钢筋混凝土衬砌与网壳锚喷支护力学性能试验研究及工程应用

论文摘要

深井软岩巷道矿压控制,一直是采矿工程难点问题之一。随着矿井开采规模的加大和开采向深部发展,深部软岩巷道及大断面硐室支护问题显得越来越突出,能否解决好深部软岩巷道及硐室支护等问题,是矿井开采向深部发展和安全生产的关键。在地下工程结构中,现浇钢筋混凝土衬砌主要应用于马头门、装载硐室、水泵房以及浅埋隧道等,采用现场钢筋绑扎和混凝土浇筑的施工形式,具有施工速度快,混凝土强度高、质量易保证等优点;网壳锚喷支护是用一种在地面加工成型的特殊三维钢筋支架代替普通的二维钢筋网,施工速度快、工艺简单,在不降低支护衬砌的承载能力的前提下,支护费用低于普通钢筋混凝土衬砌。本文利用结构力学和弹性地基梁等理论对钢筋混凝土衬砌进行分析,并根据地面大跨度壳体的力学原理对网壳锚喷支护结构进行研究,推导出两种不同结构的内力计算式。并依托西山煤电集团杜尔坪矿南翼大巷120m破碎段进行了对比应用,对钢筋混凝土衬砌结构和网壳锚喷支护结构进行室内模型试验,研究网壳锚喷支护结构和钢筋混凝土衬砌的变形、破坏形态与发展规律。同时,根据模型试验参数建立有限元数值计算模型,利用有限元软件ANSYS对网壳锚喷支护结构和钢筋混凝土衬砌结构进行数值计算分析。结合典型工程,现场实测和分析,对钢筋混凝土衬砌和网壳锚喷支护进行比较。试验结果表明,网壳锚喷支护结构较钢筋混凝土衬砌有较好的承载能力,最大承载力可达到1388 KN,而钢筋混凝土衬砌承载力仅为798KN。工程应用表明,钢筋混凝土衬砌和网壳锚喷支护均具有良好的支护效果,在同比条件下,网壳锚喷支护比钢筋混凝土衬砌结构总工程费用降低13.36%。论文通过对网壳锚喷支护和钢筋混凝土衬砌结构研究,为网壳锚喷支护和钢筋混凝土衬砌结构的理论分析与计算及结构的设计与优化奠定了一定的理论基础和依据,并为地下工程支护结构设计方案的经济、合理选择提供很好的范例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 地下工程结构支护基本理论
• 2.1 地下支护结构研究分析的基本方法
• 2.2 巷道变形破坏的主要因素
• 2.3 围岩稳定的基本判据和准则
• 2.4 巷道围岩应力分析
• 2.5 围岩支护荷载计算
• 3 钢筋混凝土衬砌与网壳锚喷支护计算理论分析
• 3.1 钢筋混凝土衬砌结构计算理论分析
• 3.1.1 钢筋混凝土衬砌结构的计算原理
• 3.1.2 钢筋混凝土衬砌结构内力计算
• 3.2 网壳锚喷支护结构计算理论分析
• 3.2.1 网壳锚喷结构支护原理
• 3.2.2 网壳锚喷结构内力计算
• 4 室内相似模型试验
• 4.1 概述
• 4.2 相似模型试验基本理论
• 4.3 模型试验设计
• 4.3.1 模型设计
• 4.3.2 模型制作
• 4.3.3 试验的加载与测量
• 4.4 模型试验结果分析
• 4.4.1 网壳锚喷支护模型试验结果分析
• 4.4.2 钢筋混凝土衬砌模型试验结果分析
• 4.5 本章结论
• 5 有限元数值分析
• 5.1 有限单元法
• 5.1.1 有限单元法
• 5.1.2 ANSYS有限元程序简介
• 5.2 有限元建模
• 5.2.1 有限元模型的选取
• 5.2.2 单元选取及实常数的确定
• 5.2.3 本构关系及破坏准则
• 5.3 钢筋混凝土衬砌与网壳锚喷支护有限元数值分析
• 5.3.1 确定单元及定义参数
• 5.3.2 创建模型及边界条件
• 5.3.3 钢筋混凝土衬砌结构求解结果分析
• 5.3.4 网壳锚喷支护结构求解结果分析
• 5.4 本章结论
• 6 钢筋混凝土衬砌与网壳锚喷支护工程应用
• 6.1 工程概况
• 6.2 钢筋混凝土衬砌与网壳锚喷支护监测分析
• 6.2.1 测试目的
• 6.2.2 监测内容
• 6.2.3 监测结果分析
• 6.3 经济效益比较
• 6.4 本章结论
• 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