静力拉伸条件下NPR锚索力学特性实验研究

发布时间：2020-05-16 15:58

【摘要】：矿产资源是我国经济腾飞的主要引擎之一,是我国努力建设成为世界一流强国的重要支柱,它的战略意义不言而喻。因此自建国以来我们国家对矿产资源的利用和开采都呈上升趋势,由于长时间的开采以及国家的工业化和机械化水平不断增强,致使多数浅部矿产资源逐渐枯竭,国家的矿产资源战略由浅部逐步向深部转移。然而进入深部开采后,各种地质条件变的复杂,采矿难度增大,危险因素增加,致使很多工程的安全问题亟需解决。以露天开采为例,它是我国金属矿的主要开采方式,随着开采规模和采场深度的增加,高陡边坡的大变形问题日益凸显,最终导致的边坡失稳和其它潜在危险不断增大,从而对人员和设备造成非常大的威胁。由于边坡变形缓慢不易察觉,且当边坡达到临滑状态时影响其最终发生破坏的原因多种多样,所以仅通过控制影响因素的方式来保证边坡的稳定是远远不够的,而需要在灾害发生之前对边坡和围岩进行最大限度的保护。当前国内外露天矿边坡的防护和监测手段以锚索作为主要承载体,而对于锚索在工程上的广泛应用除了具有成本低、使用方便简单外,还有其较强的力学性能。例如锚索的承载力、变形量等,这些力学参数决定了锚索加固的有效性。边坡高度随着采矿深度的增加而不断增高,岩体的临空面变大,重力势能增加,节理充分发育,加之外在自然因素和人为因素的影响,使得边坡产生大的变形,稳定性大大降低。这些不利因素对锚索提出了更高要求,而对于传统锚索来讲由于材料本身的限制和自身结构上的缺陷,使其不能较好的适应岩体所产生的大变形破坏,最终导致支护失效。鉴于当前传统锚索力学性能的局限性以及所面临工程环境的严峻性,亟待开发具有超常力学性能的支护锚索,并构建新的关于非线性岩体的本构关系,继而形成一整套适用于岩体大变形的锚索支护体系。2011年深部国家重点实验室(北京)何满潮院士团队,研发了一种具有高恒阻、大延伸率、吸能强,且在整体结构上呈现负泊松比效应的恒阻锚索,简称为NPR锚索。自NPR锚索研发以来,已在室内进行了一系列的实验,包括静力学实验和动力学实验,并成功应用于很多露天矿边坡的稳定性监测和控制之中,成果显著。通过总结历年研究成果并结合大量的实验后发现,至今为止有四个方面内容还未探究:第一,NPR锚索变化规律的深入研究。如恒阻器的变形规律、恒阻体在恒阻器中的运动状态、NPR锚索负泊松比规律及吸能特性的研究;第二,建立适合NPR锚索变形状态的弹塑性力学模型。当前对具有特定恒阻力的NPR锚索进行设计时,以经验和二维弹性力学理论作为基础。但实际来讲,NPR锚索的恒阻力是由恒阻器与恒阻体之间的相互作用产生的,在此过程中恒阻器不仅有弹性变形,而且还会发生一定塑性变形,其中塑性变形对恒阻力影响最大。为此建立三维弹塑性力学模型,并验证其准确性,为后续设计具有特定恒阻力的NPR锚索提供一定的理论支持;第三,深度剖析影响NPR锚索恒阻力的几大关键性因素。在NPR锚索变形量一定的情况下,恒阻力是决定其吸能大小的核心因素之一,也是控制和加固岩体的重要力学参数,所以研究影响恒阻力的几大参数对设计不同恒阻力的NPR锚索有非常重要的意义;第四,根据何满潮院士提出的“预测深部地质断层构造活动以及有效控制局部活动断层”的科学构想,急需突破现有NPR锚索的变形长度,提高吸能量级,并设计出合理锚索结构以保证恒阻力的稳定性。针对上述四个方面,本文的研究以NPR锚索的静力学特性为突破点,采用工作原理分析、变形规律探究、弹塑性力学理论推导、结构创新以及几何尺寸的分析、并通过一系列的室内静力学实验和计算结果相对比的方法进行。本文各部分研究内容和主要结论如下:一、系统介绍NPR锚索的支护理念,即将NPR锚索与岩体耦合成为一个系统,利用其高恒阻力来抵抗岩体多余的外力荷载,利用其大变形特点控制岩体的变形程度,利用其吸能特点将岩体中的多余变形能吸收。从而保证NPR锚索在不发生破断失效的情况下,使支护岩体处于稳定状态。进而在分析NPR锚索和岩体的能量平衡方程后,得到“任何工程地质结构的岩体,在与NPR锚索进行耦合支护后,都将具有与NPR支护材料相同的力学特性”这一结论。二、为了分析和研究NPR锚索的静力学特性,何满潮院士研发了HWL-2000恒阻大变形锚索静力拉伸实验系统。本文对NPR锚索静力拉伸实验系统的组成、部件参数以及拉伸速率合理性进行较为详细的描述和分析。通过该实验系统,对NPR锚索进行实验,详细介绍了试件的基本参数、实验准备和实验方法以及实验过程,并对实验结果中出现的现象进行了科学分析。本文以1000mm长(恒阻器)的NPR锚索试件为研究对象,详细描述了NPR锚索在拉伸过程中的恒阻力变化情况、恒阻器的应变规律和膨胀变化规律、伸长量、静/动态负泊松比以及吸能等力学参数的变化情况。从实验结果中发现以下三点:第一,NPR锚索在产生大变形的过程中,恒阻器表面各单元点会发生不同的应变规律,这些规律的形成原因与恒阻体的运动情况相关;第二,通过对恒阻器径向实验前后的测量对比,以及通过自主研发的径向测量设备对NPR锚索径向进行实时测量,有效的验证了NPR锚索的负泊松比效应;第三,通过热红外成像仪和激光测温仪对NPR锚索进行测量,直观的验证了其超强的吸能特点。三、NPR锚索的恒阻力是影响吸能状态的因素之一,所以在设计特定恒阻力的NPR锚索时不能仅靠经验,还需要合理的理论公式与之配合。通过对NPR锚索分析后,其与单纯的拉梅问题和薄壁圆筒问题不同,需将恒阻器近似看成厚壁圆筒问题进行讨论。对NPR锚索建立三维和二维弹塑性力学模型,同时将所有NPR锚索的实际几何参数代入力学模型求解理论恒阻值,并将其与拉伸实验力值进行对比发现,三维弹塑性力学模型较二维弹塑性力学模型所求得的恒阻值更接近现实力值,验证了三维弹塑性力学模型的正确性,可将其作为设计NPR锚索的理论依据。四、通过三维弹塑性力学模型的建立以及实验规律的研究发现,影响NPR锚索恒阻力的几大关键因素分别为:恒阻器材料的强度、恒阻器的几何尺寸(厚度、内外径等)、恒阻体的倾斜面角度、恒阻体的平面长以及摩擦系数等。这些参数的变化对NPR锚索的恒阻力有非常大的影响。为此,通过优化各个参数得到NPR锚索的最大恒阻力值,对设计NPR锚索具有一定参考价值。五、为了认真践行何满潮院士提出的“预测深部地质断层构造活动以及控制局部地质活动断层”的科学构想,课题组对NPR锚索的吸能能力提出了更高的要求。首次对NPR锚索的变形量和恒阻力的稳定进行了突破性实验,由原来1000mm~2000mm拉伸量、495kN~547kN恒阻力为基础,逐级增加变形量为3000mm~4000mm、恒阻力为550kN~723.7kN(最大恒阻力为567.7kN~800kN)两种量级的NPR锚索,使得吸能量级由原来的4.21?10~5~1.09?10~6 J,提升至4000mm变形量的最大吸能量级3.2?10~6J。同时对恒阻体的结构进行设计,使得NPR锚索恒阻力在提升的同时,其力学规律也呈现出与NPR锚杆相同的波动规律,保证了恒阻力的稳定性。综上所述,通过静力拉伸实验验证了NPR锚索具有良好的力学特性并表现出一定的负泊松比效应。将NPR锚索投入到工程实践中去,其优越的力学性能不仅可以吸收岩体内多余的变形能,而且对岩体出现的非线性大变形有较好的控制作用,从而最大程度的维护好岩体的稳定性和完整性,这对矿山安全以及可持续开发有着不可忽视的积极作用,具有显著的社会价值和经济效益。
【图文】：

锚索,集中型,拉力,结构示意图

拉力集中型锚索的工作原理为，在锚索的锚固段中把束体与浆体固结在一起后，通过束体与浆体间接触面上的剪切力提供锚固力，且力值随锚固的深度的增加而减小。按照锚索束体在孔内的固定方式可以分为粘结式锚固锚索和机械固定式锚索，图 1.1 所示。其中粘结式锚固锚索通过混凝土泥浆或砂浆将锚索的锚固段与稳定岩体进行固结，机械固定式锚索通过机械结构将锚索锚固段在岩体上进

压力集中,锚索,结构示意图,拉力

图 1.2 压力集中型锚索结构示意图Fig.1.2 Structure of Pre-stressed Anchor Cable under Concentrated Pressure当对锚索施加预应力时，拉力由锚索直接传至承压板的底部，使 P 型锚形成压力。此时的拉力从内锚段底部向上部逐步传递，图 1.2 所示。由锚索的施工方法是一次注浆，，在减少了工序的同时，可以在未张拉前便
【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】：2018
【分类号】：TD854.6

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