钢纤维混凝土喷层的力学性能试验研究

论文摘要

随着煤矿开采深度的增加,地压问题十分明显,围岩变形量大,一般巷道中的喷射混凝土,施工后不久便出现裂缝,甚至逐渐发展到剥落和掉块,丧失了对围岩的封闭和支护作用,结果巷道破坏严重。深部巷道支护材料对解决深部巷道支护这一技术难题起着重要的作用,喷射钢纤维混凝土是将喷射混凝土和钢纤维混凝土的优良特性结合在一起,是一种新型复合材料和施工方法,为了深入研究不同钢纤维体积率下混凝土喷层材料的力学性能,有利于巷道支护工程应用,论文对其进行了研究。根据钢纤维混凝土结构的力学原理,进行了四种钢纤维体积率下的（0、0.5%、1.0%、1.5%）钢纤维混凝土基本力学性能试验,当钢纤维体积率为0.5%、1.0%、1.5%时,和普通混凝土相比其劈裂抗拉强度分别提高22%、40%、66%;抗折强度分别提高36%、47%、63%;弯曲韧性指数I30分别提高2%、12%、78%,破坏时有裂而不断的特征。进行了三种钢纤维体积率下（0、0.5%、1.0%）钢纤维混凝土半圆拱试件试验,通过试验得出:当钢纤维体积率为0.5%、1.0%时,和普通混凝土相比其极限承载力分别提高50%、67%;内侧环向拉应变分别提高30%、63%,并利用FLAC有限元软件数值模拟,分析其破坏过程,试验结果和模拟结果基本吻合。通过巷道全断面的数值模拟,在施加同一压力下,钢纤维混凝土能够承受较大应力,并且顶部位移较小。在淮北矿业集团有限责任公司刘店煤矿-641m水平井底车场水仓进行现场试验,当使用喷射钢纤维混凝土时使得混凝土的回弹率降低了4.94%,减少了混凝土用量。通过现场试验及结合喷浆机械设备,当使用体积率为0.75%左右、长度20mm的波浪型钢纤维较为合适。分析了喷射钢纤维混凝土和U型钢支护的原理,对比喷射混凝土、喷射钢纤维混凝土和U型钢支护的效果,钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高韧性好等特点,可以有效抑制裂缝的产生与发展,喷射钢纤维混凝土回弹量小,喷层中的应力分布比较均匀,且应力值较小,具有较好的韧性和抗变形能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 研究内容和方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 研究方法
• 2 喷射钢纤维混凝土的破坏机理和增强机理
• 2.1 喷射钢纤维混凝土的破坏机理
• 2.2 喷射钢纤维混凝土的增强机理
• 2.2.1 复合增强理论
• 2.2.2 纤维间距理论
• 2.2.3 钢纤维混凝土增强机理理论的统一
• 3 巷道喷层支护理论分析
• 3.1 计算理论模型
• 3.1.1 壳体结构基本理论
• 3.1.2 问题分析与理论模型
• 3.2 内力计算
• 3.2.1 巷道围岩应力分析
• 3.2.2 支护荷载的计算
• 3.3 壳体结构内力与变形的简化
• 3.3.1 力学模型
• 3.3.2 计算理论
• 3.3.3 基本方程
• 3.3.4 求解过程
• 3.4 小结
• 4 钢纤维混凝土基本力学性能试验
• 4.1 试验概况
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 配合比设计
• 4.1.3 试件的制作
• 4.2 实验系统及实验设备
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 抗压强度试验
• 4.3.2 劈裂抗拉强度试验
• 4.3.3 抗折强度试验
• 4.3.4 弯曲韧性试验
• 4.3.5 柱的抗压强度试验
• 4.4 小结
• 5 钢纤维混凝土半圆拱试件的室内试验及其数值模拟
• 5.1 半圆拱试件试验概况
• 5.2 试验现象及分析
• 5.3 荷载-应变曲线分析
• 5.4 室内试验的数值模拟
• 5.4.1 模型建立
• 5.4.2 数值模拟结果分析
• 5.4.3 巷道全断面试验模拟
• 5.5 小结
• 6 钢纤维混凝土喷层的工程应用
• 6.1 工程概况
• 6.1.1 地质条件
• 6.1.2 地质构造及水文条件
• 6.2 支护情况介绍
• 6.2.1 支护材料
• 6.2.2 施工方案
• 6.2.3 施工方法
• 6.2.4 支架形成
• 6.3 喷射钢纤维混凝土施工工艺
• 6.3.1 喷射钢纤维混凝土施工设备
• 6.3.2 喷射钢纤维混凝土施工原则
• 6.3.3 施工作业
• 6.4 回弹损失率测试
• 6.5 喷射钢纤维混凝土和U型钢支架相互作用机理分析
• 6.5.1 钢纤维混凝土喷层加固机理
• 6.5.2 U型钢可缩性金属支架及工作原理
• 6.5.3 喷射钢纤维混凝土和U型棚在巷道支护中的作用分析
• 6.6 现场试验
• 6.7 小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果