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《山东大学》 2015年
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岩体锚固失效机理及预应力锚固围岩承载性能研究

王洪涛  
【摘要】:针对深部高地应力环境与极软弱地层环境下的巷道开挖,传统的锚杆、锚索支护技术极易产生失效频繁、可锚性较差、锚固支护强度低或主动支护效果不足等问题,使锚杆、锚索支护潜力难以充分发挥,支护系统整体强度降低,不利于巷道围岩控制,增加潜在不安全因素,也会造成巷道复修率增加,支护成本升高。针对上述问题,明确锚固支护失效机理,优化确定高强锚杆安全合理的支护设计参数,提出针对性控制措施,对保障上述巷道开挖围岩稳定性及煤炭资源的安全高效开采,具有重要的理论价值及现实意义。本文采用理论分析、数值模拟、模型试验、现场试验与现场实测相结合的研究方法,明确了软弱围岩锚固体界面渐进失效机理及锚固围岩破裂机理,揭示了预应力锚固围岩强化机理及承载性能,提出了适用于高地应力环境巷道开挖的高预应力设计方法及定量施加技术。主要研究工作及成果如下:1.软弱围岩锚杆锚固体界面力学承载特性分析针对软弱围岩锚杆锚固剂与围岩之间界面粘结能力较弱、锚固支护构件可锚性较差等问题,考虑锚杆锚固体设计参数、界面剪胀效应、围岩强度参数及围岩应力等因素影响,提出了锚固体界面黏结强度的理论计算分析方法,揭示了锚固体界面力学承载特性。软弱围岩锚固体界面抗剪能力与围岩弹性模量、粘聚力、内摩擦角、剪胀角、围岩应力正相关,与锚固体直径负相关;通过改善锚固段锚固工艺与采用注浆加固技术,是提高软弱围岩锚固支护构件可锚性的有效途径。2.软弱围岩锚杆锚固体界面渐进失效机理研究考虑软弱围岩锚杆锚固体界面剪胀效应与软化效应,提出了可有效描述界面“弹性-滑移剪胀-塑性软化-脱黏”特性的本构模型,并基于新提出本构模型,建立了锚固体界面渐进失效的全历程分析方法,得到了界面渐进失效过程中锚固体荷载传递规律及对应极限拉拔力大小,揭示了软弱围岩锚杆锚固体界面的渐进失效机理。3.预应力锚固围岩破裂机理研究针对预应力锚固围岩发生整体剪切破坏工况,考虑岩体破坏的非线性特征,建立了锚固围岩破裂的力学分析模型,基于系统能量转化平衡原理,确定了锚固围岩破裂机制与对应极限拉拔力大小。当锚固围岩发生整体破坏时,锚固体极限拉拔力大小主要取决于岩体质量好坏,随岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度与上覆岩体荷载增加,极限拉拔力不断增大。4.预应力锚固围岩力学效应研究根据锚杆作用叠加原理,建立了不同锚固长度下锚杆-围岩力学作用模型,推导出了锚杆杆体及围岩应力分布规律,并考虑锚杆长度、布设间距、锚固长度、预应力等4大类因素影响,设计20种对比方案,开展了锚固围岩数值对比试验,结合理论分析结果,揭示了不同锚固方式下围岩支护力学效应。研究表明:通过施加高预应力,并留设一定自由段长度,或增加锚杆长度、减小布设间距,有利于锚杆预应力在围岩中扩散,可形成有效的锚固围岩承载结构,当锚杆布设间距较大时,可通过提高预应力、适当减少锚固长度来改善围岩控制效果。5.预应力锚固围岩强化机理研究将非全长预应力锚杆对围岩的支护作用,划分为锚固段围岩被动强化区与自由段围岩主动强化区,提出了锚固围岩主动支护强度及被动支护强度的理论计算分析方法,揭示了预应力锚固围岩的强化机理。为实现锚杆支护潜力的充分发挥,最优的锚杆锚固方式应使自由段杆体与锚固段杆体支护潜力均得到最大程度发挥,具体可采用全长预应力锚固方式(端部锚固、全长充填)来实现。6.锚固围岩承载性能模型试验研究研发了锚固模拟试验装置,考虑无锚杆支护与锚杆支护两种工况作用,开展了锚固围岩承载性能模型试验,明确了预应力锚固围岩破裂机制及承载性能,验证了理论分析成果的正确性。研究表明:采用预应力锚杆支护可有效提高围岩峰值、峰后承载能力及整体刚度,限制模型体围岩的劈裂垮落破坏,使围岩呈现出一定的延性变形破坏特征。7.预应力锚固支护简化设计方法研究及应用针对现有锚杆预应力缺乏有效设计理论的现状,以深部拱形巷道为例,考虑顶板围岩破坏的非线性特征及围岩应力与锚杆支护作用,构造出顶板围岩破裂机制,基于上限分析理论,提出了巷道开挖初期顶板锚杆预应力的一种简化设计方法,给出了相应工程建议措施,并通过现场应用实施,验证了高强预应力支护对顶板围岩控制效果的优越性。8.不同锚固方式下围岩控制效果现场试验研究考虑不同锚杆锚固长度及预应力影响,设计系列对比试验方案,开展了不同锚固方式下围岩控制效果现场试验,通过对各方案围岩变形破坏特征、锚杆受力特性进行监测分析,明确了不同锚固方式下巷道锚杆力学性能与围岩控制效果。研究表明:提高预应力是改善围岩控制效果的有效途径,在一定条件下,可适当缩减锚杆锚固长度,并不会明显削弱围岩控制效果,还可以起到节约支护成本的作用。9.高预应力定量施加技术研发及应用针对现有矿山全螺纹锚杆预应力施加过程中出现的扭矩转化系数低、螺纹易变形而退锚困难、预应力施加值低且无法定量、片帮后预应力二次施加困难、施工工艺复杂、劳动强度大等问题,研发了高预应力定量施加技术,并通过实验室测试与现场应用,验证了高预应力定量施加技术的有效性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TD353

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【引证文献】
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