（岩土工程专业论文）新型聚丙烯纤维混凝土喷层力学性能研究及其工程应用.pdf

摘要 摘要 随着煤炭开采向深部发展，地压显现十分明显，围岩变形量大，巷道破坏严 重，对安全生产和经济效益产生较大的消极影响。近年来发展起来的锚喷加固机 理研究表明，造成锚喷支护失效的原因在于锚喷支护的刚度和极限变形量与巷道 围岩不匹配，由于支护刚度过大，不能使围岩充分卸压，所以作用在支护结构上 的压力过大，导致锚喷支护破坏失效。虽然近几年来已成功研制了各种可伸长锚 杆，但锚喷支护中混凝土喷层研究仍未有明显突破。一般巷道中的喷射混凝土， 施工后不久易出现裂缝，甚至逐渐发展到剥落和掉块，丧失了对围岩的封闭和支 护作用，特别是在一批新型可伸长锚杆相继问世以后，这一不匹配问题更加突出。 本论文正是在降低巷道支护成本、提高经济效益又有可观推广前景的前景下， 在锚喷支护结构的基础上，寻找更为合理的支护结构形式，改善喷层结构的力学 性能，同时又不降低支护体系的安全可靠度。根据锚喷支护结构的特点，要求这 种结构既能大幅提高结构本身承受地压的能力，又能有效的防止支护体系发生大 变形时过早破坏。 论文根据纤维混凝土结构的力学原理，探索和研究聚丙烯纤维混凝土喷层在 巷道支护中的力学性能，进行了聚丙烯纤维混凝土室内试验和工业性试验，并利 用大型a n s y s 有限元软件对巷道开挖过程进行了数值模拟。试验表明，聚丙烯纤维 混凝土具有抗拉、抗剪强度高，韧性、抗渗性好等特点，可以有效抑制裂缝的产 生与发展；喷射纤维混凝土回弹量小，纤维混凝土喷层中的应力分布比较均匀， 且应力值较小，具有较好的让压能力和抗变形能力。这体现了聚丙烯纤维混凝土 具有大变形、让压、承载能力高的优点，为巷道支护提供了经济合理、技术先进、 安全可靠的新型支护形式。 图4 8 表2 2 参5 8 关键词： 聚丙烯纤维，聚丙烯纤维混凝土，喷层，巷道支护，数值模拟，工业性试验 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 扛a c t a n c h o rs p r a ys u p p o nc 锄c h a n g ct 王1 cr o c k5 仃c n g t hu l n m a t e l ya n di ta l s oh a st h et e c h n i q u ea n d e c o n o m i cr e s u l t sw h l c hc l a s s i c a le m e 丌l a ls u p p o r tc a nn o ta c q u i r e d s oi t g e t st h ee 砒e n s i v eu s e a n c h o rs p r a yr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i c sr e s e a r c hs h o w s ，t h er e a s o no f8 n c h o rs p r a ys u p p o r 七 i n a c t i v a t i o ni st h a t “i su n m a t c h e do fa n c h o rs p r a ys u p p o n sr i g i d i t ya | 1 dl i m i td e f o 兀n a t i o nw i t h t u n n e la d j a c e mr o c kf o rs u p p o nr i g i d i t yo v e r s i z e d ，c a f in o tm a k et h ea d j a c e n tm c ks u f f i c i c n c y p r e s s u r er e l i e s o ，p r e s s u r ef o r c ew h i c ha c n n go ns u p p o r ts 订u c t u r eo v e r s i z e d ，w h i c hc a u s et h e a n c h o rs p r a ys u p p o nd 枷a g ea n di n a c t i v a t i o n a i t h o u g hi th 酷s u c c e s sd “e l o p m e n td i 丘b r e n t p r o d u c i b i l i t yb o l ti nl 晒tf c wy e a lc o n c r e t es p r a y i n gr e s e a r c hh a v en o t 也eo b v i o u sb r e a i ct h m u g hi n a n c h o rs p r a ys u p p o r t c o n c r e t es p r a y i n g ng e n c r a l t u n n e l ，a rt h ec o n s t r u “i ti se a s i l ya p p e a rs l i t ， e v e ni tg r a d u a l l yd e v e l o p e dt od e s q u a m a t i o n s oi tl o s st h e1 a t c h u pa n ds u p p o na c 矗o nt oa d j a c e n t r o c k ，p a r t i c u l a r l ya 矗e rab a t c hn e ws t y l ep m d u c i b i l i t yb o ha p p e a r e d ，t h i sm i s m a t c hp r o b l e mn l u c h m o r ep r o m i n e n t i n 也i sp a p e li tc o n s i d e r st h a tt u n n e i5 u p p o r tc o s ti sr e d u c e d ，e c o n o m i cb e n e 局t sa r er a i s e da n d i th 丛ag o o de x t e n d i n gp r o s p e c t i nt h eb 鲒i so fa n c h o rs p r a ys u p p o ns t r u c t u 陀，t h ef o mo fm o r e r a t i o n a ls u p p o r ts t r u c n j r ei s s o u g h t ；s p r a y u ps t n l c t u r ei si m p r o v e d ，a tt h cs a m et i m e ，s a f b t y r e l j a l b i l i t yo fs u p p o r ts y s t e mi s n tr e d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fa n c h o rs p r a ys u p p o r t s t r u c t u r e ，t h i ss t r u c t u 托i se i t h e ri m p m v i n gt l i ea b i l 时o fi 拓e l fb e 州n gg r o u n dp 陀s s u r eo r p r e v e m i n ge f f b c t i v e l ys u p p o r ts y s t e mp r e m m r ef 酊l u r ew h c nno c c u r st ob i gd j s t o r t i o n t h i sp 印e ra c c o r d i n gt 0m e c h 蚴i c a lp r n c l p l eo fp o i y p p y l e n e 胁e rc o n c r e t es t r u c t ur e ， s e a r c h e sa n dr e s e a r c h e sm e c h a n i c a lp r i n c _ p l eo fp o l y p r o p y i e n e 舳e rc o n c r e t es p r a y u p a n dt h e i n t e r i o rt e s ta n dt h ei n d u s t r i a lt e s to fp o l y p r o p y l e n e 肋e rc o n c r e t es p r a y - u pa r ed o n e a tt h es a m e 廿m e ，t u m l e le x c a v a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e db ya n s y sf i n i t e e i e m e n ts o r w a r e t e s ti n d i c a t e s p 0 1 y p r o p y l e n c 肋e rc o n c r e i e st e n s i o n ，h i g h l ys h e a r i n ga n dh a sg o o dd u c t i l 畸a n di m p e m c 曲i l l t y s ot h a ti tc a ne 仃e c t i v e i yb a r r a g ec r a c kg e n c r a t i n ga n dd e v e i o p i n g s h o t c r e t eh a sal i t e rr c b o u n d ，s o i nc o n c r e t es p r a y u ps t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r eu n i f o m ，s t 他s sv a l u ei ss m a l la n dc o n c r e t es p r a y _ u p i sb 啡e fy i e l d i n ga n dn o n - d e f o 丌n a b i l i 吼i te m e m a l i z e sp o l y p r o p y l e n e 舶e rc o n c r e c ei sb i g d i s t o i t c d ，y i e l d i n g ，a n db e 撕n gc 印n yk 曲i ts u p p i i e sr e l i a b l es u p p o nf o 皿t h a ti se c o n o r n y r a t i o n a l ，t e c h n o l o 盱p r i o ra n ds 疵t yr e l i a b i et ot l l r m e ls u p p o r t k e y w o r d s ：p 0 1 y p r o p y l e n e 矗b e r ，p o l y p r o p y l e n e 矗b e rc o n c r e t e ，s p r a y - u p ，t u 】m e l s u p p o r t ，n u m e r i c a ls i m u i a t i o n ，i n d u s t r i a lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徵堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：勉签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壹擞堡工盍堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期闯论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵理王 盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 导师签名 签字日期：年月 日 宝留 醚 名 撕 年 者作 ： 文 期 沦 日 安徽理工大学硕士学位论文 1 1 问题提出 1绪论 混凝土的发展迄今已有1 0 0 多年的历史。该材料因具有抗压强度高、耐久性 好、来源广泛、成本低等特点，在土木工程中得到广泛应用。但是混凝土又是一 种多孔性的脆性材料，尤其是抗拉强度远远低于抗压强度，低韧性，对冲击、开 裂、疲劳的抵抗能力差，且由于裂纹的存在使水的渗入成为可能，从而影响到混 凝土抵抗水渗透和抵抗冰冻的能力。混凝性能劣变过程整体模型如图1 所示。3 。 多年来人们从原材料、配合比、外加剂、制造工艺、浇捣方法和养护工艺等方面 加以研究和改进，取得了很大成果，但是这些方法并未从根本上改变混凝土的性 能弱点。 混凝土结构 微裂缝连通 混凝土膨胀 钢筋锈蚀 混凝强度降低 混凝土开裂、剥落、 整体性丧失 结构耐久性丧失、寿命 降低、安全性受到威胁 环境作用( 第一阶段) ( 无可见损伤和裂缝) 温度、荷载作用 环境作用( 第二阶段) ( 损伤的开始嗣l 扩展) 空气、水、酸性离子作用 图l混凝土性能劣变过程整体模型 f i g 1i n t e g e 咖m o d e lo f c o n c r e t en 咖r ed e t e r i o r a t i o np r o c e s s 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了纤维增强水泥基复合材料，钢纤维、玻璃纤维、 台成纤维等纤维材料广泛应用于混凝土中，从多方面来改善混凝土的性能。聚丙 l 绪论 烯纤维具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点，近年来广泛应用于混凝 土中。而将聚丙烯纤维混凝土应用于煤矿巷道支护，如何改善混凝土喷层的支护 性能有必要进行研究。 1 2 国内外研究现状龇1 7 】【2 2 】 3 l j 聚丙烯( p o l y ”。p y l e n e ) 是一种结构规整的结晶型聚合物，呈乳白色、无味、 无毒的热塑性塑料，用它制成的纤维具有下列优点。“：( 1 ) 质轻，密度为0 9 0 o 9 1 2 ：( 2 ) 熔点高，为1 6 5 ；( 3 ) 化学稳定性好，耐酸碱：( 4 ) 表面疏水，不会 被水泥浆浸湿。 目前，聚丙烯短纤维已经作为混凝土的次要加筋材料广泛用于混凝土中，由 于微细，比表面积大，若每立方米混凝土掺入l k g 聚丙烯纤维，可使l c r n 3 混凝土中 分布有近2 0 条纤维丝，故纤维能够在混凝土内部构成一种均匀的三维乱向支撑体 系，从而产生一种有效的二级加强效果。目前在混凝土使用的聚丙烯纤维主要有 拉丝聚丙烯纤维、膜裂聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维。 从目前国内研究水平来看，主要集中于对混凝土聚丙烯纤维增强混凝土的物 理、力学性能的研究。华渊等学者研究表明，与基准混凝土相比，随着纤维体积 率的增加，纤维混凝土的抗压强度变化不多，抗折强度则提高了1 2 3 6 ，韧性也 随之增加，他们提出了聚丙烯纤维混凝土的裂纹发展规律，定性分析了增韧机理： 孙家瑛研究了不同掺量聚丙烯高性能混凝土的抗折强度、脆性和抗冲击性能“； 曹诚、王春阳研究了低掺量聚丙烯纤维在混凝士中的增稠效应、阻裂效应和界面 效应：戴秉国和黄承奎研究了网状聚丙烯纤维混凝土的施工性能，抗压、抗弯性 能，韧性、抗渗性、热老化稳定性及收缩性试验结果。在聚丙烯应用方面，朱江 分析了聚丙烯纤维混凝土的防水机理，并介绍了广州新中国大厦以及广州南方实 业大厦的地下室底版中添加聚丙烯纤维的施工情况：谷章昭、倪梦象等指出尼龙 及聚丙烯纤维具有较好的抗裂性，可提高混凝土的使用功能及耐久性，并已经成 功地在上海8 万人体育场看台、地铁工程及东方明珠电视塔等工程的推广应用；苏 建波、李士思较详细介绍了自1 9 9 6 年开始，杜拉纤维( 即束状单丝聚丙烯纤维) 在 我国的广泛应用，如广州市东环、西环、南环等高速公路的路面，不仅解决了收 费站的无磁性要求问题，而且有效满足了路面的抗裂、抗磨、抗冲击等要求。在 重庆、厦门、武汉等地杜拉纤维用于桥面铺装、软路面等工程。在民用建筑中。 有效解决了高强钢管混凝土柱的施工工艺，提高了高强混凝土的延性和韧性；重 庆世界贸易中心在特大型转换层大梁中，应用杜拉纤维增强混凝土成功解决了高 2 安徽理工大学硕士学位论文 强大体积混凝土施工中的抗裂和提高韧| 生等问题。 从国外研究来看，对聚丙烯纤维混凝土的研究在基本性能的基础上，已有一 定的延伸。s y d n e y f u r l a nj r 等对1 4 根梁傲了抗剪试验，指出与素混凝土相比， 抗剪强度、剐度( 特别是在第一开裂期后) 和韧性都有所提高，同时还研究了箍筋 对纤维混凝土梁的的影响：g d m a n 0 1 i s 等试验了一系列纤维含量不同、支撑条 件不同的聚丙烯纤维混凝土板的抗冲击性能及自振周期，发现纤维引入混凝土板 的抗冲击性能随纤维含量的增加逐渐提高，但对自振周期基本无影晌；k a m a l 等人 对若干聚丙烯纤维梁进行了弯曲疲劳试验。”，得到纤维可以推迟混凝土结构中裂 缝的出现，延长裂缝的发展过程中的间隙时间，这与普通混凝土的突然破坏相比 安全性能大大提高。研究表明，掺入适量的聚丙烯纤维对混凝土具有阻裂、增韧， 增加抗拉、抗弯和抗剪、耐疲劳强度的作用，可以明显改善混凝土的延性和耐久 性，加上其价格低廉，在广泛使用高性能混凝土中具有良好的应用前景。 聚丙烯纤维混凝土具有如此的优越性，但作为喷层应用于煤矿巷道支护，尚 处于起步阶段。随着煤矿开采深度的不断加大，地压显现十分明显，围岩变形量 大，巷道破坏严重，对煤矿安全生产和经济效益有较大的消极影响。目前，锚喷 支护在巷道的支护中已成为主要支护类型，但在松软、破碎和膨胀围岩以及应力 和受采动影响的巷道中，这种支护应用范围依然有限。最近几年发展起来的锚喷 加固机理研究表明，造成锚喷支护失效的原因在于锚喷支护的剐度和极限变形量 与巷道围岩不匹配，由于支护刚度过大，不允许围岩充分卸压，围岩作用在支护 上的挤压力过大，导致锚喷支护破坏失效。虽然近几年来已成功研制了各种可伸 长锚杆，但锚喷支护在巷道中的应用仍未有明显突破。究其原因主要是因为，与 锚杆相比，喷层的刚度和极限变形量与围岩不匹配问题更为严重。普通喷射混凝 土的极限应变量约为2 ，对于周边位移大于2 0 0 m m 的大变形巷道来说，显然是远 远不够的。一般在这类巷道中喷射混凝土，施工后不久就出现裂缝，并逐渐发展 到剥落祁掉块，丧失了对围岩的封闭和支护作用，特别是在一批新型可伸长锚杆 相继问世以后，这一不匹配问题更加突出【”。因此，研究与丌发新型聚丙烯纤维混 凝土喷层，大幅度降低喷层刚度，增加喷层极限变形量，提高喷层残余强度，使 之具有适应大变形的特性，对完善巷道支护理论、促进巷道支护技术的发展具有 重要意义。 1 3 论文研究内容和主要创新点 本论文的研究内容和创新点如下： - 3 - i 绪论 进行聚丙烯纤维混凝土性能室内试验，掌握喷射聚丙烯纤维混凝土与普通喷射 混凝土各性能之间的差异。 对典墅巷道聚丙烯纤维混凝土喷层进行理论分析，从理论上验证单丝聚丙烯纤 维混凝土喷层的合理性和可行性。 利用有限单元a n s y s 软件对纤维混凝土喷层结构进行数值计算，通过数值计 算，可对该喷层性能研究起到补充校核作用，完成瓤型喷层配比及支护设计方案 的优化。 首次将聚丙烯纤维混凝土喷层应用于巷道支护，通过工程实践与现场监测，对 比聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土喷层支护段的力学性能。 一d 一 安徽理工大学硕士学位论文 2 聚丙烯纤维混凝土增强机理 在纤维混凝土中，纤维对基体的作用概括起来主要有三种：阻裂、增强和增 韧“3 。纤维混凝土与普通混凝士相比各种物理力学性能的改善。都和上述三种作用 有关。 阻裂作用，指纤维对新拌混凝土早期性收缩裂缝和硬化后的收缩裂缝产生和 扩展的阻碍作用。纤维对基体的增强作用，主要为对抗拉强度的提高，相应地， 以主拉应力为控制破坏的，如弯拉强度( 又称抗折强度、折断模量 f o d u l eo f r u p t u r e ) 、抗剪强度等也随之提高。当高弹性模量纤维含量较高时，纤维混凝土 的抗压强度也有明显提高。材料韧性通常指材料在各种受力状态下进入塑性阶段 保持一定抗力的变形能力。衡量材料韧性的指标较常用的有弯蓝韧性、断裂能等。 弯曲韧性采用标准试验梁在三分点荷载作用下，荷载一挠度曲线下的面积或该面 积与弹性曲线下面积的比值来度量。纤维混凝土的最大特点在于韧性的显著改善。 对纤维混凝土优良韧性性能的认识，成为需要有较大变形适应能力结构( 如弹性地 基上的板、围岩的支护等) 设计思想的改变和广泛采用纤维混凝土的理论基础。 2 1 复合材料力学理论 根据复合材料力学混合律法则，复合材料的强度和弹性模量等性能符合复合 体内各组分性能的弹性叠加原理。 2 1 1 单向增强理论 首先研究图2 的简单复合体，假定： t ( 1 ) 基体为各向同性均质材料； ( 2 ) 纤维沿受力方向均匀平行排列； ( 3 ) 纤维与基体变形协调一致，无相对滑移 和错动。根据弹性叠加原理有： 荽体 纤维 例2 复合材料受力简图 f i g ，2f o r c ed i a g r a mc o m p l e x 巳= b + ( 2 1 ) 式中、一、l 分别表示复合体、纤维、基体受的力。 将= 盯扛_ 止、= 仃，彳，和f 卅= 仃。彳。代入式( 2 1 ) 并除以一复合体截面积 得： g k = 8 f p f + 8 p 。= 口f p i g m 堪一p 0 q 固 5 - 2 聚丙烯纤维混凝土增强机理 式中盯、p 应力、体积率。 下标店、厂、m 分别表示复合体、纤维、基体。 复合体的弹性模量e 。为应力盯对应变占的一阶导数： d o k e l | p f 、d 6 f b 如f p f 、d p | 8 b 。p 0d o 。啼m p 0d p m d s rfd s 癌8 p fd 缸 封md 8 扛8 p md 6 扣 粤：o ，粤：o ，如r ：如r + 如， ns&dr 则有 警。等玺凡 鄹 e # = e f p f 七e 。p 。= e f p f e 。q p f 、q 3 1 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 表明，在单向受力纤维顺向均匀分布的条件下，纤维混凝土 的应力为纤维应力乘以其体积率与基体应力乘以体积率之和，纤维混凝士的弹性 模量为纤维弹性模量乘以体积率与基体弹性模量乘以体积率之和。根据材料力学 原理，在相同应变条件下，纤维的应力与基体应力之比等于两者弹性模量之比。 由此可见，根据这一理论，在纤维掺量相对较低情况下，纤维混凝土的强度和弹 性模量的提高是有限的。 2 1 2 考虑纤维不连续影响 仍假定纤维沿受力方向平行均匀分布，但纤维为短纤维( 2 - 3 ) 是不连续的，考 虑某一个截面上的受力状态，如图3 所示。 j 妻i ，i 图3 不连续一维排列纤维琨凝土的受力状态 f i g _ 3s t r e s so f d i s c o n t i n u a t i o na n d o n ed i m e n s i o na 盯a 士1 9 c 矧诧rc o n c r c t e 这时纤维的拉力与粘结力平衡： 蝴t 知1 ? 。j 锄t 式中，、办纤维长度、直径； ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 安教理工大学硕士学位论文 f 纤维与基体间的粘结应力平均值； 协有效粘结长度系数。 这里考虑在计算截面上纤维最大粘结长度为o 5 ，最小为o 其平均值为o 2 5 ，聃为真实粘结长度与0 2 5 ，之比值。 由式( 2 2 ) 和式( 2 5 ) 可得： ? ， 盯丘= 盯。( 1 一乃) + 仇j l 矿r 2 1 3 纤维方向有效系数 按正态分布 ( 2 6 ) 纤维在混凝土中的排列和分布是随机的。当采用特殊工艺时，可能出现纤维 一维定向分布，如连续玻璃纤维增强墙板；也可能是二维定向或乱向，如采用玻 璃纤维布增强的水泥基复合板即为纤维二维定向分布，对于采用短切纤维拌合料 制作的薄板，纤维都接近二维乱向分布；而对于纤维混凝土，大多数情况下纤维 都是三维乱向分布的。可以设想，当纤维方向与复合体受力方向一致时增强效 率最佳，而纤维方向与复合体受力方向垂直时，增强效率最小。为了描述纤维方 向与增强效率的关系，提出了纤维方向有效系数的概念，用玑表示。纤维方向有 效系数为所有纤维沿纤维方向上的受力在复合体受力方向上投影之和与同体积纤 维按复合体受力方向定向排列时的受力之和的比值。显然，当纤维一维定向排列 时，其与复合体受力方向夹角为8 时，方向系数 2 7 i - 、，；? 三鹭一o ，_ ，i 拶。 图4纤维二维分布模型图5纤维三维分布模型i f g 4f _ b e rt 、v o d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o nm o d e lf 嘻5f i b e rt h r e e - d i m e n s l o n a id i s 竹i b u t i o n 讯o d e l l = c o s 占 ( 2 7 ) 当口= 0 0 ，= 1 o ，当臼= 9 0 0 ，= o 。二维随机分布时，可用图4 的模型 推导。假定纤维在圆平面上的分布概率是相等的，z 轴为复台体受力方向，纤 一7 - 2 聚丙烯纤维混凝土增强机理 维与x 轴夹角为目，在万2 的象限内纤维落在口角的概率为堂：三始，而这 要， 丌 z 点的纤维增强效率为( 2 丌) d 口c o s 口此时的平均增强效率，即方向系数为 = f 觎口= 昙 0 6 3 7 ( 2 - 8 ) 三维随机分布时，可用图5 的分布模型，纤维落在与x 成毋角位量上的概率 为图中球台侧面面积与半球面积之比表示，即 丝! 垫掣翌：。i n 伽 对应的纤维增强效率为c o s 毋，则 2 上2 c o s 口s i n 锹占= o 5 ( 2 - 9 ) 第二种分布模型如图6 所示，假定纤维分布的概率分别为护、庐的概率相等，于 是有 铲f f 皆缈= 4 0 5 沼 纤维的方向由于受到试模边壁、骨料界面、浇注振捣、重力效应等因素的影 响，其分布方向较为复杂，很难准确计算出方向系数，但上述模型能给考虑纤维 的增强效果提供一个分析依据。 一一y zj d ，弋弓厂_ 图6 纤维兰维分布模型l i图7 纤维分布测定分块图 f 嘻6f i b e rt h r - d i m e n s i o n a ld i s t r b u t i o nm o d e li l f i g 7f i b e rd i s t r i b u t ed e t e m l i na l i o nb l o c kd i a g r a r n 8 - 安徽理工大学硕士学位论文 2 1 4 纤维分散均匀性的影响 纤维在綦体中的分散均匀性也是影响纤维对基体的增强效果的因素。以受弯 试件为例，若纤维的分布聚集在中性轴以上的受压区，受拉区纤维很少，则增强 效果就很差；反之，大部分分布在受拉区，则增强效果好。当纤维分布密度较均 匀时，增强效果较好，当纤维分布密度不均匀时，增强效果较差。 小林一辅提出了用统计理论表表示纤维分布均匀程度的方法，具体方法是： 将试件截面分成弗个等分( 图7 ) ，测出每个分块上的纤维数x ，计算出全部分块纤 维数的平均值。，于是有： 土 艺( 一一以) 2 西( x ) = 上l 一， = e 一中。( 2 1 1 ) 玎 式中为分散度，当纤维分布均匀时，各分块上的纤维数相等，o ( x ) = 0 ，卢= 1 o ； 当纤维集中到某一分块上，其余各块上为零时，口呻o 。 以钢纤维混凝土为例，对纤维分散度产生不利影响的主要因素有：纤维过于 细长或带有不利于分散的弯钩，纤维体积率太高，骨料粒径偏大，拌合物坍落度 太低，拌合投料顺序和方法不当，浇注和振捣方法不当等。 分散度 圈8 弯拉强度与分散度的关系 f i g 8r e l 砒i o n s h i po f n e x u r a l t e n s i l es t r e n g t ha n dd i s p e r s i o nd e g r e e 纤维分散度对纤维混凝土强度的影响如图8 所示。如果采用分散度影响系数 表示纤维分散状态对力学性能的影响，则 巩= ，( p ) ( 2 - 1 2 ) 9 。：= | | 耋 。一 越拯隶 2 聚丙烯纤维混凝土增强机理 2 1 5 开裂阶段纤维粘结性能的影响 根据前面的分析，纤维混凝土开裂前的应力可用下列计算公式表达： 盯矗= 盯。( 1 一p ，) + 叩日玎口盯 户， ( 2 1 3 ) 基体开裂后，则有 ， k = 七盯。( 1 一，町) + 叩口，7 卢7 7 ，f 手户， ( 2 1 4 ) “， 式中七考虑基体开裂后强度下降的系数，七1 0 。 试验研究表明，纤维与基体的粘结强度取决于基体的强度和纤维的形状及界 面特性。基体强度高，纤维与基体间粘结和咬合作用强，则粘结力高。基于这种 分析，纤维粘结力可采用下列计算模式： f 玎，盯m( 2 - l s ) 这里假定粘结力r 与基体抗拉强度成正比。叩，则为与纤维粘结效能有关的 系数，与纤维品种及形状等因素有关。当纤维表面摩阻力增大时，刁，高。对于钢 纤维等刚度较高的纤维，纤维形状有很大影响，两端大头形，带弯钩和表面凹凸 不平都能增加其与基体的咬合力。 在极限状态对，如果纤维是从基体拔出，则公式( 2 1 5 ) 仍适用，如果纤维 被拉断，则该式已不适用，式中叩，f ( ，办) 应代之以纤维拉断强度力，然而由于 纤维分布的随机性，即使出现纤维被拉断，也有z ，短的那部分被拔出。看来准确 计算是困难的，只有针对不同强度等级的基体和不同纤维品种的情况，采用依据 实验数据回归分析的方法，才能得出实用公式。 2 2 纤维间距理论【3 8 】【4 3 】 纤维间距理论是在1 9 6 3 年由 j p r o m u a l d i 和b b a t s o n 指! 出的。 该理论建立在线弹性断裂力学的基础 上，认为混凝土内部有尺度不同的微 裂缝、孔隙和缺陷，在施加外力时，孔、 缝部位产生大的应力集中，引起裂缝的 扩展，最终导致混凝土破坏。因此，在 脆性基体中掺入钢纤维后，在复合材料 结构形成和受力破坏的过程中，有效地 1 0 一 圈9r d m u a l d i 的纤维约束模型 f i g ，9f i b e rr e s t r a j nm o d e lo f r o m u a l d j 0蜀目簋渭 鼠 n限喳嘭喧f 白 安徽理r 大学硕士学使论文 提高了复台材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到纤维对混凝土增强 与增韧的目的。 对顺向连续纤维增强混凝士，假定纤维沿拉力方向以棋盘状均匀分布于基体 中，如图9 a 所示。纤维间距为j 、裂缝( 半宽为a ) 发生在四根纤维所围成的区域 中心。在拉力作用下，在裂缝的纤维周围将产生如图9 b 所示的粘结力r 分布图形。 粘结力r 对裂缝尖端产生一个反向的应力场，从而降低裂缝尖端的应力集中程度， 纤维对裂缝的扩展起约束作用。此时，裂缝尖端产生一个与基体裂缝尖端相反的 应力强度因子，总应力强度因子降低为： k ，= x 。一茁，( 2 1 6 ) 足r = 兰警( 盯斥一r ) 兰足l 。 ( 2 1 7 ) 式中k ，复合材料实际应力强度因子。 芷。、丘，外力作用下无纤维时应力强度因子和纤维掺入产生相反的应力强度 因子： 墨，临界应力强度因子； 口裂缝半宽； 矿。沿纤维方向施加的均匀拉应力； r 纤维对混凝土裂后附加应变的阻力在纤维与基体界面上产生的最大剪 应力。 当岛足，。时，材料发生断裂破坏，根据这一理论，r d m u a l d i 等提出纤维间 距j 对混凝土抗拉强度有显著影响的观点。若设2 口= j 2 ，则纤维混凝土抗拉强 度，。计算公式为 厶= 鑫= 等= 嘉 沼 式中墨。钢纤维混凝土临界应力强度因子； y 与裂缝形状有关的常数： k 与k k 、y 有关的常数； j 定向长纤维平均倒距。 1 9 6 4 年r - 0 m u a l d i 和j a m a n d e l 将这一概念用于均匀分布的乱向短纤维增 强混凝土中，经过实验表明，纤维混凝土的初裂应力与纤维间距的平方根成反比。 实际上，当乱向短纤维的尺度为o 4 m m o 6 m m 2 5 m m ，体积率p ，= 2 ， 每立方米钢纤维混凝土纤维重1 5 7 k g ，则有3 3 3 万根纤维均布于混凝土中；如p ， 2 聚丙烯纤维混凝土增强机理 = 1 ，则只有1 6 6 万根纤维在混凝土中均匀而又乱向分布，两者纤维间距不同， 其增强效率则显著有别。纤维平均间距除与p ，、z ，、d ，有关外，并与纤维的排 列分布和纤维的方向性有关。 对于平行排列的纤维，垂直于纤维方向上单位面积的平均间距可近似用下式 表达： 1 s = 二 ( 2 1 9 ) 刀 式中n 单位面积上纤维的根数。 融e n c h e l 指出，当纤维排列不成正交矩阵形时，j = 西一”，例如纤维呈三角 形排列时k = 1 0 7 2 ，纤维呈六角形( 蜂窝状) 排列时，k = 0 8 7 7 。 考虑纤维方向系数的影响，k r c n c h c l 进一步导出一维、二维、三维的纤维间 距与体积率的关系。 对于一维情形： 。：堕 彳， 对于二维情形： j 爿， 毛一2 方2 d ， = 0 8 8 6 i q p | 。= 艮。“n 旁 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 屯。压q 。副筋击 ， 或 黾。乩，s 击 ， 小林一辅根据钢纤维混凝土试验结果，进一步提出了基于纤维间距理论的抗 拉强度计算公式： 厶“( 击一去) + 厶 弘2 4 ， 1 2 - 安徽理工大学硕士学位论文 式中s ，钢纤维产生增强效果的纤维间距上限值； k 主要由纤维粘结强度决定的常数，对于钢丝切断的直纤维k = 4 5 ， 对于薄板剪切钢纤维世= 5 7 。 式( 2 2 4 ) 表明，纤维间距低于s 。，纤维的增强效果才得以发挥，换言之，纤 维的体积率太低时，纤维对抗拉强度就起不到改善作用。公式还表明，纤维对基 体抗拉强度的增强效果与纤维体积率的四次方根成正比，与纤维直径的平方根成 反比，与纤维和基体的粘结强度成正比。 3 巷道喷层支护理论分析 3 巷道喷屡支护理论分析 3 1 喷射混凝土的力学作用5 4 】 1 、改善围岩和支护结构的应力状态 针对煤矿软岩井巷所作的无支护与喷射8 0 册厚混凝土的非线性有限元分析 如图l o 。 性区 图1 0 无支护与喷射混凝土支护的闱岩塑性区范围结果对比 f 9 1 0c o m p a r j s o nb e t 、鸭e nu n s u p p o r t e da n ds h o l c i t e _ l i n e dw a l lr o c kp i a s t i cz o n er a n g 喷射混凝土后，巷道周边位移较无支护时减小甚多，围岩塑性区范围有所缩 小，出现了支护结构对围岩的抗力，巷道周边切向应力亦有所增大。这有利于提 高巷道围岩的稳定性。同时，喷层与围岩密贴，使喷层与围岩能结合在一起，相 互传递应力并共同承载。 喷层为薄壁结构，它的柔性大且与围岩紧贴，能充分利用围岩抗力，即支护 结构受地压作用后，局部向围岩方向变形所引起的围岩对支护结构的作用力，如 图1 l ，使荷载均匀化。故它主要为受压或剪切破坏。比通常受弯破坏的传统支护， 更能发挥喷层的承载能力。 由于喷射混凝土g 充填裂隙凹穴，故也起减缓应力集中和使部分分离岩块重 新连结起来的作用。 1 4 安徽理工大学硕士学位论文 朝。 图1 1 作用于潭喷层上的荷载 f i 9 1 la c t i o no nt h i ns p r a y - u pl o a d 2 、防止危岩掉落 块状围岩的岩块之间，常互相镶嵌、咬合、卡紧在一起，其垮落往往先从巷 道局部个别危岩开始，再逐渐发展起来。因此，只要及时，有效地防止个别危岩 掉落，就能保持围岩的整体稳定性。当前，在工艺和力学特性上最能满足这一要 求的，只有喷射混凝土支护。 3 、抗“剪切破坏”与防“压裂”、“压剪”破坏 岩体中原岩垂直方向的应力，多大于水平方向的应力，即侧压力系数五 1 ， 围岩中的塑性区常位于巷道两侧，使基形成楔形剪切体，如图1 2 。喷层在该趋向 巷道空间移动的剪切楔体的作用下，可能在图中喷层的4 和一，部位出现剪切破 坏。因此应按喷射混凝土抗剪强度来核算喷层厚度。这就是所谓“剪切破坏理论”。 llfi 图1 2 喷层的剪切破坏作用 f g 1 2s p 唧一u ps h e a r d 部仃u c t i o na c t i o n 一1 5 载力荷抗加岩刚雕 压n目 删 n h h u u 3 巷道喷层支护理论分析 近年来的研究表明： ( 1 ) 溺岩塑性区或破坏区的形态，取决于原岩应力状态，巷道断面形状、岩体 结构与岩石性质、支护特性等多种因素。围岩两侧出现剪切破坏楔体仅是在 0 3 z so 5 的条件下的表现。 但围岩在备秸塑性区形态下，由于其塑性滑移曲线的相互切割。都可能在其 它塑性区较大的位置，尤其是在重力作用方向上，形成类似的塑性滑移楔体。这 样就扩大了剪切破坏理论的适用范围。 ( 2 ) 支护结构的破坏形态，主要取决于它自身的受力状态，不应把支护结构的 破坏同未支护巷道围岩的破坏混淆起来。国内外大量的实践与试验、实测资料表 明，喷层破坏前一般都受有较大的切向压应力，而径向应力甚微。喷层通常并不 出现单纯受剪破坏，往往是压剪破坏。 喷层由于围岩收敛变形，均会产生较大的切向压应力，便应力圆直径增大到 与喷射混凝土的强度包络曲线相切时，剪应力达到破坏值，导致喷层的压剪破坏 因切向压应力而引起的剪切破坏。 ( 3 ) 喷层结构具有柔性，很容易调整为承受四周比较均匀的压力，也致使喷层 多呈压剪破坏或压裂破坏。 4 、松散破碎围岩中的组合拱作用 在矿山地质构造带，尤其是断层破碎带，由于围岩松散无自稳能力，往往发 生垮落冒顶。喷射混凝土喷射在无自稳能力、无承载能力的自然冒落后的松散岩 体上，不仅阻止了岩体的继续冒落，而且喷层与其上的松散岩体，共同形成具有 承载能力的稳定的“组合拱”，又称为“双层结构”使属于荷载的松散岩体，转 化为承载体，利用和发挥了松散岩体的残余强度。 对不稳定、无承载能力的松散岩石进行喷射混凝土的实验结果，表明所形成 的双层组合拱的承载能力，比单一的混凝土拱增大l 4 倍，说明原属荷载的松散 岩体转化成承载体。 3 2 计算理论模型 3 ，2 1 壳体结构概述 喷层为薄壁结构，可以简化为薄壳力学模型进行分析。两个曲面所限定的物 体，曲面之间的距离比物体的其它尺寸小，即称为壳体，距两壳面等远的点所形 成的曲面，称为中间曲面，简称为中面。中面的法线被两壳面截断的长度，称为 1 6 安徽理工大学硕士学位论文 壳体的厚度。壳体可能是等厚的或者是变厚度的。如果壳面是闭合曲面，壳体除 了两个壳面阻外不再有其它的边界，这个壳体就称为闭合壳体。由闭合壳体用切 割面分割出来的一部分，就称为开敞壳体，例如用于房屋顶盏或桥梁构件的壳体。 为了有可能对开敞壳体进行分析和计算，我们假定上述切割面是由一根直线保持 与中面垂直、移动而形成的。这就是说，所讨论的开敞壳体边缘( 即所谓壳边) 总 是由垂直于中面的直线所构成的直纹曲面。 在壳体理论中，采用如下的计算假定：( 1 ) 垂直于中面方向的正应变可以不 计；( 2 ) 中面的法线保持为直线，而且中面法线及其垂直线段之间的直角保持不变， 也就是该两个方向的剪应变为零；( 3 ) 与中面平行的截面上的正应力( 即挤压应力) 远小于其垂直面上的正应力，因而它对变形的影响可以不计；( 4 ) 体力及面力均可 化为作用于中面的荷载“”。 如果壳体的厚度t 远小于壳体中面的最小曲率半径r ，即比值t r 是很小的 数值，这个壳体就称为薄壳。反之，它就称为厚壳。对于薄壳，可以在壳体的基 本方程和边界条件中略去某些很小的量( 随着比值t r 的减小而减小的量) ，使得 这些基本方程可能在边界条件下求解，从而得到一些近似的，但在工程应用上已 经足够精确的解答。根据大量的比较试算，当比值t r 不超过0 0 5 时，这些解答 不致具有工程上不容许的误差”1 。一般地，在工程上所常遇到的壳体，常可按薄 壳理论计算。目前，关于厚壳的计算方法，虽然有不少人在研究，但还不便应用 予一般工程实际问题。厚壳问题只能当做一般空间问题来处理。本文采用薄壳理 论来分析问题。 3 2 2 问题分析与理论模型 锚喷支护巷道常见的断面有两种，一种是直墙半圆拱断面；另一种是曲墙圆 弧拱断面。后一种断面形状的两帮稳定性很好，可以显著提高巷道支护结构的整 体承载力，其适用于侧压与顶压都很大、底板较稳定的巷道。曲墙半圆弧拱断面 巷道可看作是由三块开口柱壳所构成的。如果出现严重底鼓现象可在底部再加 一个反底拱，以消除底鼓保证巷道的稳定与安全。为使讨论问题方便，又不失一 般性，根据前面的分析可知这种壳体支护结构的基本构件是一个开口圆柱形壳， 本文以一个开口圆柱壳为对象展开讨论。 根据巷道工程的实践可知，巷道支护的步长一般在o 6 o 8 m 之间，半径一 般在2 5 3 m 之间。在锚喷支护工程中，混凝土喷层的厚度一