开采沉陷区输电塔基新型加固锚杆研制及力学特性研究

发布时间：2019-08-16 10:34

【摘要】：本文针对开采沉陷区的输电线路中输电塔基的失稳破坏现象,从适用于煤矿中的可伸长锚杆力学特性入手,进行了适用于开采沉陷区输电塔基的恒阻拉伸抗压锚杆的结构设计、加固力学机理、力学特性、控制对策的研究。对开采沉陷区输电塔基典型的失稳破坏现象及其失稳破坏特征进行了分析研究,根据开采沉陷区对地表变形影响的类型分析,输电塔基出现了不同的失稳破坏现象,表现出如下破坏特征:整体下沉,不均匀沉降,基础开裂、错动,基础滑移,基础倾斜。并对其失稳原因进行了分析归纳,发现尤其对开采沉陷区而言,不均匀沉降对基础的影响尤为显著。以开采沉陷区中常用的大板基础为例,详细分析了不均匀沉降对大板基础的影响,发现对某些开采引起的地表严重不均匀沉降导致的基础随之产生的不均匀沉降而言,传统的刚性调整措施已不能有效抵抗不均匀沉降对基础和杆塔的影响。针对开采沉陷区输电塔基出现的不均匀沉降现象,提出了适用于开采沉陷区输电塔基的恒阻拉伸抗压锚杆的理念,并具体详细描述了恒阻拉伸抗压锚杆的结构组成及其结构特性,锚杆主要结构构件包括螺母、恒阻装置、抗压装置、球状体、连接装置、基础锚固杆,恒阻拉伸抗压锚杆与以往普通锚杆相比,集恒定拉力、大拉伸量、强抗压性、高吸收能量能力的特点于一体,能够提高在开采沉陷区输电杆塔锚杆基础中锚杆在拉、压两方向对基础和杆塔的控制调节能力,有效抵抗地面不均匀沉降,从而保证输电塔基的稳定性,保障开采沉陷区输电线路的安全运行。对恒阻拉伸抗压锚杆在静力拉伸实验、承压实验和承压后拉伸实验中的工作机理和力学机制进行了分析。可知,恒阻拉伸抗压锚杆在静力拉伸实验中经历三个阶段,在第一阶段中恒阻拉伸抗压锚杆所受拉力小于设计恒定拉力值,第二阶段中阻拉伸抗压锚杆保持恒定的拉力值且发生较大的设计伸长量,第三阶段中随着伸长量达到锚杆设计伸长量值,杆体运动至套筒端部即抗压自锁装置部位,随拉力增大,杆体断裂,拉力值降为零,至此恒阻拉伸抗压锚杆静力拉伸实验结束。恒阻拉伸抗压锚杆在承压模拟实验中经历三个阶段,第一个阶段,当恒阻拉伸抗压锚杆所受实验系统施加的拉力为零或拉力极小时,锚杆所受拉力也未能使杆体带动锁片向左运动;第二个阶段,随着锚杆受到的外界模拟压力也增大,自锁装置与杆体之间所产生的合力用来抵抗实验系统拉伸夹持端的拉力,即抵抗锚杆受到的外界模拟压力;第三个阶段,锚杆受到的外界模拟压力达到设定压力值时,停止实验,此时杆体与抗压自锁装置由于相互之间力的作用而固定在一起。在承压后拉伸实验中经历两个阶段,第一个阶段,因抗压自锁装置与杆体之间有相互作用力,当实验系统对锚杆的拉力较小时,拉力值尚未能够把杆体从抗压自锁装置中拉出,此时杆体与抗压自锁装置不会产生相对运动;第二个阶段,随着实验系统拉伸夹持端对锚杆的拉力逐渐增大,当拉力值增大到足以把杆体从抗压自锁装置中拉出时,实验系统拉力值出现最大值,随即变小至0,最大拉力值即为能够拉开承压时对应的拉开力的力值。锚杆在承压与拉伸的反复实验中,锚杆反复经历上述阶段,进而通过实验中对应的数据对锚杆的承压和承压后拉伸力大小的关系对锚杆的性能进行研究。并对恒阻拉伸锚杆在开采沉陷区的大板基础中的控制机理进行了分析,建立了适用于开采沉陷区输电塔基的恒阻拉伸抗压锚杆及基础的能量本构关系。通过对恒阻拉伸抗压锚杆进行单根、多根静力拉伸实验、单根模拟抗压实验、不同直径的锚杆承压实验以及承压后拉伸实验,对数据进行分析处理后得到以下结论:(1)内杆直径22mm的恒阻拉伸抗压锚杆充分说明了恒阻拉伸抗压锚杆的恒阻、大拉伸量特点,平均恒阻值达到了51.87kn,平均伸长量达到了571.33mm,静力拉伸实验中恒阻拉伸抗压锚杆恒阻装置的套筒均有一定的伸长量,在16.33mm左右,且直径都有所增大,连接螺母与抗压装置端变化很小,中间部分变化较两端明显,锚杆拉断后锚杆套筒部分均未破坏,所以直径、长度部分的变化都未对锚杆的拉伸力学性能造成影响;锚杆吸收能量平均为44.29kj,恒阻部分平均吸收能量27.91kj,远大于普通锚杆的吸收能量值,且随着锚杆拉伸量越大,吸收能量能力越强。(2)两根恒阻拉伸抗压锚杆组合充分说明了恒阻拉伸抗压锚杆的高恒阻、大拉伸量特点,两根锚杆组合平均恒阻值达到了102.14kn,平均伸长量达到了566.70mm;静力拉伸实验中恒阻拉伸抗压锚杆恒阻装置的套筒均有一定的伸长量,通过对实验中各锚杆的套筒累计伸长量数据分析,两根锚杆拉伸变形不协调;且直径都有所增大,连接螺母与锁具端变化很小,中间部分变化较两端明显,锚杆拉断后锚杆套筒部分均未破坏,所以直径、长度部分的变化都未对锚杆的强度造成影响;两根锚杆吸收能量平均为54.31kj,远大于普通锚杆的吸收能量水平,且随着锚杆拉伸量越大,吸收能量能力越强。(3)内杆直径22mm的四根恒阻拉伸抗压锚杆组合充分说明了恒阻拉伸抗压锚杆的恒阻、大拉伸量的特点,四根锚杆组合后平均恒阻值达到了203.99kn,平均伸长量达到了553.60mm;静力拉伸实验中恒阻大变形锚杆恒阻装置的套筒均有一定的伸长量,在6.9mm左右,且直径都有所增大,连接螺母与锁具端变化很小,中间部分变化较两端明显,锚杆拉断后锚杆套筒部分均未破坏,所以直径、长度部分的变化都未对锚杆的强度造成影响;四根锚杆组合后吸收能量平均为107.18kj,远大于普通锚杆的吸收能量水平,且随着锚杆拉伸量越大,吸收能量能力越强。(4)对于杆体直径42mm和32mm的恒阻大变形锚杆仍具有恒阻拉伸抗压锚杆的恒阻、大拉伸量的特点,其中杆体直径为42mm的锚杆恒阻值达到了139.34KN,伸长量达到了646mm,杆体直径为32mm的锚杆恒阻值达到了90.25KN,伸长量达到了634mm,恒阻值均大于杆体直径22mm的锚杆(恒阻值平均51.87KN),故随着杆体直径增大,恒阻值也提高;静力拉伸实验中恒阻拉伸抗压锚杆恒阻装置的套筒均有一定的伸长量,但变化很小,在4mm左右,杆体拉出后锚杆套筒部分均未破坏;锚杆在拉伸过程中均有能量的吸收,其中杆体直径为42mm的锚杆吸收能量为80.94KJ,杆体直径为32mm的锚杆吸收能量为54.13KJ,远大于普通锚杆的吸收能量水平,且大于杆体直径为22mm的锚杆,随着杆体直径增大,吸收能量能力越强。(5)承压后拉伸实验中,锚杆伸长后能够通过抗压装置自锁,保持锚杆具有较高的抗压承载能力,直径42mm的锚杆可以提供800KN的抗压力,锚杆的抗压力随锚杆直径的增大而增大;在很小拉力作用下内杆就可以从套筒内拉出,且承压力越小,所需的拉开力也越小;锚杆抗压自锁装置可以经受反复拉压,抗压自锁性能不受影响。通过数值模拟对济三煤矿回采工作面的开挖对于地表输电塔基的影响进行了分析对比,对不同位置的输电塔基进行了对比分析,其沉降量都超过了规范值,所采用的大板基础不能够提供足够的调节能力,运用恒阻拉伸抗压锚杆后,通过恒阻拉伸抗压锚杆的支护后基础沉降量得到了有效控制,验证了在开采沉陷区输电塔基恒阻拉伸抗压控制对策的有效性。通过大量系统的研究工作,本文针对开采沉陷区的输电塔基的失稳破坏现象,揭示了开采沉陷区不均匀沉降下输电塔基的失稳机理,研发了适用于开采沉陷区输电塔基的恒阻拉伸抗压锚杆的结构,揭示了其加固力学机理和能量本构关系,掌握了恒阻拉伸抗压锚杆的静荷载下拉伸、抗压、抗压后拉伸等力学特性,形成了开采沉陷区输电塔基恒阻拉伸抗压控制对策。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU476

【参考文献】