• 4.3.2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)及試驗(yàn)過程108-116
• 4.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析116-119
• 4.4 本章小結(jié)119-120
• 第五章 預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)簡化設(shè)計(jì)方法研究120-128
• 5.1 引言120-121
• 5.2 錨固支護(hù)作用下深部巷道頂板冒落破壞上限分析121-125
• 5.2.1 圍巖內(nèi)部能量耗散率求解122
• 5.2.2 外力做功功率求解122-123
• 5.2.3 單根錨桿所需預(yù)應(yīng)力確定123-125
• 5.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析125-127
• 5.4 本章小結(jié)127-128
• 第六章 工程實(shí)例研究128-148
• 6.1 引言128
• 6.2 不同錨固方式下圍巖控制效果現(xiàn)場試驗(yàn)128-142
• 6.2.1 工程概況128-132
• 6.2.2 不同錨固方式對(duì)比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)132-133
• 6.2.3 高預(yù)應(yīng)力定量施加裝置研發(fā)及現(xiàn)場實(shí)施133-138
• 6.2.4 試驗(yàn)方案監(jiān)測及分析138-142
• 6.3 軟巖巷道高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用142-147
• 6.3.1 工程概況142-144
• 6.3.2 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施144-147
• 6.4 本章小結(jié)147-148
• 第七章 結(jié)論與展望148-152
• 7.1 主要結(jié)論148-150
• 7.2 展望150-152
• 參考文獻(xiàn)152-163
• 致謝163-166
• 參與的科研項(xiàng)目166-167
• 發(fā)表的論文167-168
• 申請(qǐng)的專利168
• 獲得的榮譽(yù)168-169
• 附件169

【引證文獻(xiàn)】

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 顧金才;沈俊;陳安敏;明治清;;預(yù)應(yīng)力錨索加固機(jī)理與設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[A];第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2004年

2 何滿潮;;深部開采工程巖石力學(xué)現(xiàn)狀及其展望[A];第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2004年

  本文關(guān)鍵詞：巖體錨固失效機(jī)理及預(yù)應(yīng)力錨固圍巖承載性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：379306