约束混凝土拱架力学特性与截面设计方法研究

随着地下工程逐渐向深部发展,传统支护体系难以满足复杂条件下的支护需求,约束混凝土拱架具有良好的承载特性,在地下工程中逐渐被广泛应用,但截面特性对约束混凝土拱架力学性能的影响机制尚未明确。对比分析常见的方钢约束混凝土(SQCC)、圆形约束混凝土(CCC)与U36全比尺拱架力学性能,研究各拱架的承载性能和变形破坏机制。对不同壁厚的SQCC,CCC和不同长宽比的矩形约束混凝土(RCC)拱架进行数值试验,研究截面形状、尺寸对约束混凝土拱架力学性能的影响机制。研究表明,在截面用钢量相同的情况下,拱架截面面积越大,承载能力越强,且SQCC,RCC拱架的力学性能优于CCC拱架。在此基础上,提出约束混凝土拱架截面设计方法。     

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。     

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。     

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。     

地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展

随着我国地下工程的迅速发展,建设规模不断扩大,工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件,导致围岩变形严重、控制困难,联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明,拱架作为联合支护的最后一道防线,其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点,近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面,进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究,为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面,建立了拱架内力计算模型,形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面,进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面,形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法,研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结,同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。     

隧道格栅拱架喷射混凝土支护力学特性

目前大部分山岭隧道均采用"新奥法"施工,在"新奥法"施工中"格栅拱架+喷射混凝土"被作为初期支护结构越来越被工程界广泛采用,但其二者间相互作用的力学机理及其对支护效果的影响研究还不够充分。因此利用弹性薄壳理论建立了"格栅拱架+喷射混凝土"的力学分析模型,结合工程实例得到了"格栅拱架+喷射混凝土"初期支护的弹性解,分析了初期支护的力学特性。研究了喷层厚度及拱架间距对支护效果的影响,当格栅拱架间距在0.6~1.0 m调整时,格栅拱架间距对支护效果影响不是很明显,当喷射混凝土层达到设计强度后,围岩荷载主要由混凝土层承担。     

巷道防冲吸能钢管混凝土拱架支护性能研究

针对目前巷道支护中钢管混凝土拱架缺乏可缩让压性能的问题,从吸能让位角度设计了一种防冲吸能钢管混凝土拱架结构。通过Abaqus建立新型钢管混凝土拱架与围岩组合模型,在静载与动载两种荷载状态下,对比分析新型拱架对巷道的支护效果与抗冲击能力。结论如下：(1)根据合理的让位阻力特性设计吸能构件壁厚与尺寸,在拱架上部连接处和底弧段中部设置吸能构件,可避免弯曲过大发生失稳。套管形状依据U型钢拱架卡揽结构设置为折纹型,与拱架摩擦实现缩动让压;(2)在竖向与侧向冲击下,优化后拱架支护巷道各点位移量呈减少趋势,降低了拱架顶弧段下沉与底弧段上拱,支护效果更强;(3)静载作用下,优化后拱架与吸能构件接触后,拱架各点处塑性应变不再增加,吸能构件代替拱架发生形变。在受到动载后,吸能构件能快速响应,同时拱架两帮拐角发生弯曲变形,其余部分仍未发生明显变形。吸能构件压溃后,拱架整体塑性应变开始增加,最终优化后拱架各点等效塑性应变竖向与侧向冲击下分别降低了10%～50%和13%～78%。     

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。     

矿用U型约束混凝土拱架轴压短柱试验研究及应用

为明确最新研发的矿用U型约束混凝土拱架的基本力学性能,设计了U型约束混凝土(UCC)短柱轴压试验方案,从变形破坏形态、荷载-应变曲线、极限承载力及声发射响应特征等方面,分析了其受力性能和变形破坏特性,同时研究了核心混凝土破裂机理。结果表明:UCC短柱呈现整体塑性失稳的破坏形态,对应的N-ε曲线为上升→平缓上升的4阶段形式;UCC短柱具有较好的延性和后期承载能力,极限承载力提高127%~196%,经济性得到提高;声发射活动先后经历了孕育期到消寂期4个阶段。分析得到了每个时期约束混凝土短柱的受力、变形、破坏行为及机理。现场应用效果显示,U型约束混凝土拱架为深部、软岩巷道提供了新型有效的支护形式,控制效果明显优于常规U型钢拱架。     

用于混凝土衬砌的组合式台车

在用拉杆连接单片拱架浇注混凝土隧道的施工中,立模、拆模费工费时,效率低,而用组合式混凝土台车浇灌长距离、大断面永久性隧道,可达到提高质量和工效及降低成本的目的     

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。     

深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护技术研究

万福矿井胶带暗斜井机头硐室埋深达810 m,顶板基岩厚度仅48 m,硐室最宽8.02 m,最高6.6 m,顶板泥岩强度弱,稳定性差,为典型的深部薄基岩宽大硐室,存在突水溃砂风险。为此采用顶板围岩加固及加强支护技术对硐室进行防灾处理。采用了预注浆方式对硐室围岩起到理想加固效果。选用了“锚注+约束混凝土拱架”强化支护方案,约束混凝土拱架与围岩之间采用砂浆进行填充,约束混凝土拱架较好的抑制了围岩变形。万福矿井深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护经验可为类似硐室加固提供借鉴。     

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。     

巷道管棚钢格栅喷混凝土支护掘进方法的应用

巷道管棚钢格栅喷混凝土支护掘进方法是先沿巷道开挖断面安装导管,形成管棚假顸,在管棚假顶下采取短掘短砌,按1～2m间隔砌筑钢筋拱架,两钢筋拱架间又用栅状钢筋连接,钢格栅与开挖断面壁间空隙用毛石充填,最后喷混凝土固结钢筋拱架及栅状钢筋,形成管棚钢格栅喷混凝土支护.银厂坡矿斜坡道地质条件复杂,掘进难以成巷.经多方案比较,最终采用巷道管棚钢格栅喷混凝土支护方法.半年多实施情况表明,这种支护掘进方法解决了银厂坡矿斜坡道施工难题,对类似条件的巷道掘进有借鉴作用.     

钻孔混凝土灌注堵水墙方案设计及应用

采用地表钻孔灌注混凝土构筑井下堵水墙可实现井下治水目的。探讨钻孔混凝土灌注构筑堵水墙的设计形式、厚度计算、混凝土灌注及施工质量控制要求。介绍了一成功应用实例,为矿山井下防治水提供了经验。     

混凝土灌注桩桩头渗水的处理及预防措施

混凝土灌注桩桩头渗水对桩体混凝土受力和基底防水产生影响,对混凝土结构中的钢筋造成腐蚀。结合工程实例,对桩头渗水产生的原因进行分析,主要有操作经验不足、责任心不强,灌注器具不合格,混凝土质量指标不符合要求,灌注接近结束时拔管速度过快、灌注终了超灌高度测量不准,基土含水量高、水压大等;出现桩头渗水可采用人工剔除或注浆封堵处理;介绍了预防措施,包括加强作业人员培训,强化灌注器具检查,严控混凝土质量,重点监管终灌时的状态,做好基坑内降水工作等。     

不同截面形状钢管混凝土拱架的截面压弯特性

目前巷道支护采用的钢管混凝土拱架的横截面形状有圆形、方形和D形。为掌握不同截面形状钢管混凝土拱架承载性能的差异,采用ANSYS对不同截面试件进行了压弯试验,统计分析了3种不同截面构件的压弯承载力。结果表明:随着偏心率增大,试件轴向抗压承载力降低,抗弯承载力提高;在截面含钢量及内部混凝土等级相同的情况下,圆形构件抗压弯承载能力最强,其极限弯矩分别是方形、D形正弯、D形反弯的1.3倍、1.65倍、2.8倍,其M-N曲线包络面积是后三者的1.44倍、1.83倍、2.75倍;截面形状对构件抗弯承载力的影响显著大于对抗压承载力的影响;D形截面构件压弯承载力受偏压方向影响明显,负偏压时承载力更低。     

钻孔桩水下混凝土灌注工艺流程的比较

结合钻孔灌注桩施工特点和施工条件，选用６种工艺流程灌注水下混凝土，并就灌注质量，速度，劳动强度及经济费用进行了综合比较。     

哑铃形钢管混凝土拱双重非线性分析

采用双重非线性有限元法对哑铃形钢管混凝土拱肋进行了极限承载力分析。通过与试验结果的比较，发现采用4折线的钢材本构关系及考虑应力梯度影响的韩林海核心混凝土本构关系时，计算结果与实验结果最为接近，受力过程中的荷载及变形特征与试验拱最为相似。对哑铃形钢管混凝土拱肋进行了非线性性能分析。结果表明:材料非线性对构件的影响要远大于几何非线性对其影响。几何非线性和材料非线性存在耦合现象，双重非线性并非二者简单叠加。在进行钢管混凝土拱肋极限承载力分析时，应综合考虑几何非线性和材料非线性。     

软岩巷道锁拱锚杆精细化数值模拟研究

锁拱锚杆是软岩巷道支护中拱架失效的常用防控措施,但是其参数设计缺少依据。为研究锁拱锚杆位置、长度参数对巷道支护效果的影响规律,以典型软岩巷道为工程案例,采用自主开发的锚杆-拱架联合支护精细化模拟技术开展了数值模拟试验。结果表明:无锁拱方案围岩变形量大,拱腿率先变形,随后与围岩分离,最终导致支护体系失效;而锁拱锚杆控制了拱腿内弯变形且防止了拱架与围岩分离,保证了支护体系的完整性,支护效果明显改善;巷帮内移量和塑性区体积随锁拱点高度H的增加呈现先减小后增大的规律且影响显著,支护效果随锁拱锚杆长度L的增大趋好但并不明显。基于研究结论确定了锁拱锚杆优化参数(H=1.0 m,L=3.0 m),现场实践表明效果良好。