钢骨混凝土井壁水平极限承载特性的试验研究

针对600～800 m巨厚冲积层中煤矿立井井筒的支护问题,提出了采用钢骨钢纤维高强混凝土井壁结构型式.为了研究该种井壁结构的水平极限承载特性,根据相似理论,采用物理模拟试验的方法,开展了2个模型井壁的破坏性试验,研究了该种井壁结构的水平极限承载特性和变形破坏特征.试验研究表明:在竖向荷载(井壁自重应力)加载阶段,钢骨和混凝土能够协同变形;水平荷载加载阶段,钢骨应变达到屈服应变后,钢骨表现出一定的塑性流动变形能力;井壁破坏时,钢骨和混凝土的切向应变值可达-3500×10-6(压);利用厚壁圆筒的弹性、塑性极限承载力估算井壁的水平极限承载力上、下限值,试验值更接近塑性极限承载力;由于钢骨和钢纤维的加入使得高强混凝土的脆性得到改善,钢骨钢纤维高强混凝土井壁具有更好的塑性变形能力和延性,是深厚表土层中一种可行的井壁结构型式.     

深厚冲积层井筒修复内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁研究及应用

针对板集煤矿副井井筒修复的复杂工程条件,提出采用内套内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁结构。首先,对该种新型井壁结构力学特性进行了模型试验研究,结果表明:在井壁结构中高强钢纤维混凝土的极限压应变可达(-3 710~-3 750)με,显著提高了井壁结构的延性特征;由于内层钢板的约束作用,井壁内缘钢纤维混凝土也处于三向受压状态,钢纤维混凝土抗压强度提高了1.822~1.974倍,从而显著提高了该种复合井壁的承载能力;在板集煤矿副井井筒修复工程中首次应用了内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁,并通过现场实测结果表明,2个监测水平钢纤维混凝土应变分别为-290με和-359με,远小于试验实测的极限压应变值,说明目前该种新型井壁结构混凝土变形小,井壁结构安全可靠。     

钢纤维混凝土弧板井壁结构的力学特性

针对深厚表土层煤矿立井井筒支护难题,提出可适用于冻结井筒外层井壁的钢纤维混凝土预制弧板井壁结构。通过模型试验对该种井壁结构的力学特性进行了研究。结果表明：钢纤维可增强弧板井壁结构的韧性,井壁破坏前钢纤维混凝土环向峰值应变达2 200~2 300 με;钢纤维可改善井壁结构的变形和破坏特征,井壁破坏时的最大径向位移可达20 mm以上。利用试验验证的有限元模型对钢纤维弧板井壁进行了极限承载力影响因素的分析,表明混凝土抗压强度与井壁厚径比是承载力的主要影响因素,而钢纤维掺入量对井壁承载力影响较小。最后建立了钢纤维混凝土弧板井壁的极限承载力经验公式。     

钢纤维混凝土井壁结构的试验研究

本文通过对井壁承载能力设计公式的分析,指出提高井壁承载能力的最有效途径是采用钢纤维高强混凝土.并根据井壁模型的试验研究结果,得到了钢纤维混凝土井壁的强度特性、变形和破坏特征.     

巷道支护钢纤维喷射混凝土三轴荷载试验

为了探索矿山巷道支护工程中经常使用的钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的力学性能,通过岩石三轴试验机,对钢纤维混凝土试件进行了各种不同条件下的三轴试验,试验数据统计分析认为,钢纤维混凝土的最佳体积率为1.5%-2.0%,同时,总结出了钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的极限抗压强度与围压的关系公式,围压越大,钢纤维混凝土的极限抗压强度越大,塑性越好。     

孔隙水压对高强混凝土抗压性能影响的试验研究

为模拟深部井筒不同工作环境下高强混凝土力学性能,将高强混凝土试件浸没入不同高压(1、2、3、4 MPa)水体中48 h,以形成孔隙水压,并在TAW-3000试验机上进行单轴抗压试验,对孔隙水压作用后高强混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变、体应变等指标的变化及其破坏形态进行了研究分析,并与未经水压作用的高强混凝土进行对比。研究结果表明,经孔隙水压作用后的高强混凝土应力-应变曲线和应力-体应变曲线的弹性极限提高了约10%。孔隙水压每提高1 MPa,高强混凝土的抗压强度损失率平均为2.93%、弹性模量损失率平均为2.96%。高强混凝土的开裂速度加快,脆性破坏特征更明显,且随着孔隙水压的增加,混凝土的抗压强度和弹性模量都表现出降低的趋势。     

多纤维混凝土井壁结构的试验研究

本文通过对井壁承载能力设计公式的分析,指出提高井壁承载能力的最有效途径是采用钢纤维高强混凝土。并根据井壁模型的试验研究结果,得到了钢纤维混凝井壁的强度特性、变形和破坏特性。     

钢纤维混凝土破坏机理及力学性能试验

通过分析比较素混凝土和钢纤维混凝土的破坏机理,讨论了钢纤维的加入对混凝土的整个破坏过程的影响,钢纤维的掺入对基体的增强机理和横跨于裂缝间的钢纤维对裂缝发展的约束作用。结果表明:钢纤维对混凝土的阻裂作用很明显,而对混凝土起裂的限制作用不明显。对钢纤维掺量为30 kg/m3的钢纤维喷射混凝土进行现场喷射大板切割试件力学性能试验,研究其立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈拉强度,并在试验分析中导入标准差系数对试验数据的可信度进行评价。     

混杂钢纤维高强再生混凝土力学性能研究

高强混凝土(High Strength Concrete,HSC)因其强度高、内部组织致密、耐久性能良好而在工程中被广泛使用。然而在HSC中加入再生骨料后会影响混凝土的整体性能,相比于普通混凝土,其脆性更大,导致结构的安全性降低。为改善高强再生混凝土(High Strength Recycled Concrete,HSRC)的脆性及抗裂性能,本文设计5组采用不同的混杂钢纤维(Hybrid Steel Fiber,HSFR)体积掺率的试验,分析其对HSRC力学性能的影响。结果表明:随着HSFR掺率的增加,HSRC的抗压强度、劈拉强度均有不同幅度的提高,但掺率过高时,抗压强度、劈拉强度有下降趋势;当HSFR掺率为1.2%时,HSRC的力学性能最优。     

再生钢纤维混凝土力学特性研究

使用再生钢纤维加入混凝土,能够改善混凝土性能及延长混凝土的疲劳寿命。为此,本文通过原材料分析、配合比设计,坍落度、抗压强度、抗剪强度、抗裂性及抗剪强度试验,综合评价再生钢纤维对混凝土性能的影响。试验结果表明：1)当钢纤维质量分数为0.46%时,再生钢纤维混凝土具有较高的坍落度和工作性;2)再生钢纤维具有“桥接作用”,当混凝土裂缝开口位移增大到0.6～3.0 mm时再生钢纤维混凝土仍具承载力,其抗裂性能明显得到改善;3)相比普通混凝土,再生钢纤维混凝土的抗剪强度增长65%。本文研究成果可为类似工程应用提供一定的借鉴与参考。     

考虑脆性损伤和水力耦合影响的立井井壁临界突水水压理论解

针对混凝土这种准脆性材料的损伤特性引入脆性损伤因子,导出三轴状态下损伤变量表达式。采用脆性材料弹塑性损伤力学模型和轴压水压耦合作用下混凝土强度准则,基于水力耦合理论导出井壁承受的地下水压解析解,开展临界突水水压理论分析。结果表明高强混凝土承受的地下水压远高于普通混凝土,且随着混凝土强度提高井壁承受的水压越大,水压与损伤半径的曲线斜率增速越快。混凝土井壁承受的临界突水水压及临界损伤半径随着孔隙率增大明显降低,且混凝土强度越高降低速率越快,考虑水力耦合作用对井壁承受的临界突水水压影响很大。高强混凝土脆性损伤因子提高,临界突水水压随之降低。实例验证表明本文得到的理论解合理。     

真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究

岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于“微机控制电液伺服压力试验机”改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：① 试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;② 随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;③ 裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;④ 随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。     

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8～-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5～-53.2 MPa,远小于钢筋强度设计值300 MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10~(-6)～-790×10~(-6)、竖向应变为-380×10~(-6)～-390×10~(-6),远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。     

井壁高性能混凝土防腐蚀机理与性能试验

混凝土腐蚀是其力学性能衰减的重要因素,西北地区地下工程混凝土常受硫酸盐腐蚀的影响,造成结构失稳或达不到设计使用年限。以赵石畔井筒含水层为工程背景,分析井壁混凝土防腐措施,探究掺防腐剂混凝土的微观形态差异和仿钢纤维提高混凝土的力学性能。发现掺加复合防腐剂的混凝土试件的微观结构相对密实,能够降低可侵入混凝土中硫酸根离子浓度并细化毛细孔的孔径;仿钢纤维对井壁混凝土强度具有明显的增强作用,能够显著改善C50、C60、C70井壁混凝土的力学性能。根据井筒含水层水质特点,给出了井筒各段混凝土的复合防腐剂和仿钢纤维的建议掺量。     

钢纤维混凝土动态特性三轴试验研究

针对目前钢纤维混凝土试验研究大多局限于静态或动态单轴应力状态的情况,开展了钢纤维混凝土三轴动态特性试验研究,根据得到的试验数据,分析了三轴状态下纤维混凝土的应力-应变关系曲线特点,讨论了纤维体积率、侧向围压等对钢纤维混凝土动态极限抗压强度、变形特性的影响,得出了钢纤维体积率1%~2%时增强效果最好等重要结论。     

钢纤维混凝土的特性及其在井壁结构中的应用

根据实验和应用,对不同钢纤维体积掺量的钢纤维混凝土的力学性能加以浅论。由于钢纤维的加入改变了混凝土的力学性能,同普通混凝土相比该种混凝土的抗拉、抗压、抗剪、抗弯曲、耐疲劳、耐冲击等性能明显提高。尤其是抗剪和韧性的明显提高,当井壁破坏时没有明显的脆性,结构保持了较好的整体完整性,从而大大提高了结构的工程安全度,所以说钢纤维混凝土将会是软岩巷道支护和深井井筒支护的理想材料。     

钢管混凝土支架构件—圆弧拱破坏机理研究

以钢管混凝土支架支护深井软岩巷道为背景,对钢管混凝土支架组成构件中的四分之一圆弧拱进行六分点等值加载,以研究试验试件的矢跨比和钢纤维体积掺量对试件力学性能的影响。实验表明,钢管混凝土圆弧拱试件拱底处主要受压弯剪应力影响,最先发生局部破坏;拱顶处主要受压应力影响,拱底和拱顶均为试件最薄弱截面。矢跨比越大,能够承受的荷载和刚度越大。1%~1.5%钢纤维体积掺量的试件的柔性增强,极限荷载与无钢纤维试件差别不大。继续增加钢纤维掺量,试件刚度增加,但试件极限荷载降低,钢纤维体积掺量在1%~1.5%较为合适。再通过数值模拟进一步研究试件危险截面的受力形式和试件的截面尺寸、矢跨比、壁厚对承载力的影响。与此同时,结合试验分析和数值模拟结果,从试件截面强度、局部失稳、整体失稳三方面进行理论分析,给出钢管混凝土圆弧拱局部失稳的原因和承载力的计算公式。最后,结合实际工程情况,提出钢管混凝土设计方案。     

内钢板高强钢纤维混凝土井壁力学特性研究

针对特厚(600~800m)冲击层中煤矿立井井筒支护问题,提出了使用内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁结构,为研究该井壁结构的水平承载特性,利用相似理论推导,采用物理模拟试验的方法,进行了4个模型井壁的破坏性试验,研究了该类井壁结构的水平承载特性和变形特征。研究表明,内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁属约束混凝土结构,是特厚冲积层中井筒支护理想的井壁结构形式之一。     

九龙煤矿深部岩体注浆浆液配比优化研究

为改善九龙煤矿-850m胶带大巷破碎围岩注浆加固效果,通过实验室析水率和单轴抗压试验,对不同水灰比和膨润土比例的以PO42.5普通硅酸盐水泥和细度800型超细水泥为主要材料的注浆浆液配比进行了优化研究;采用自主研发的MYZJ-2型实验室液压注浆系统对三轴压力试验破坏后的胶带大巷泥岩标准试件进行注浆试验,并对比分析了注浆试验效果。研究结果表明:水灰比1∶0.6,膨润土比例为水泥重量4%的超细水泥浆液,析水率为6%,养护28d后单轴抗压强度为8.87MPa,满足实验室对标准尺寸破坏试件的注浆要求;优化配比浆液对三轴压力试验破坏后的泥岩试件注浆加固后,试件单轴强度恢复值为试件原单轴抗压强度的14.7%,注浆效果较好。     

高强混凝土井壁结构的试验研究及其应用

通过对高强混凝土井壁结构模型的试验研究，得到了高强混凝土井壁极限承载能力与混凝土抗压强度之间的相互关系，指出了高强混凝土井壁具有很高的承载能力，且是解决深表土井筒的最有效途径。