采空区输电线路恒阻大变形锚杆基础稳定性研究.pdf

硕士学位论文 采空区输电线路恒阻大变形锚杆 基础稳定性研究 Study on the Stability of Transmission Line Foundation with Constant-Resistance Large Deation Anchor in Mined-out Area 作者郑培波 导师夏军武 教授 中国矿业大学 二〇一四年五月 万方数据 中图分类号 TU476 学校代码 10290 UDC 624 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 采空区输电线路恒阻大变形锚杆 基础稳定性研究 Study on the Stability of Transmission Line Foundation with Constant-Resistance Large Deation Anchor in Mined-out Area 作 者 郑培波 导 师 夏军武 申请学位 工学硕士 培养单位 力建学院 学科专业 结构工程 研究方向 采空区、钢结构 答辩委员会主席 曹平周 评 阅 人 孟少平、尹世平 二○一四年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 115 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 Declaration of Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文采空区输电线路恒阻大变形锚杆基础 稳定性研究 ， 是本人在导师指导下， 在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究 工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 郑培波 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 行文至此，意味着三年的研究生学习生活已经进入尾声。回顾本科和研究生 在中国矿业大学的七年求学生涯，我总是感慨似水流年如梦，时光荏苒，岁月如 梭。如今离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩 之情油然而生。 在这里，首先要感谢我尊敬的导师夏军武教授本文是在导师夏军武教授 的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习生活中，恩师努力为我提供良好的学 术研究平台和学习交流氛围， 每一次的课题组研讨会与恩师的交流总是让我收获 颇丰，使我不断提高和成长；对论文的选题、试验方案的设计、有限元的模拟、 论文的写作恩师都倾注了大量精力，没有恩师的指导和支持，就不可能顺利完成 本文；恩师严谨勤奋的治学态度、孜孜不倦的进取精神、高屋建瓴的科研能力对 我的学习、工作和生活产生了潜移默化的影响，这些宝贵财富将使我受益终生。 值此论文完成之际，向导师夏军武教授表示最衷心的感谢和最诚挚的祝福 在本课题的研究过程中， 得到了中国矿业大学力学与建筑工程学院结构实验 室多位老师的帮助。感谢范力老师、李果老师、龙帮云老师、李贤老师，在我选 题时给予的宝贵意见；感谢实验室杨裕忠老师、朱师傅等在我试验过程中给予的 帮助。 本论文的顺利完成，还有许多我想要感谢的人。感谢课题组赵慧明副教授、 常虹老师、常鸿飞老师、张风杰老师、段晓牧博士、窦国涛博士、孔伟师兄，在 试验设计和数值模拟分析中的无私帮助；感谢同门袁浩文、唐晓祥、叶灏桁、王 秋分，在课题组学术交流研讨中对本论文提出的建议；特别感谢师弟曹极昌、张 志雄、杨风州、徐兴兴、师妹刘丹丹，在本人试验过程中积极参与，放弃暑假休 息时间帮助我完成试验。在此，也对课题组中一起工作和学习的同门师兄师姐师 弟师妹们一并表示衷心的谢意。 感谢好友高修海、 高宇剑、 姜亚飞等， 在我学习和生活中给予的帮助和支持。 焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。感谢父母、姐姐在我求学路上 的鼓励和支持，正是你们的默默付出才使我能够一路走到现在，你们不求回报的 辛勤耕耘，奠定了我成功的基础，我将铭记于心 最后感谢各位专家、教授，在百忙之中抽出宝贵时间对我的论文进行评审 万方数据 I 摘要摘要 近年来，针对煤矿采空区的输电线路勘测设计技术取得了一定的发展，在 输电线路勘测设计、施工、运行等方面均积累了一定的经验。但是目前我国尚 无具体规范对采空区输电线路设计提供指导，尽管已有多种针对输电塔基和铁 塔的防护纠偏措施得到了实施，但是它们的适用条件和取得的效果参差不齐， 并不能完全达到理想的要求。 本文从煤矿采空区输电线路塔基的破坏机理分析出发，通过研究恒阻大变 形锚杆的性能和恒阻大变形锚杆基础的结构组成，提出了煤矿采空区输电线路 岩石地基大变形锚杆基础的形式，并通过理论分析、物理试验和数值模拟等方 法，进一步验证恒阻大变形锚杆基础的工作机理。 首先，研究了恒阻大变形锚杆基础的结构和组成，提出了一种能适应煤矿 采空区典型高压输电直线塔的锚杆基础结构形式恒阻大变形锚杆支撑复合 大板基础，并验证了锚杆受到的压力与随后拉开力的关系。在不同地基下沉状 态下按照是否设置锚杆的情况，采用基础底面边缘的压应力分布为三角形的形 式，根据力和弯矩平衡方程，对一边下沉和一角下沉状态下的锚杆基础进行受 力分析，得出了锚杆设计恒阻值、地基塌陷面积比、锚杆支撑力等参数的理论 计算公式。 其次，针对支撑复合大板的恒阻大变形锚杆基础进行了物理模型试验，通 过模拟“不同的地基塌陷面积” ，对模型基础施加不同工况下的作用力，得到了 模型基础在正常运行、一边下沉和一角下沉状态下的下沉端位移和锚杆支撑力 曲线，并分析了地基塌陷面积比、基础上部施加荷载、锚杆杆体伸出长度等因 素对大板基础下沉端位移和下沉侧锚杆支撑力的影响。通过物理试验研究，分 析了锚杆对于维持基础稳定性所起到的作用。 在正常运行、一边下沉和一角下沉状态下，对基础和锚杆的受力与变形进 行了数值模拟，研究了不同地表变形情况对基础位移和地基反力的影响，分析 了锚杆直径、锚杆长度以及基础刚度等因素对维持锚杆基础稳定性的影响。将 数值模拟结果与理论分析结论和物理试验数据进行对比，分析各种方法研究的 准确性，验证了锚杆基础稳定性研究的有效性。 最后，针对恒阻大变形锚杆基础进行安全性评估，提出了采空区高压输电 直线塔的恒阻大变形锚杆基础的适用条件、应用方式和设计方法，并对恒阻大 变形锚杆基础的进一步研究提出了展望。 关键词关键词采空区；输电线路；恒阻锚杆；基础；稳定性 万方数据 II Abstract Although the research about tower foundation in mined-out area has made certain progress, the applicable conditions and adaptation of deation of various kinds of foundation s are not ideal, and transmission tower foundations are not diversified in mined-out area. In this dissertation, by studying the perance of foundation with large deation anchors, in order to verify the mechanism of foundation with large deation anchors, then determine the feasibility of this foundation in the practical engineering application. In this dissertation, through the research of structure of foundation with large deation anchors, the of foundation with large deation anchors in rock in mined-out area is put forward. Through theoretical analysis, numerical simulation and physical test s, the working mechanism of foundation with large deation anchors is further verified. This dissertation mainly studies the structure of transmission line foundation with constant-resistance anchor, and one structure s are put forward to satisfy uneven settlement of the rock foundation.In this dissertation, the anchor foundation has carried on numerical analysis, study the mechanical characteristics of the transmission line foundation with constant-resistance anchor. By studying deation of anchor foundation, deduced the to determine the force of anchors adopted in the foundation. Through model test, the failure pattern and the influence factors of model foundation are known. Compared the theoretical analysis with the numerical simulation and safety assessment, the suitable conditions, application mode and design of foundation with constant-resistance anchor in mine-out area are raised. Finite element model which is similar to the physical test is established using the ANSYS analysis software. By the simulation about deation and force of anchor, get the displacement and ground reaction force curve in different conditions of foundation deation. By contrast with anchor and none anchor in two situations, anchors can reduce the displacement of foundation settlement and reduce the ground reaction force. In addition, due to prevent the bolt from damage, shear bearing capacity and flexural perance of the anchor should be strengthened. 万方数据 III Finally, this dissertation in view of safety assessment for the foundation with large constant-resistance deation anchors. Puts forward applicable condition, application mode and design of foundation with anchors of high voltage transmission line tower in the mined-out area. And put forward the prospect of further research of the foundation with constant-resistance large deation anchors. Keywords Mined-out Area; Transmission Line; Constant-resistance Anchor; Foundation; Stability 万方数据 IV 目录目录 摘要摘要................................................................................................................................ I 目录目录..............................................................................................................................IV 图清单图清单.......................................................................................................................VIII 表清单表清单........................................................................................................................ XV 变量注释表变量注释表............................................................................................................ XVIII 1 绪论绪论............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景................................................................................................................. 1 1.2 研究意义................................................................................................................. 1 1.3 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.4 存在的问题............................................................................................................. 8 1.5 研究内容与技术路线............................................................................................. 9 2 恒阻大变形锚杆基础的理论分析研究恒阻大变形锚杆基础的理论分析研究 ................................................................. 11 2.1 恒阻大变形锚杆基础的结构组成....................................................................... 11 2.2 锚杆受压后的拉开力........................................................................................... 12 2.3 锚杆支撑大板时的受力分析............................................................................... 15 2.4 本章小结............................................................................................................... 39 3 恒阻大变形锚杆基础的物理试验研究恒阻大变形锚杆基础的物理试验研究 ................................................................. 41 3.1 物理试验目的....................................................................................................... 41 3.2 模拟参数的确定................................................................................................... 42 3.3 模拟试验台的设计............................................................................................... 45 3.4 试验加载过程....................................................................................................... 49 3.5 试验结果分析....................................................................................................... 51 3.6 本章小结............................................................................................................... 61 4 恒阻大变形锚杆基础的数值模拟研究恒阻大变形锚杆基础的数值模拟研究 ................................................................. 63 4.1 有限元模型的建立............................................................................................... 63 4.2 恒阻大变形锚杆基础的有限元分析................................................................... 66 4.3 恒阻大变形锚杆基础稳定性的影响因素........................................................... 79 万方数据 V 4.4 数值模拟与理论分析结果的对比分析............................................................... 86 4.5 数值模拟与物理试验结果的对比分析............................................................... 89 4.6 本章小结............................................................................................................... 94 5 恒阻大变形锚杆基础的应用与设计恒阻大变形锚杆基础的应用与设计 ..................................................................... 96 5.1 适用条件............................................................................................................... 96 5.2 应用方式............................................................................................................... 98 5.3 设计方法............................................................................................................... 99 5.4 本章小结............................................................................................................. 103 6 结论与展望结论与展望............................................................................................................ 105 6.1 主要结论............................................................................................................. 105 6.2 展望..................................................................................................................... 107 参考文献参考文献.................................................................................................................... 109 作者简历作者简历.................................................................................................................... 114 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................... 115 学位论文数据集学位论文数据集........................................................................................................ 116 万方数据 VI Content Abstract........................................................................................................................ II Content ........................................................................................................................VI List of Figures..........................................................................................................VIII List of Tables ............................................................................................................ XV List of Variables ................................................................................................... XVIII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Background .............................................................................................................. 1 1.2 Research Significances ............................................................................................ 1 1.3 Current Research Situation ...................................................................................... 2 1.4 Existent Question ..................................................................................................... 8 1.5 Research Contents and Technology Route .............................................................. 9 2 Theoretical Analysis Study on Foundation with Constant-Resistance Anchor 11 2.1 Composition of Foundation with Constant-Resistance Anchor............................. 11 2.2 Pull Force of Anchor after the Compression ......................................................... 12 2.3 Stress Analysis When Anchor Support the Raft Foundation ................................. 15 2.4 Summary ................................................................................................................ 39 3 Experimental Study on Foundation with Constant-Resistance Anchor ............ 41 3.1 Experimental Objective.......................................................................................... 41 3.2 Simulation Parameters ........................................................................................... 42 3.3 Design of the Simulation Test Bench .................................................................... 45 3.4 Loading Process ..................................................................................................... 49 3.5 Analysis of Test Results......................................................................................... 51 3.6 Summary ................................................................................................................ 61 4 Numerical Analysis Study on Foundation with Constant-Resistance Anchor .. 63 4.1 Establishment of the Finite Element Model........................................................... 63 4.2 Finite Element Analysis of Foundation with Constant-Resistance Anchor........... 66 4.3 Factors Affecting Foundation with Constant-Resistance Anchor ......................... 79 4.4 Comparison between Numerical Simulation and Theoretical Analysis ................ 86 万方数据 VII 4.5 Comparison between Numerical Simulation and Contractible Test Results ......... 89 4.6 Summary ................................................................................................................ 94 5 Application and Design about Foundation with Anchor..................................... 96 5.1 Suitable Conditions ........................................................................................