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软岩巷道破裂围岩锚固体承载特性及工程应用研究

【摘要】:破裂围岩锚固结构的形成条件及其承载能力对于高应力巷道围岩稳定性控制问题具有至关重要的意义。本文紧紧围绕巷道破裂围岩与锚杆支护相互作用机理这一关键科学问题,综合采用物理模型试验、数值计算、理论分析与工程应用验证等方法开展了系统研究。主要获得了以下成果和结论: (1)研制与完善了“大比尺三维锚固体力学模型试验台”,可以实现对破裂岩体预制以及锚固体受压破坏过程中力学边界条件的模拟与控制;配制了符合破裂岩体力学特性、满足大相似比要求、破坏后仍具有完整性便于裂纹观测以及碎块统计的岩性相似材料。 (2)通过模拟实际巷道开挖和返修过程中围岩应力路径预制了破裂岩体。在此基础上,进行不同围岩初始破裂程度、不同锚杆预紧力、不同锚杆密度条件下大比尺、三轴应力条件下破裂围岩锚固体模型试验,得到了破裂围岩锚固体强度随锚固条件的变化规律。探讨了不同锚固条件对破裂围岩锚固体变形破裂特征、分形特征、能耗特征的影响规律,为后续研究组合拱(梁)承载性能奠定了基础。 (3)利用数值反演的方法,确定了破裂围岩锚固体强度参数随应变的演化规律,并将之嵌入FLAC~(3D)计算模型中,获得了巷道破裂围岩组合拱承载能力及其对围岩应力场演化规律的影响。对数值计算得到的不同锚固条件下组合拱承载能力、组合拱内外应力分布以及峰值迁移规律进行了分析,获得了锚固条件及组合拱厚度对组合拱承载能力以及外部围岩稳定性的影响规律。 (4)建立了巷道围岩锚固支护结构理论分析模型,获得了一定厚度组合拱(梁)发生结构失稳或强度破坏时极限承载能力表达式。通过对锚固体物理模型试验中锚杆托盘附近岩体破裂形态以及锚固体内部应力分布情况的研究,获得了锚杆控制区范围形态及演化规律,在此基础上推导得到了组合拱(梁)存在需满足的基本条件以及失效形式判据,为破裂围岩巷道组合拱(梁)稳定性控制提供了理论基础。 (5)最后,在以上研究的基础上,通过典型的大断面破裂软岩巷道治理工程案例验证了论文结论的合理性和实用性。

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