爆破动载下锚固支护结构动态力学响应研究

发布时间：2020-10-22 23:42

　　 在岩土工程领域,地下洞室或巷道的稳定性是安全生产的关键。锚杆支护作为一种经济简便的主动支护形式被广泛地应用到隧道、边坡和矿山等工程领域用于控制围岩的变形和裂隙的发展。在实际支护过程中,锚杆支护结构除了受到各种静载作用外,还往往受到爆破或地震等动载的作用。虽然国内外学者在锚杆受动载作用下的动力响应方面取得了大量的研究成果,但是爆破动载作用下锚杆支护作用理论的研究仍落后于工程应用,这也需要对锚杆在爆破动载下的力学响应特征做进一步地研究以满足支护设计的需要。首先,论文基于弹性波理论,建立了弹性空间体中岩体质点的振动模型,并在此基础上结合结构动力学建立了全长锚固砂浆锚杆受力分析模型,依据金山店铁矿支护条件和爆破振动监测数据,分析了爆破动载下全长锚固锚杆的受力特征。结果表明:锚杆杆体上的轴向应力和剪切应力随时间呈现动态变化,作用范围主要集中在锚杆孔口附近锚固段内;锚杆轴向应力和剪切应力均随爆心距的增加而快速降低;锚杆轴向应力最大值随着围岩弹性模量的增大而减小,但剪切应力的最大值随着围岩弹性模量的增大先逐渐增大而后趋于平缓,随着围岩弹性模量的减小剪切应力在锚杆上的作用范围逐渐增大且最大值逐渐向锚固段深处移动。接着,依据金山店铁矿支护条件,采用FLAC~(3D)数值计算软件分析了爆破动载作用下全长锚固锚杆的受力特征。结果表明:在爆破动载作用下,巷道同断面不同区域处锚杆轴向应力和剪切应力沿杆体分布特征具有较大差异,巷道底角和拱肩处锚杆轴向应力最大值出现在锚杆孔口位置,而两帮和拱顶处锚杆轴向应力最大值位置出现了向锚杆底部的偏移;底角处锚杆杆体上的剪切应力主要集中在孔口附近的锚固段范围内;两帮和拱顶处锚杆杆体上的剪切应力在锚杆锚固段前端升高达到负向峰值后快速降低,在锚固段后段快速升高达到正向峰值后沿锚固方向快速降低;拱肩处锚杆的剪切应力沿杆体长度方向呈现“双峰”分布。最后,根据上述研究成果提出在受爆破动载影响较大的巷道中采用多种支护方法联合作用的支护方式、选取种类适合的炸药种类、选取合适的单次最大起爆药量、控制爆破规模、选用符合支护条件的起爆方式和提高微差爆破延时精度等方式避免巷道破坏。论文研究成果为爆破动载作用下的巷道锚杆支护设计及参数优化提供了理论依据,进一步完善了爆破动载作用下的全长锚固锚杆支护理论。
【学位单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U455.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题依据及研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 爆破动载对地下工程的影响研究现状
        1.2.2 爆破动载对支护结构的影响研究现状
    1.3 研究内容和研究方法
    1.4 研究技术路线
第2章 爆破应力波在岩体中的传播规律
    2.1 爆破应力波的基本概念
    2.2 爆破应力波在岩体中传播的基本力学方程
        2.2.1 爆破应力波传播过程中岩体质点的波动方程
        2.2.2 标量势和矢量势
    2.3 爆破应力波在岩体中传播的基本模型
        2.3.1 平面波模型
        2.3.2 球面波模型
        2.3.3 柱面波模型
    2.4 本章小结
第3章 爆破动载下全长锚固砂浆锚杆力学响应特征分析模型
    3.1 球形药包爆炸时弹性空间体振动模型
    3.2 爆破动载作用下锚杆运动平衡方程
    3.3 初始条件和边界条件的确定
        3.3.1 初始条件
        3.3.2 边界条件
    3.4 运动平衡方程的解析计算
    3.5 本章小结
第4章 全长锚固砂浆锚杆支护结构动载受力分析
    4.1 爆破振动监测
        4.1.1 爆破振动监测方案
        4.1.2 爆破振动监测数据处理
    4.2 爆破动载下全长锚固砂浆锚杆应变特征
    4.3 爆破动载下全长锚固砂浆锚杆力学响应特征分析
    4.4 本章小结
第5章 全长锚固砂浆锚杆动态响应特征数值分析
3D软件数学原理'>    5.1 FLAC^3D软件数学原理
        5.1.1 有限差分软件计算原理
        5.1.2 软件采用的本构关系
        5.1.3 时间导数的有限差分近似
        5.1.4 阻尼力
        5.1.5 桩结构单元
    5.2 模型参数选取
    5.3 建立计算模型
    5.4 爆破动载下巷道力学特征分析
        5.4.1 巷道围岩中爆破应力波的传播规律
        5.4.2 爆破动载下支护巷道的振动速度分析
        5.4.3 爆破动载下支护巷道的变形分析
    5.5 爆破动载下锚杆动力响应特征分析
        5.5.1 锚杆杆体单元节点位移特征
        5.5.2 锚杆杆体轴向应力分布特征
        5.5.3 锚杆杆体剪切应力分布特征
        5.5.4 围岩性质和爆破参数对锚杆受力状态的影响
    5.6 本章小结
第6章 爆破动载作用下巷道支护安全措施
    6.1 全长锚固支护锚杆存在的问题
        6.1.1 锚杆破坏
        6.1.2 巷道变形过大
        6.1.3 巷道喷层的破坏
    6.2 爆破动载对长短锚杆支护的影响
        6.2.1 长短锚杆的支护机理
        6.2.2 支护效果对比分析
    6.3 爆破动载下全长锚固砂浆锚杆支护优化措施
    6.4 本章小结
第7章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
致谢
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间发表的论文及专利

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本文编号：2852240