高强纤维混凝土井壁力学性能的研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 刘少峰 指导教师 刘希亮教授、秦本东副教授 学位类别 工学硕士 专业名称 结构工程 研究方向 地下工程结构选型与设计 河南理工大学河南理工大学土木土木工程学院工程学院 二○二○一三年一三年六六月月 高强纤维混凝土井壁力学性能的研究高强纤维混凝土井壁力学性能的研究 Study on the mechanical properties of high Study on the mechanical properties of high strength fiber reinforced concrete shaft strength fiber reinforced concrete shaft lininglining 中图分类号中图分类号TD265.32 TU528.572 密密 级级公开公开 UDC624 单位代码单位代码10460 高强纤维混凝土井壁力学性能的研究高强纤维混凝土井壁力学性能的研究 Study on the mechanical properties of high strength fiber reinforced concrete shaft lining 申请人姓名申请人姓名 刘少峰刘少峰 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 结构工程结构工程 研 究 方 向研 究 方 向 地下工程结构的选型地下工程结构的选型 与设计与设计 导师导师 刘希亮刘希亮 职称职称 教授教授 博导博导 秦本东秦本东 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2013 年年 4 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2013 年年 6 月月 河南理工大学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文 高强纤维混凝土井壁力学性能的 研究 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 ，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 致致 谢谢 三年时光虽然不长，但研究生阶段的日日夜夜，已经是自己人生道路上既珍 贵又值得回忆的一段路程。三年里，无论是在学习中还是生活中，我时刻告诫自 己要以奋发向上的学习精神与刻苦钻研的学术道德来约束自己，认认真真做事， 乐观向上生活。三年后，自己的专业基础知识与学术科研水平都得到长足进步， 人文修养也得到极大提高，这必将是今后学习与工作中最宝贵的精神财富。在即 将毕业的时刻，心中充满不舍，惟有继续努力，把所学知识与技能带出校门，投 入社会实际运用中，才能不枉这三年以来的辛苦付出。 首先，我深深感谢我的指导老师刘希亮教授。刘老师学术渊博、学风严谨， 在学习科研中给予了无微不至的指导与帮助。无论是本文的选题、试验方案、开 题报告、毕业论文和毕业答辩，还是日常生活中人文素质的修养，刘老师在百忙 之中都抽出时间亲自辅导，为此付出了辛劳的汗水，使我在学术科研中受益匪浅。 他严谨的学术思想和工作作风，将是我走入工作岗位后的重要学习楷模，利用这 次机会，在此向刘老师表示深切的感谢和深深的祝福，祝愿刘老师身体健康、心 想事成 其次，我要感谢我的副导秦本东老师。秦老师在我的学习与试验中都悉心指 导，无论遇到什么样的困难，秦老师都给予最大鼓励，并一起探讨与解决科研中 所遇到的问题，给出正确的解决方法。秦老师如慈母般教导，才能让我度过一个 又一个难关。在秦老师的帮助下，给予本文给出很多修改建议与指导，让论文水 平与内容得到更大提高。为此，表示诚挚的感谢。 同时还要感谢深部巷道研究所的王光勇老师、任连伟老师、郭佳奇老师、马 东方老师，他们给予了很大帮助与教导，时刻激励我要追逐自己的梦想，遇到挫 折要坚忍不拔，同时他们严谨创新的学分也深深影响我。也要感谢我的师兄弟侯 俊友、刘洪玉、刘俊超、王丽君、王龙、黄鑫、杨海涛、侯远，他们在这几年里 一直给予很大帮助，尤其是在各种条件艰难的试验中，都认真对待，让我战胜了 一个又一个难关，再次感谢他们。 最后感谢参与我的论文评审和答辩的各位专家和老师，正是你们的权威性意 见，给我的论文画上了满意的句号，从而圆满的完成学业。 感谢父母的支持，在今后的道路上，我将更加努力，以严格、求实、创新的 精神要求自己，同时祝愿我的母校河南理工大学百尺竿头更进一步 I 摘摘 要要 随着煤矿开采深度的不断加大，普通混凝土的承载力已经不能满足井壁建设 要求，高强高性能混凝土具备承载能力高、和易性优良等特点，是提高建井速度、 降低工程造价、满足井壁承载力的有效途径之一，在深部煤炭资源开发中已经广 泛采用。 但是高强混凝土具有脆性大的弱点，混凝土破坏表现为无征兆的爆裂式破坏， 同时劈拉试验表明高强混凝土一裂即断，影响井壁结构抗大变形与抗裂性能。本 文研究如何保持井壁强度的同时，减小高强混凝土脆性特征，增大混凝土整体性 与耐久性，同时使混凝土具有一定的延性破坏特征，得到了以下主要成果 （1）通过混凝土立方体抗压试验得出高强混凝土配合比，在此基础上结合混 凝土劈裂抗拉试验，提出本文混杂纤维混凝土配合比为钢纤维掺量 1.2，聚丙烯 纤维掺量 0.1； （2）根据单轴与三轴试验结果，发现混杂纤维混凝土整体性能优越，同时得 出本文所研究混杂混凝土的基本力学参数，补充目前研究不足。 （3）通过井壁模型试验，发现混杂纤维混凝土并没有降低井壁的承载力，普 通高强混凝土井壁破坏呈混凝土大面积剥落状，而混杂纤维混凝土井壁是裂缝贯 穿承载力突降而破坏，井壁混凝土并无大面积剥落，整体性能要好于普通高强混 凝土井壁； （4） 根据数值模拟结果， 混杂纤维混凝土井壁易发生破裂的区域为井壁内侧， 与实际结合较好，同时混杂纤维改善了传统井壁脆性大的特征，具有很强的实际 价值。 关键词关键词深厚表土；井壁结构；高强混凝土；混杂纤维；数值模拟 II III Abstract With the continuous increase of the depth of the coal mining, the bearing capacity of ordinary concrete has been unable to meet the requirements of the shaft, high-strength high perance concrete has the characteristics such as high bearing capacity, good workability, is the effective way to improve the shaft construction speed and reduce the project cost in deep coal resource development. But high-strength concrete has the characteristics of brittleness, concrete failure showed no signs of bursting destruction, while splitting tensile tests showed high strength concrete crack that is broken, affecting shaft structure deation and crack resistance to sustain. This paper studies how to increase shaft strength, reduce brittleness characteristics of high-strength concrete at the same time, increasing the integrity and durability of concrete, while the concrete failure is the ductile characteristics, obtained the following main elements （1）Through cube compressive experiments on high strength concrete, the high- strength concrete mixture ratio are obtained, based on concrete splitting tensile test, proposed the optimal mixing ratio of hybrid fiber reinforced concrete, for the steel fiber content is 1.2, for the polypropylene fiber content is 0.1. （2）According to the results of uniaxial and triaxial test, found that the overall perance is superior, improving the basic mechanical parameters of hybrid fiber concrete, complement the present study. （3）Through the shaft model test and found that the hybrid fiber reinforced concrete did not reduce the carrying capacity of the shaft, the ordinary high-strength concrete shaft destruction was a large area of concrete flaking, the failure characteristic of hybrid fiber reinforced concrete shaft is the bearing capacity dump and destruction with the crack through, and without a large area of the shaft concrete spalling, the overall perance of hybrid fiber concrete shaft is better than the ordinary high-strength concrete shaft. （4）According to the results of the numerical simulation, the hybrid fiber IV reinforced concrete shaft lining prone to rupture area is the inside of shaft, combined with the actual is better, and hybrid fiber improves the traditional shaft brittle characteristics, has a strong practical value. Keywords thick overburden; shaft lining structure; high strength concrete; hybrid fiber; numerical simulation V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................... V 1 引言引言 .............................................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................... 2 1.2 研究的内容与技术路线 ........................................................................................... 5 1.2.1 研究的内容 ................................................................................................................................ 5 1.2.2 研究的技术路线 ........................................................................................................................ 7 2 高强纤维混凝土的配合比及力学性能的试验研究高强纤维混凝土的配合比及力学性能的试验研究 ................................................ 11 2.1 原材料与试验方法 ................................................................................................. 11 2.1.1 原材料 ...................................................................................................................................... 11 2.1.2 试验方法及设备 ...................................................................................................................... 11 2.1.2 试验方案 .................................................................................................................................. 12 2.2 混凝土立方体抗压与劈拉强度试验及分析 ......................................................... 13 2.2.1 试验结果与分析 ...................................................................................................................... 13 2.2.2 破坏特征探讨 .......................................................................................................................... 15 2.3 混凝土圆柱体单轴及三轴抗压强度试验及分析 ................................................. 16 2.3.1 试验方案 .................................................................................................................................. 16 2.3.2 试验结果与分析 ...................................................................................................................... 16 2.4 本章小结 ................................................................................................................. 22 3 高强纤维混凝土高强纤维混凝土井壁井壁模型的制作分析与研究模型的制作分析与研究 ........................................................ 23 3.1 井壁模型制作的原型 ............................................................................................. 23 3.2 井壁模型参数的确定 ............................................................................................. 23 3.3 井壁模型配筋的计算 ............................................................................................. 24 3.4 井壁模型的制作 ..................................................................................................... 25 3.4.1 模板的制作 .............................................................................................................................. 25 3.4.2 钢筋笼应变片的粘贴 .............................................................................................................. 27 3.4.3 模型试件的浇筑 ...................................................................................................................... 27 3.5 本章小结 ................................................................................................................. 28 VI 4 高强纤维混凝土高强纤维混凝土井壁井壁模型的试验研究模型的试验研究 ..................................................................... 31 4.1 试验装置 .................................................................................................................. 31 4.2 试验方案 .................................................................................................................. 32 4.3 试验结果分析 .......................................................................................................... 32 4.4 破坏特征分析 .......................................................................................................... 36 4.4.1 普通高强混凝土井壁破坏特征及分析 .................................................................................. 36 4.4.2 混杂纤维混凝土井壁破坏特征及分析 .................................................................................. 39 4.5 本章小结 .................................................................................................................. 41 5 混杂纤维混凝土混杂纤维混凝土井壁井壁模型的数值模拟研究模型的数值模拟研究 ............................................................. 43 5.1 数值模拟软件简介 .................................................................................................. 43 5.2 数值模拟研究方案 .................................................................................................. 43 5.2.1 工程背景及数值模拟参数确定 .............................................................................................. 43 5.2.2 井壁受力方式及载荷的确定 .................................................................................................. 44 5.3 混凝土本构关系模型 .............................................................................................. 46 5.4 数值模拟研究结果 .................................................................................................. 48 5.4.1 应力云图及分析 ...................................................................................................................... 48 5.4.2 表土层厚度与井壁受力关系研究及分析 .............................................................................. 54 5.5 本章小结 .................................................................................................................. 57 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................. 59 6.1 结论 .......................................................................................................................... 59 6.2 展望 .......................................................................................................................... 60 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 61 作者简历作者简历 ......................................................................................................................... 65 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................. 67 1 引言 1 1 引言 煤炭是我国的主要能源，其中埋深大于 1000m 的煤炭资源量约占 53％，大于 600m 的约占 73％。随着近几十年的大规模开采，浅部资源已走向枯竭。预计未来 20 年，很多煤矿将进入 1000-1500m 的开采深度[1]。随着井壁穿过表土层厚度的增 加，井壁承受外载的能力需要加强，当前高强高性能混凝土井壁的采用已成为提 高井壁承载能力、加快建井速度、降低工程造价的有效技术途径。 高性能混凝土的研究始于 1986 年的挪威；我国“九五” 、 “十五”期间，中国 建筑材料科学研究总院、清华大学、同济大学等单位联合开展了高性能混凝土的 研究，并在土木工程、水利水电工程、矿业工程等进行了应用。在煤炭行业中井 壁混凝土的强度等级不断提高， 20 世纪 80 年代达到 C50， 90 年代初达到 C55， 2002 年河南程村煤矿、2003 年山东济西煤矿达到 C60，2005 年河南赵固一矿达到 C80[2-4]。高强混凝土和普通混凝土井壁的试验研究表明当混凝土强度超过 C60 后，随着凝土强度的提高，脆性明显增强，呈突然破坏特征[5-7]。随着煤矿向深部 开拓，对井壁的耐久性及稳定性提出了更高要求，增加高强混凝土井壁的韧性成 为目前深厚表土内井壁结构研究及设计的热点。 高强混凝土有着严格的生产过程，其原材料一般以硅酸盐水泥为基础[8-9]，通 过添加高效减水剂、碱组分等添加剂，采取蒸压养护手段制作而成。从以上高强 混凝土制备材料中，我们发现很难通过改善其骨料、粗集料或是细集料，来减少 高强混凝土脆性特征。预应力混凝土是通过张拉混凝土中的钢筋（索） ，使钢筋混 凝土结构在承受外荷载之前，受拉区的混凝土预先受到一定压应力。预应力混凝 土很大程度上提高了混凝土抗裂性、稳定性和抗疲劳等性能，主要用于建筑结构、 桥梁工程中，具有工艺复杂、成本较高等缺点，同时需要一直专业性强的施工队 伍来完成，井壁结构受限于地层和施工条件的复杂性，尤其是在冻结井壁，混凝 土浇筑在井壁内完成，更加限制了预应力混凝土在井壁结构中的应用。 大量研究表明钢纤维能增强混凝土的抗裂性、抗渗性以及韧性性能，但具 有自重大、价格高、施工工艺复杂及抗腐蚀能力差等缺点；聚丙烯纤维是一种低 弹性模量的人工合成纤维，具有质量轻、价格低、高延伸率等特点[10-15]。将规格 与长度适宜的上述两种纤维混杂后掺加到混凝土的力学试验研究发现聚丙烯纤 维能减缓初始裂缝的发展，钢纤维能制约后期裂缝的贯通，两者起到互补作用； 河南理工大学硕士学位论文 2 混杂纤维比单一纤维的性价比更显著[16-17]；虽然两者复合效果较好，但受制于纤 维掺量、纤维类型以及混凝土离散性大等特点，仍然需要进行深入的研究。 纤维生产工艺不同，其纤维混凝土力学性能也会有所差异，如果选取不当， 可能无法达到预期的增强、增韧等效果。随着煤矿开采深度增大，井壁厚度也在 不断提高，钢纤维混凝土具有造价高的特点，给井壁工程节约成本工作带来了不 小压力，而且，相关研究发现[18]，当钢纤维参量超过 2时，不仅其坍落度降低， 混凝土和易性受到制约，影响施工质量。 目前纤维混凝土井壁的发展还处在探索阶段，与传统井壁破坏特征相比较， 纤维混凝土井壁破坏阶段和破坏特征还不明朗。通过制作纤维混凝土井壁，对其 进行力学性能研究，并且得出相关数据。例如纤维混凝土弹性模量、泊松比，以 及井壁加载的应力-应变曲线、荷载-挠度等曲线，可以更加详细的了解纤维高强混 凝土井壁力学方面的性能，相关研究还可以运用到现场实际，解决部分井壁力学 难题。 随着土木工程技术与应用的不断发展，对混凝土材料提出了更加严格的要求， 这就需要我们去改善钢纤维混凝土，发挥其优点，克服其缺陷，使纤维混凝土在 井壁工程中的应用更加广泛。 1.1 问题的提出 随着浅部煤炭资源枯竭，煤炭开采正在往深部发展，新井建设时穿过的表土 冲积层将越来越厚，尤其是深部条件下“三高”问题的影响，对新井建设提出了 更高的要求。在井壁受力问题上，不管是由第一阶段的松散体挡土墙理论，到第 二阶段的弹塑性理论在井壁设计中的应用，再到第三阶段前苏联科学家对冻土力 学的研究，每一步都是人类探索未知领域的进步，也是土木工程学科的重大飞跃， 为地下工程的研究奠定了坚实的基础和开辟了新的思路。尤其是上世纪八十年代， 中国矿业大学和大屯煤电公司合作，以相似理论为基础，通过试验研究[19]，首次 发现疏排水时水补给不足的特定条件下，由于采矿活动或人为疏排水使含水层水 位下降而固结压缩，造成地层下沉，而在下沉过程中，地层对井壁外壁施加一个 竖直附加力，这个附加力就是导致井壁破裂的主要原因。竖直附加力的发现，为 井壁破坏机理的研究奠定了基础，是地下工程特别是井巷工程中的又一次重大飞 跃。 1 引言 3 安徽理工大学姚直书等[20]，通过模型试验，对钢纤维混凝土井壁结构的应力 特性和强度特征进行了深入研究。结果表明高强钢筋混凝土井壁具有很高的承 载力，且增大钢筋含量对井壁承载力影响很小，但提高混凝土的强度等级可显著 地提高井壁的承载力，并根据理论分析和试验结果推导出了这种井壁承载力的计 算公式，从而为该种高强井壁结构的工程应用提供了设计依据。但是混凝土材料 具有离散性大等缺点，不同原材料可能得出不同的试验结果，试验过程应紧扣工 程背景，紧密结合工程实际，尽量采用与实际工程所一致的原材料。 虽然采用高强混凝土井壁，解决了普通混凝土在深厚表土层中井壁厚度过大 的问题，但是只考虑了井壁的强度特征，其塑性变形特征并没有说明清楚。尤其 是面对混凝土强度越高其脆性越大这一棘手问题，其推导出的井壁承载力计算公 式，可以作为本文井壁设计的一个依据，也是检验其设计合理性的一个方法，具 有一定的实际指导意义。 中国矿业大学吕恒林等[21]在单层钢筋混凝土井壁研究方面进行了大量工作， 建立了井壁结构破裂的弹塑性理论，并利用数值模拟软件进行了井壁结构的弹塑 性数值模拟计算，得到了三向受力作用下（水平低压、自重应力、竖直附加力） 井壁结构内部的应力、应变的动态变化过程。分析了井壁破裂的内外因素以及之 间的关联性，并且指出了钢筋混凝土单层井壁破裂的力学机理，为今后的井壁设 计提供了理论基础。在文献中，作者总结的井壁破裂过程的三个阶段与其各个阶 段破裂的特征，为今后的科研工作起到了很好的参考与指导作用。 中国矿业大学杨维好[22-24]通过大量的试验研究，总结了影响竖直附加力的几 点因素①疏排水地层的埋深与疏排水层的厚度影响附加力的大小；②井壁周围 土层的性质，例如弹性模量、泊松比、粘结系数等；③井壁的内外半径、泊松比、 弹性模量等；④疏排水时间、温度等。由于竖直附加力是井壁破坏的一个主要原 因，因此，本文接下来进行井壁模拟试验时，就必须考虑文献中所总结出的那些 影响因素，因地制宜和万事俱备才能更好的做出模型，使误差尽量减少。 中国矿业大学李小琴[25]在前人基础上重新建立了土与井壁相互作用的理想弹