U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

针对深井高应力巷道支护难题，基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制，采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统，并结合数值计算方法，开展了系统的试验研究。结果表明，均压加载条件下，室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 kN，极限荷载为1 310 kN，数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%，拱架整体呈现“拱顶上升，拱腿内敛，整体变瘦高”的变形形态，最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示，UCC拱架具有显著的围岩控制效果，为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。     

不同侧压比荷载下U型约束混凝土拱架全尺寸试验研究

以直腿半圆形UCC拱架为对象,进行了不同侧压比荷载条件下的全尺寸拱架试验研究,从变形破坏形态、承载力、材料应变等方面进行对比分析,掌握了新型拱架的承载特性和屈服失稳机制。拱架受力初期处于线弹性变形阶段,拱架内力呈显著压弯状态,由于部分截面出现了强度破坏而导致拱架整体屈服,而后随持续加载拱架出现整体结构失稳,进而彻底丧失承载能力。UCC29试验拱架在λ=1.0加载条件下整体屈服承载力为1 230 k N,是相同尺寸U36拱架的1.56倍。拱架屈服承载力随侧压比λ(λ≥0.5)呈指数型降低趋势,且拱架变形形态及危险截面位置也受侧压比影响显著。对于直腿半圆形拱架而言,侧压比在一定范围内越小,拱架内力越接近轴压状态,拱架能够承担的荷载也越高。     

U型约束混凝土补强机制研究及应用

U型约束混凝土拱架支护可有效解决传统拱架支护后期承载力不足的问题,但灌注口的存在会降低其承载力,它是整个拱架的关键部位之一,需进行局部补强加固。为研究U型约束混凝土拱架补强机制,取留设灌注口U型约束混凝土短柱为研究对象,通过强度指标α和经济指标β对3种不同补强方式及不同补强板厚度在轴压作用下受力机制进行研究。结果表明:沿口竖向补强、沿口横向补强、沿口周全包3种局部补强方式可将短柱的轴压承载力分别提高至补强前的115.6%,105.8%,103.8%;补强钢板厚度在14~22 mm范围时竖向补强方式的经济指标β值增长率最大。将竖向补强方式在全比尺试验验证后应用于工程实际,取得了良好的效果。     

深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点,在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件,是进行支护结构合理设计的前提,对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比,针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景,对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验,对比各构件的变形过程及破坏形态;基于M-θ曲线,综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律,提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果,进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明,依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系,围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高,极大地缩短了施工难度,降低了经济成本,应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。     

方钢约束混凝土拱架力学性能及破坏机制

针对处于深部、高应力、构造破碎带等条件下的困难支护巷道,提出了方钢约束混凝土（SQCC）新型支护体系,并对其主要组成部分方钢约束混凝土拱架进行了深入研究。推导出任意节数直腿半圆形拱架的内力计算公式,结合工程实际计算出现场采用的4节拱架在均布荷载作用下的内力分布,得到内力最大的部位为拱腿上部和拱顶;通过SQCC构件强度分析对可能的关键部位进行校核,得到拱架均压作用下最先破坏的部位为拱腿上部以及拱架的极限承载力为1 315 kN。采用地下工程约束混凝土拱架1∶1大型试验系统对SQCC全尺寸拱架进行了力学加载试验,结合利用ABAQUS软件对SQCC拱架进行的数值试验,分析了极限承载力误差率δFe-Ft=-7.1%,δFe-Fn=-1.1%和关键破坏部位、内力以及应力应变等多个结果,从而对拱架力学性能和变形破坏机制进行了研究,同时也验证了理论计算和数值试验的正确性。     

千米深井软岩巷道U型钢管混凝土拱架立体支护体系施工工艺

U型钢管混凝土拱架作为1种新型的巷道支护形式,具有承载力高、稳定性好的优点。基于U型钢管混凝土的施工特点,详细阐述了U型钢管混凝土拱架立体支护体系的设计内容、施工工艺原理及施工流程,研究了其关键施工过程及操作要点,并在赵楼煤矿成功应用,取得了良好的支护效果。     

钢管混凝土短柱作用机理与塑性极限承载力研究

钢管混凝土短柱承载力是研究井下钢管混凝土结构的基础问题,涉及新型沿空留巷巷旁支护和钢管混凝土圆弧拱承载力的估算、钢管混凝土支架在高低压等特殊情况下的应用。本文在总结分析现有钢管混凝土短柱承载力理论基础上,依据钢管混凝土弹性变形理论,推演出相同尺寸、不同钢管壁厚的钢管与核心混凝土相互作用机理及对应围压,进而根据极限平衡法推导出三种估算钢管混凝土短柱的极限承载力方法,并与实验结果进行了分析对比。结果表明,本文方法计算钢管混凝土塑性极限承载力与实验值吻合度较高,尤其在钢管壁较厚的情况下也有很好的适用性。     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长（至峰值）,峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

井壁曲钢管混凝土短柱承载力试验

对曲钢管混凝土柱与直钢管混凝土短柱应力一应变关系进行了分析,对钢管混凝土构件承载力计算公式进行了试验验证,试验得到的荷载一变形曲线与典型的荷载一变形曲线相吻合;并用钢管混凝土承载力公式对曲钢管混凝土短柱进行了承载力计算,发现其结果是偏于安全的.     

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明:对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值),峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。     

约束混凝土拱架套管节点压弯承载特性研究

为解决约束混凝土现场应用过程中套管节点设计保守、施工困难等难题,采用室内试验与数值试验相结合的方式,综合考虑不同套管节点构造参数及不同偏心率加载,分析套管节点试件压弯组合力学性能及破坏形态,开展套管节点参数影响规律研究。结果表明:1)节点试件压弯组合作用下呈现典型两阶段工作模式及变形破坏模式;2)节点与拱架接触部位发生明显的应力集中现象,试件呈折线形破坏;3)荷载-位移曲线表现为典型的弹性、弹塑性和塑性3阶段特性,轴压承载力与无套管试件相比降低19.4%左右;4)得到了不同套管节点参数的M-N曲线,提出了节点经济性指标β1,β2,量化了套管节点强度与经济成本之间的关系,提出了工程设计建议,为相关工程设计应用提供借鉴。     

铅锌尾矿砂对混凝土单轴压缩声发射特征的影响研究

为了研究尾矿砂骨料混凝土的力学特性,对4种铅锌尾砂含量的混凝土开展单轴压缩实验,同时获取了压缩过程中的声发射信号,基于声发射信号对材料损伤演化特征进行了评价。结果表明:混凝土试件的变形过程分为弹性、塑性、断裂破坏和残余变形4个主要阶段;随着铅锌尾砂取代率增加,抗压强度有增大趋势,并在超过30%后趋于稳定;根据声发射实验得到了损伤因子与应变的关系曲线;普通混凝土结构损伤主要在塑性变形阶段,尾矿砂改性混凝土的结构性损伤集中在塑性和断裂破坏阶段;一定比例的铅锌尾砂有助于加速水化凝胶物的形成,从而增强强度和变形性能。      

蜂窝U型钢格构式组合柱轴压力学性能分析

随着钢结构的广泛应用,运用钢材作为原料的结构或构件也备受关注。本文采用理论计算和有限元模拟分析,对蜂窝U型钢格构式组合柱在轴压作用下的力学性能进行研究,通过改变钢材厚度、开孔半径、钢材强度,分析组合柱在轴压作用下的极限承载力、荷载-位移曲线、破坏形态等。结果表明:钢柱的承载力随钢材厚度的增大而明显增强;U型钢圆孔大小对钢柱承载力的影响较大,孔径越小,极限承载力越大;试件的钢材强度与其承载力呈正比,与延性呈反比关系。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

外包H型钢混凝土轴压短柱的受力性能分析

提出了一种新型外包钢混凝土组合结构形式,即外包H型钢混凝土组合柱。通过对这种组合短柱在轴心压力作用下的全过程分析,分析了影响其极限承载力的因素,并与型钢混凝土轴压短柱进行了对比,得出了这种组合柱的一些优点。     

外包H型钢混凝土轴压短柱的受力性能分析

提出了一种新型外包钢混凝土组合结构形式，即外包H型钢混凝土组合柱。通过对这种组合短柱在轴心压力作用下的全过程分析，分析了影响其极限承载力的因素，并与型钢混凝土轴压短柱进行了对比，得出了这种组合柱的一些优点。     

突出煤体受载变形破坏声发射行为演化特征

采用TAW-2000三轴伺服试验机和Vallen AMSY-6声发射信号采集系统,对寺家庄煤矿15号煤的碎裂煤原煤单体试件、糜棱煤型煤单体试件和原煤-型煤组合试件进行单轴载荷作用下变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明:原煤试件表现为弹塑性材料特性,以弱面剪切破坏为主,其失稳破坏的前兆信息表现为弹塑性阶段出现"应力跌落"和"应力回升"现象,振铃计数出现峰值,累计能量曲线出现"台阶式"上升;型煤试件表现为理想塑性材料特性,呈现渐进变形破坏特征,以剪切粉化破坏为主,其峰前变形破坏过程中声发射始终保持在相对稳定且较低的水平,累计能量增幅不大,失稳破坏的声发射前兆信息特征并不明显;原煤-型煤组合试件的应力-应变曲线兼具了原煤试件和型煤试件的特征,其峰值应力介于单体原煤和型煤试件之间,失稳破坏的声发射前兆信息与原煤单体试件类似,但受型煤影响,高幅值振铃数和事件数与原煤单体试件相比明显减少,累计能量曲线呈现"缓台阶式"上升特征。     

基于ANSYS的U型钢反拱梁承载性能及稳定性分析

针对U型钢截面反拱梁失稳破坏问题,应用CAD与ANSYS两软件联合建立U型钢反拱梁有限元模型,采用ANSYS内置的非线性屈曲分析模块,模拟分析U25,U29和U36这3种不同截面反拱梁在承受径向均布载荷条件下临界屈曲载荷和极限承载力与反拱圆心角之间的关系,并在求解过程中监测跨中节点竖向载荷-位移曲线。ANSYS 数值模拟分析结果表明：3种截面反拱圆心角在70°时临界屈曲载荷达到最大值,随后圆心角加大则屈曲载荷平均以4.0%的速度缓慢下降,表明反拱梁在圆心角70°时稳定性最好;当反拱梁圆心角小于70°时,反拱极限承载力以34.3%的增幅递增,呈快速增长趋势;当圆心角大于70°时,反拱承载力则以14.5%的增幅缓慢增长,增幅速度较为平缓。研究结果为工程应用提供了可行方法和理论依据。     

不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

对不同含水状态煤-混凝土连接体进行单轴压缩实验和声发射监测,并对连接体力学特性和破坏特征进行探究,研究结果表明：水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显,水的存在降低了试样间的内聚力,使其脆性降低,塑形增强|含水率增加,煤岩组合体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏,塑性变形显著|声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好,随着含水率的提高,声发射AE计数峰值位置提前,连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小,连接体样脆性减弱。     

方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。