论文部分内容阅读
锚杆支护技术已经广泛应用于矿山、边坡、隧道等工程领域,并取得的巨大的经济和社会效益,但在工程设计时常根据极限平衡原理设计锚固参数,忽略了锚固力波动对锚固体疲劳损伤的影响。煤矿巷道的实际工况中,受工作面回采、巷道掘进、爆破等工程扰动,巷道中锚杆锚固力不断波动变化,锚固力波动变化会引起锚杆锚固体的疲劳损伤,锚杆锚固体的疲劳损伤程度关系到巷道围岩的承载能力和稳定性,有必要对锚杆锚固力波动与锚固体的疲劳损伤进行关联分析,为解决复杂工况下由锚固体疲劳损伤造成的锚固体失效问题奠定基础。本文以锚杆锚固体为研究对象,将锚杆锚固力波动简化为恒幅疲劳荷载,综合利用预应力锚杆锚固体的疲劳损伤行为实验、砂岩锚固体的疲劳损伤行为实验、解析法、有限元法、有限差分法、锚杆的现场拉拔测试、工业性试验等方法,揭示了锚杆锚固体疲劳损伤效应,识别了锚杆锚固体疲劳损伤特征,判别了锚杆锚固体疲劳损伤模式,推导了锚固界面疲劳失效速率的解析方程,提出了锚固界面疲劳刚度退化的本构方程,构建了有限元疲劳损伤分析模型,阐述了锚固缺陷对锚固界面疲劳损伤的影响规律,提出了锚固体抗疲劳的改良方法,发现了锚杆锚固力波动的机理,总结了锚杆抗疲劳支护原理并进行了工程实践验证。主要研究工作如下:（1）通过预应力锚杆锚固体的疲劳损伤行为实验,分析了加载幅值、频率与预紧力对锚固体的疲劳损伤效应,相同幅值的循环荷载加载时,声发射参数的累积振铃计数与加载时间符合对数函数的曲线形式,其拟合公式为y=Aln（n/f）+B,加载频率加速了锚固体损伤过程,降低了锚固体损伤程度;预紧力越大,锚固体抵抗循环荷载的能力越强;结合声发射参数中的振铃计数定义了循环荷载的损伤参数Dd,定量分析了循环荷载对锚固体的损伤程度;推断了循环荷载作用后锚固体试件的损伤演化过程,提出了循环荷载作用后预应力锚固体具有较高稳定性的机理。（2）通过砂岩锚固体的疲劳损伤行为实验,结合监测到的声发射特征参数,阐述了疲劳荷载拉拔条件下砂岩锚固体的损伤演化过程,分为弹性变形、稳定发展和断裂失效三个阶段;揭示了砂岩锚固体疲劳损伤演化规律;引入RA-AF关联分析法,识别了锚固体试件在不同阶段的疲劳损伤特征;采用聚类法对锚固体试件在疲劳拉拔过程中声发射特征参数进行聚类分析,判别出砂岩锚固体的疲劳损伤模式。（3）基于双剪切滞模型,提出了锚固界面疲劳失效速率的解析方程,锚固界面疲劳失效可以分为疲劳初期、前期和后期三个阶段,疲劳初期界面失效长度很小,疲劳前期界面失效速率在最大值0.0326mm/次后逐渐降低,此阶段界面失效速率减小幅度大于0.00001mm/次,疲劳后期,界面的疲劳失效速率低于0.0007553mm/次,界面失效速率减小幅度小于0.00001mm/次,疲劳前期和后期的界面失效速率呈现减小趋势,但界面失效长度持续增大;讨论了解析方程中各材料参数对锚固界面的疲劳失效的影响,（4）借鉴纤维领域关于界面疲劳问题的理论模型,提出了锚固界面疲劳刚度退化的本构方程,通过UMAT子程序二次开发将该本构方程嵌入ABAQUS,建立了有限元疲劳损伤分析模型,提出了基于Tresca屈服准则与锚固界面疲劳刚度退化本构方程的数值分析方法,并通过锚杆单调荷载、循环荷载拉拔实验,确定了有限元数值模型中的关键参数:锚固界面疲劳刚度退化模型中的实验参数及有限元模型中锚固界面单元的剪切强度;分析了锚固体尺寸和材料参数对锚固界面疲劳损伤的影响;通过理论计算验证了有限元数值分析法的正确性。（5）采用基于Tresca屈服准则与锚固界面疲劳刚度退化本构方程的有限元数值分析法阐述了含锚固缺陷锚固体的界面疲劳损伤过程,可以分为疲劳初期、疲劳前期和疲劳后期三个阶段,结合疲劳荷载加载过程不同缺陷长度、位置和分布模式的界面在疲劳初期、前期和后期的锚杆轴向应力与界面剪应力的变化,分析了锚固缺陷长度、位置及分布模式对锚固界面疲劳损伤的影响规律;设计了增大锚杆锚固密实度及锚固力的装置,提出了锚固体抗疲劳的改良方法。（6）依托采动条件下友众煤矿30104工作面的轨道顺槽的工程实践,采用有限差分法分析了简谐应力波条件锚固体质点的动载响应,揭示了锚杆锚固力波动机理为:动载扰动下锚固范围表面与浅部质点的位移差为dp1-2,表面与深部质点的位移差为dp1-3,d（dp1-2）-（dp1-3）为dp1-2与dp1-3的差值,变化的d（dp1-2）-（dp1-3）作用于锚杆导致锚杆锚固力波动,与围岩的整体大变形无关;探讨了不同支护参数条件锚杆锚固力的动载响应规律;总结了巷道锚杆抗疲劳支护原理,根据锚杆抗疲劳支护原理设计了30104工作面轨道顺槽顶板锚杆抗疲劳支护方案,矿压监测结果验证了支护方案在控制锚杆锚固力波动方面的优越性,说明了锚杆抗疲劳支护原理的正确性。