恒阻大变形锚杆拉伸力学性能及其应用研究

为了进一步研究恒阻大变形锚杆的拉伸力学性能,采用室内拉伸试验和现场实践相结合的方法,通过恒阻大变形锚杆(索)静力拉伸试验系统对恒阻大变形锚杆进行拉伸试验,从支护能力、锚杆伸长量、直径变形量和吸收能量4个方面对试验数据进行对比分析,并对其进行工程应用。试验与应用结果表明,恒阻大变形锚杆能够在顺应围岩大变形过程中,通过对围岩提供恒定的支护阻力,实现岩体内部变形能量的有控制性释放,从而达到支护体–围岩共同作用的巷道稳定性控制目标。恒阻大变形锚杆独有的恒定较高支护阻力、大拉伸量、锚杆变粗、吸收能量能力强的特点为易发生大变形破坏的软岩及深部巷道工程稳定性控制提供了有效途径。     

抗爆缓冲材料动态力学特性及微观破裂分析

采用准静态、落锤冲击和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验研究方法,借助电镜扫描(SEM)手段,对泡沫Al、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫Mg及Al–纤维和Al–稀土闭孔泡沫材料进行吸能特性试验研究,并讨论其微观破坏特征。准静态试验结果表明,基体材料不同,应力–应变曲线和吸能性能关系差异较大,抗压强度值最大为5 MPa左右。落锤冲击应力–应变和吸能特性试验结果说明,冲击载荷作用下材料抗压强度提高较大,最高可达15 MPa,吸能值最大达29 J。SHPB试验结果得出缓冲吸能性能良好的泡沫材料参数以密度为0.35～0.70 g/cm3,孔隙度为65%～87%,孔径为1.0～4.0 mm为宜。静态与冲击试验微观破坏结果均说明泡沫Al材料具有明显的撕裂痕迹,表现出韧性断裂特征。与准静态试验结果相比,冲击速度增大后,材料强度和吸能性能得到更好发挥,泡沫Al材料吸能值最大,变形空间较大,更适合用于防冲吸能支护材料。相似模拟试验结果表明,锚杆支护、U型钢支护巷道都存在不同程度的冲击变形或破坏,防冲支护巷道发生冲击后整体性较好。     

恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用

 传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200 mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量,该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成,适应于软岩巷道、深部巷道的围岩支护,可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验,试验结果表明,恒阻范围内累计变形量最大值可达1 000 mm。在我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验,效果良好。     

双根并联恒阻大变形锚杆吸收冲击能量研究

为了研究恒阻大变形锚杆在动力冲击作用下的吸能规律,开展了双根并联恒阻大变形锚杆动态冲击拉伸实验。实验结果表明:随着冲击速度的增加,恒阻大变形锚杆的工作阻力和伸长量均越来越大,恒阻大变形锚杆伸长单位长度吸收的能量增加。双根并联恒阻大变形锚杆冲击力时程曲线可见两个峰值,第二个峰值总是小于第一个峰值,即当多个恒阻大变形锚杆并联工作时,其冲击力响应水平是逐个衰减,能够有效缓解冲击效应。同时,采用红外热成像法对恒阻大变形锚杆和普通锚杆冲击过程中的温度场变化进行监测,对比研究二者吸能特性,实验表明,与普通锚杆相比,恒阻大变形锚杆吸能效果更好,更利于巷道防冲支护。     

冲击地压巷道围岩支护作用动力学分析

建立了冲击地压巷道围岩支护作用动力学模型,模型将上覆岩层简化为由多个质量块组成的块系,岩块简化为刚体,岩块间的连接简化为Kelvin-Voigt模型,把支护系统简化为弹簧和耗能阻尼器,初始岩块受冲击载荷作用。支护系统中阻尼为零时,为常规支护系统;支护系统中阻尼大于零时,为吸能防冲支护系统。分析得出:加强支护,提高支护强度,可以大幅度减少巷道冲击载荷作用下围岩加速度和位移幅值;支护系统中加入阻尼构件有利于快速平息围岩震动,增强支护抗冲击载荷能力,提高巷道围岩稳定性。提出了高强度吸能支护防治巷道冲击地压,为冲击地压巷道安全防冲支护设计提供理论依据。     

滑动构造区极松散煤巷围岩大变形控制机制试验研究

为研究滑动构造区极松软煤层巷道围岩大变形控制机制,综合运用现场调研、理论分析、数值模拟和物理模拟试验等方法,分析极松软煤层巷道支护–围岩系统失稳机制,自主设计大比例尺真三维锚固模型试验系统,并对比研究巷道在低预应力锚杆配合钢塑网护表、高预应力锚杆配合钢塑网与钢筋编织网联合护表2种围岩控制条件下,经受掘进、采动影响过程中围岩应力、锚杆锚固力、围岩体变形的演化规律。结果表明:(1)巷道围岩失稳模式为:锚杆之间松软煤体是锚固作用薄弱区,在围岩载荷作用下首先发生破坏,逐渐产生极不均匀大变形,继而引起锚固围岩系统整体渐进失稳。(2)掘进影响阶段,巷道围岩变形量较小,在较差的围岩控制条件下,巷道浅部0~1.64 m范围围岩径向应力、切向应力出现不同程度降低;而支护初期施加较高的锚杆预紧力和护表强度,可以直接有效地提高巷道浅部围岩的应力水平,使得锚固体具有较强承载能力,巷道浅部围岩应力降低程度相对减小,且围岩径向应力出现降低的范围由0~1.64 m减小到0~1.24 m。经受采动影响后,锚固围岩应力增加量相对提升25.0%~51.8%。(3)采动影响作用下巷道围岩迅速产生强烈变形,尤其锚杆之间围岩产生类似"锥形"的极不均匀大变形区域。在较差锚固作用条件下,浅部围岩不断破碎、局部流失,锚杆轴力急剧升高之后缓慢下降;但在较好的锚固条件下,巷道围岩完整性良好,锚杆之间围岩出现极不均衡大变形的范围明显减小,锚杆轴力急剧升高后继续稳步增加,巷道围岩整体位移量也相对减少31.9%。     

刚柔耦合吸能支护煤岩巷道冲击破坏相似试验与数值计算对比分析

冲击地压巷道支护问题一直是研究的热点。采用相似模拟试验和数值模拟的研究方法,对裸巷和刚柔吸能支护巷道的冲击破坏过程进行研究。试验和数值计算结果均表明,无支护巷道冲击变形破坏较严重,在巷道顶板和两帮壁面均出现裂缝扩展和贯通,甚至出现抛出物冲入巷道和塌落现象;刚柔吸能支护具有缓冲和吸收冲击能作用,表现为巷道顶板和两帮壁面发生向巷道内部变形,同时有局部壁面出现裂缝,但巷道整体性完好;裸巷和吸能支护巷道冲击破坏规律基本一致,吸能支护巷道冲击破坏程度弱,整体性好,刚柔耦合支护更有利于冲击地压巷道支护。     

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。     

极软岩回采巷道互补控制支护技术研究

 从加固破碎岩体和提高支护阻力两方面综合研究入手,分析小康煤矿巷道围岩的力学及变形破坏特征,得出小康煤矿软岩回采巷道围岩失稳机制,指出原有支护系统变形不协调、支护阻力低和没有发挥围岩的承载能力是导致巷道破坏和支护失效的主要原因。以铁法矿业集团小康矿S2N8运输顺槽为工程实例,研究高强度高预紧力锚杆、强力锚索、金属网和喷浆加固以及U型钢在控制围岩变形中的互补作用,详细介绍高强度、高预紧力锚网索配合U型钢可缩支架的互补控制综合支护方案并进行现场工业试验。研究结果表明,互补控制支护技术能够避免极软岩回采巷道的多次翻修,实现支护一次到位。     

动载作用下圆形巷道锚杆支护结构破坏机理研究

将冲击应力波进行合理简化,建立平面P波与圆形锚固巷道相互作用简化模型。结合算例,通过分析深部围岩径向应力、巷道表面切向应力、巷道表面径向位移以及深部围岩与巷道表面径向位移差等代表性指标,确定了重点支护位置,推导了重点支护位置的锚杆受力机制并提出了相应破坏类型及判据。结果表明:迎波侧与侧向位置是重点支护位置。迎波侧锚杆总应力是静载轴应力、锚杆振动的动应力和动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,强冲击下迎波侧支护结构的破坏类型为单次瞬间摧垮破坏,围岩受压破裂,锚杆松动失去加固作用;循环弱冲击下的破坏类型为循环累积损伤破坏,受压围岩逐渐损伤致裂,锚杆反复受压、受拉直至松动,这进一步加剧围岩的损伤破裂,当承载拱强度降低到一定值后,一次小冲击就能诱发巷道冲击破坏。侧向位置锚杆总应力是静载轴应力、动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,锚杆始终受拉,在强冲击下可能发生拉断破坏。通过相似模拟试验,较好地验证了理论分析结果,表明理论分析结果对工程实践具有一定的指导意义。     

软土地区大直径可回收锚索支护技术的设计与应用

大直径可回收锚索作为一种新型的基坑支护形式,将高压旋喷桩技术应用于锚杆技术中,并对锚杆端部构造进行创新,形成了独特的土层锚固成套技术,有效地解决了软土地区传统锚杆应用的难题。大直径可回收锚索属于压力型锚索,具有传统锚索所缺乏的高承载力以及可回收的两大优势,近年来在软土地区得到大量应用和推广。结合大直径可回收锚索在工程中的设计与实践,对其施工工艺、构造及设计计算进行了总结,并根据现场试验结果,采用数值模拟分析手段,分析得到了大直径可回收锚索的锚固体摩阻力、轴力以及变形承载特性的一些初步结果。最后介绍了大直径可回收锚索在无锡综合交通枢纽的工程应用,为软土地区类似工程项目提供参考。     

外露式钢柱脚受剪性能试验研究

以轴力和锚栓数量及其布置形式为参数,对4个外露式钢柱脚试件进行了水平往复加载试验,对其受剪性能及受剪机制进行分析。当柱脚所受轴力为压力时,柱脚的剪力由其与基础顶面间的静摩擦力传递给基础,且柱脚弯矩对其受剪承载力有提高作用。当柱脚所受轴力为拉力时,柱脚底板与基础表面间分离,柱脚在水平荷载作用下发生滑移,此时锚栓参与承担水平力,但其承担水平力的能力较小。柱脚受弯承载力随着柱脚锚栓数量的增加而增大。当锚栓数量从4个增加到6个时,柱脚受弯承载力增加了12%,耗能能力增加了20%。配置相同数量锚栓柱脚的滞回行为随着锚栓布置方式的不同也有所改变。将锚栓布置在沿加载方向的最外侧时,可以最大程度地利用每个锚栓的承载力。因此,在设计外露式柱脚时需要考虑锚栓布置方式,以便充分利用锚栓的受拉性能。     

柔性防护系统中钢丝绳锚杆性能试验研究

 在柔性防护系统中,钢丝绳锚杆受到的荷载作用方向与锚杆轴向存在一定的角度,而目前在钢丝绳锚杆的设计中,仅仅以轴向抗拔力作为设计依据,这并不能反映钢丝绳锚杆的实际工作状态。为此设计钢丝绳锚杆随不同方位荷载作用的试验,考察钢丝绳锚杆的孔径和荷载作用方位对其性能的影响,结果表明：在斜向荷载作用下,增大锚杆孔径或增大斜向荷载与锚杆水平方向夹角,能有效提高锚杆的性能,降低其在荷载作用下的位移。此外,当钢丝绳锚杆的锚固力由其自身能够承受的极限荷载确定时,需要局部加强鸡心环弯折部分的抗折能力,提高锚杆的整体受力性能。最后,提出柔性防护系统中钢丝绳锚杆的设计依据,供工程应用时参考。     

钢结构厂房高位锚栓柱脚抗剪承载力的试验研究

为了解宝钢无缝钢管厂厂房柱高位锚栓低加载的柱脚抗剪承载能力，对其工作机理、承载能力、抗滑移性能进行了试验研究。认为在确定抗剪承载力时，以静摩阻力控制为主，不计入锚栓提供的附加摩擦力     

悬索桥锚跨张力施工中散索鞍丝股滑移问题

依据悬索桥主缆架设时散索鞍处索股滑动的问题,考虑温度作用效应的索力差对散索鞍处索股滑动问题的影响,得出温度对索力的影响不可忽略且仅靠散索鞍静摩擦力难以因温度作用造成的边跨与锚跨索力差。     

地震作用下边坡预应力锚索振动台试验研究

为研究边坡预应力锚索在地震作用下的动力响应,采用振动台进行预应力锚索支护岩质边坡模型试验。模型试验相似关系依据重力相似律及量纲分析法推导。输入Wolong,El Centrol,TAFT三种地震波,监测锚索轴力、坡面加速度和位移时程,研究预应力锚索轴力和预应力损失在地震作用下的动力特性、边坡在锚索支护下的整体稳定性。结果表明:不同地震作用下,锚索的轴力和预应力损失动力响应不同,试验中锚索的预应力损失最大达15.7%,随着输入地震波峰值的增大,锚索预应力损失呈先增大后减小的趋势,达到临界值后,不再发生预应力损失。建议预应力锚索抗震设计时,施加的预应力应该达到预应力设计值的1.1～1.2倍,高于静力情况下的值。该研究结果可为更加合理的进行边坡预应力锚索抗震设计提供良好的基础。     

淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷破坏特征及控制对策研究

 针对淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷支护过程中出现的围岩剧烈破坏难题,综合现场调研、煤岩试验、数值模拟、理论分析及井下试验与实测等方法,对其变形破坏机制、工字钢与锚杆(索)支护位移场的分布及煤巷动态破坏特征、顶板钻孔淋水量分区、新型防水锚固剂的锚杆(索)锚固力测试及淋涌水碎裂顶板控制对策进行系统化研究,主要研究内容及结论如下：(1) 淋涌水碎裂煤岩顶板的破坏主要是支护结构体的非整体性承载、锚杆(索)支护受钻孔淋水持续弱化失效以及顶板复合煤岩结构刚强度差异大而导致的离层综合作用的结果;(2) 研究新型防水树脂锚固剂,并通过井下淋涌水顶板锚杆(索)拉拔试验及支护后期锚索监测结果,检验防水锚固剂稳定性能;(3) 提出控制淋涌水碎裂顶板的“四位一体”控制对策,分析具体支护措施力学效应及保持顶板稳定性方面的作用;(4) 详细介绍井下运用“四位一体”综合控制系统的一典型淋涌水型碎裂煤岩顶板煤巷成功实例。研究成果可在霍州矿区进行推广应用,对类似条件巷道支护技术具有一定的理论和实用价值。     

钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓承载性能

研制开发出钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓STUCK-BOM,并针对6种不同型号的8.8级单向螺栓进行了单个螺栓的轴向拉伸和剪切的静力试验,每个螺栓均进行了多种钢板厚度的试验。通过试验得到了国产自锁式8.8级单向螺栓在轴向拉力和剪力作用下的荷载-位移曲线,由此获取了单个单向螺栓抗拉极限承载力、抗剪极限承载力及初始刚度等力学性能指标。结果表明:除了用于连接钢板较薄的情况,国产自锁式8.8级单向螺栓的抗拉承载力和同等级承压型高强螺栓相同,抗剪承载力优于同等级承压型高强螺栓,满足工程应用的需求,为钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓的工程应用提供基础数据和依据。     

拉力型和压力型预应力锚索受力分析及工程应用

根据拉力型、压力型预应力锚索结构特征，本文将拉力型预应力锚索抽象为在假想滑动面处受一个集中力P，将压力型预应力锚索抽象为在锚索孔底处受一个集中力P。工程中一般假想滑动面或锚索孔底距岩土体表面较远。基于以上假定和工程条件把预应力锚索归结到空间体内一点受集中力Kelvin问题。文中引用Kelvin应力解求得了拉力型预应力锚索钢绞线侧壁、锚索孔壁剪应力τ沿轴向分布，求得了压力型预应力锚索孔壁剪应力汲正应力σ沿轴向分布。 根据本文结果：建议岩体中拉力型预应力锚索设计时应以钢绞线与注浆体之间粘结强度作为设计依据。建议岩体中压力型预应力锚索在受力端增加一段钢管改进成压力局部分散型预应力锚索。建议土体中压力型预应力锚索采取孔底扩孔改进成扩大头式压力型预应力锚索。     

适用于软岩边坡加固的压力分散型预应力锚索锚固机理研究

利用有限差分程序FLAC对压力分散型预应力锚索的锚固机理进行了研究。和拉力集中型锚索相比,压力分散型锚索有以下优点:锚固段浆体轴力峰值仅为拉力集中型的1/n(n为承载体的数量)且为受压状态;剪力峰值较小且能较均匀地分布于整个锚固长度上;可以提供较大的锚固力。这些特点说明压力分散型锚索更适用于软岩边坡的加固,增加承载体的数量是提高压力分散型锚索锚固力、改善其受力状态的有效途径。