近年来,钢管混凝土支架已应用于20余处深埋软岩矿井中,取得了良好的经济效果,具有较大工程应用价值。深埋软岩巷道中应用的钢管混凝土支架工作状态中受到巷道围岩的法向荷载作用,巷道中使用的钢管混凝土结构允许发生一定的塑性变形。与地面工程中的钢管混凝土结构相比,在受载方式和工作状态方面有较大差异。因此,深入研究钢管混凝土圆弧拱在法向均布荷载作用下的工作机理是很有必要的。本论文实验测试了30根不同壁厚直径127mm钢管混凝土短柱力学性能、11根钢管混凝土圆弧拱6点法向均布荷载作用下的力学性能,结合理论计算和数值分析方法,理论推导了钢管混凝土圆弧拱极限承载力计算方法,分析了钢管混凝土短柱和钢管混凝土圆弧拱的工作机理,并根据研究成果提出了深埋巷道基于钢管混凝土支架的支护设计方法。主要结论如下：1、钢管混凝土短柱轴向压缩工作机理通过30根钢管混凝土短柱轴向压缩实验,结合理论分析主要得出如下结论：(1)钢管混凝土短柱极限承载能力根据钢管混凝土短柱极限承载力实测值,回归分析结果表明,直径127mm钢管混凝土短柱极限承载力Nu与钢管壁厚t呈线性关系：Nu=222t+615.28(kN)。随着钢管混凝土短柱壁厚的增大,塑性阶段变形特征由塑性软化向塑性强化转变。运用极限平衡理论,推导了考虑钢材最小主应力的钢管混凝土短柱极限承载能力计算公式。理论计算结果与实测值较为接近。(2)根据钢管混凝土短柱轴向压缩过程中,钢管轴向应变和环向应变的发展过程,分析了钢管混凝土短柱轴压状态下的工作机理。分析结果认为：钢管混凝土短柱宏观上达到弹性极限前,钢管混凝土试件体积变形由压缩向膨胀转变。在弹性阶段,压力机对试件所做功转化为试件的变形能,试件达到弹性极限状态后,试件内部发生破裂,体积膨胀,试件内变形能得到释放。2、不同钢材线密度钢管混凝土圆弧拱法向均布荷载作用下工作机理为研究壁厚影响,实验测试了直径为140mmm壁厚分别为5mm、6mm、7mm和10mm的钢管混凝土圆弧拱在法向均布荷载作用下的压弯力学性能。为研究钢管管径影响,实验测试了壁厚为6mm直径分别为127mm、140mm、152mm和168mm的钢管混凝土圆弧拱在法向均布荷载作用下的压弯力学性能。结合理论分析和数值分析方法主要得到如下结论：(1)钢管混凝土圆弧拱核心混凝土轴向应变监测为研究钢管混凝土圆弧拱在均布法向荷载作用下的工作机理,设计了钢管混凝土圆弧拱核心混凝土轴向应变监测装置与核心混凝土轴向应变监测方案,实现了管径127mm-168mm钢管混凝土圆弧拱跨中位置核心混凝土轴向应变监测。(2)钢管混凝土圆弧拱弹性极限承载力计算运用结构力学计算方法,理论推导了弹性状态下法向均布荷载作用下钢管混凝土圆弧拱内力公式,可求解弹性状态下,钢管混凝土内部轴力与弯矩情况。理论推导结果表明：两端固支的钢管混凝土圆弧拱在均布法向荷载作用下,拱脚处屈服早于圆弧拱跨中屈服,与实验结果相符。结合压弯复合作用下钢管混凝土圆弧拱极限承载力估算方法和钢管混凝土圆弧拱内力计算方法,求解了钢管混凝土圆弧拱跨中钢管混弹性极限状态的作动器荷载。求解结果与钢管混凝土圆弧拱各级荷载作用下跨中位置钢管轴向应变分布情况的变化情况相符。(3)对比了截面含钢率较低试件实测极限承载力和不计弯矩条件下极限承载力估算值,二者较为接近。理论分析认为,钢管混凝土圆弧拱试件变形塑性阶段,抗弯刚度发生衰减,圆弧拱轴向小变形引起的附加力衰减。圆弧拱内弯矩的减小使钢管混凝土圆弧拱极限承载力更接近于钢管混凝土轴向压缩极限承载力。试件截面含钢率越高,抗弯刚度衰减越不明显。因此,随着试件截面含钢率的提高,试件极限承载力实测值与不计弯矩条件下钢管混凝土圆弧拱极限承载力估算值差距增大(4)试件压弯过程中钢管与核心混凝土应变分布规律法向均布荷载作用下各级荷载钢管混凝土圆弧拱跨中位置钢管和混凝土轴向应变分布实测结果表明：①钢管弹性阶段,钢管轴向应变值大于混凝土应变检测值。②钢管塑性阶段,钢管轴向应变与混凝土轴向应变差值进一步扩大。③圆弧拱试件变形之初,钢管与混凝土之间即发生了相对移动。④各级荷载作用下,混凝土轴向应变和钢管轴向应变分布规律及发展趋势相近。⑤加载方式和荷载传递方式的差异是导致钢管混凝土圆弧拱工作机理与钢管混凝土短柱轴向压缩工作机理差异的根本原因。(5)钢管混凝土圆弧拱压弯性能数值分析钢管混凝土圆弧拱数值分析结果如下：①钢管混凝土跨中轴力与拱脚轴力基本相同,钢管混凝土圆弧拱弹性变形阶段,跨中位置弯矩明显小于拱脚位置弯矩。②钢管混凝土圆弧拱轴力随荷载呈线性增长,弹性变形阶段拱内弯矩随荷载呈线性增长,塑性变形阶段,拱内弯矩发生衰减。③支架内力发展过程与理论分析结果相吻合。钢管混凝土极限承载力实测值、模拟值和理论计算值基本相同。3、不同直径圆钢强化钢管混凝土圆弧拱压弯性能实验测试了强化圆钢直径分别为：8mm、16mm、24mm和32mm的Φ140×6mm钢管混凝土圆弧拱试件在法向均布荷载作用下的压弯力学性能,结合理论分析和数值分析主要得到如下结论：(1)采用用钢管混凝土与强化圆钢弹性极限承载力分算累加的方法,估算了强化圆钢8mm、16mm、24mm、32mm钢管混凝土圆弧拱跨中位置钢管弹性极限承载能力和圆弧拱极限承载力,理论计算值与实测结果吻合良好。(2)分析了法向均布荷载作用下各级荷载钢管混凝土圆弧拱跨中位置钢管和混凝土轴向应变分布情况,实测结果表明：①试件弹性阶段,强化圆钢直径为8mm试件和未强化试件,钢管与混凝土轴向应变差值持续增加,强化圆钢直径为16mmm和32mm试件,钢管与混凝土轴向应变几乎相同。②钢管塑性阶段,强化圆钢直径为32mm试件的钢管轴向应变与混凝土轴向应变几乎相同。其他试件,钢管轴向应变高于混凝土应变。③强化圆钢为8mm试件核心混凝土轴向应变分布与钢管轴向应变分布几乎同时发生调整,强化圆钢直径为16mm试件和强化圆钢直径为32mm试件,核心混凝土应变分布调整晚于钢管应变分布调整。4、深埋巷道钢管混凝土支架设计方法探讨了深埋动压巷道围岩变形机制与控制方法。结合实验成果和理论计算提出钢管混凝土结构设计方法,并与工程实践应用效果相互印证。主要得到如下结论：(1)巷道开挖后,弹塑性变形几乎是不监测的,所监测到的巷道围岩变形为与时间有关的流变变形。控制巷道围岩流变变形的主要手段有：①提高支护体支护反力,提高巷道围岩稳定性。②改善巷道围岩物理力学性质。③适度让压,使巷道支承压力峰值向巷道围岩内部转移。(2)工作面动压对深埋巷道围岩稳定性的影响,作用于围岩上一定量级的持续性的扰动作用。根据岩石流变扰动效应实验成果,认为具有一定可缩性的高强度的支护体对深埋动压巷道具有更强的适应性。(3)合理工作状态下钢管混凝土支架内力以轴力为主,弯矩较小。为使钢管混凝土支架具有一定变形范围内承载力不下降的特征,支架选型时钢管径厚比不宜过小。理论分析了支架内力以轴力为主的各段等强的钢管混凝土支架形状,当巷道净宽、净高和围岩压力侧向系数一定时,顶弧段圆弧矢跨比为：两帮段圆弧拱矢跨比为：采用工程实践和FLAC数值分析相结合的研究方法,验证了深埋动压巷道钢管混凝土支架设计方法。分析结果表明邢东矿二水平皮带下山所采用的基于钢管混凝土支架的支护方案兼具如下特点：①支护强度高,承载能力富余量较大。②支架内以轴力为主,弯矩较小。③支架产生一定轴向压缩变形承载能力不下降。适用于深埋动压巷道支护。