地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展,给深部围岩支护体系带来了新的挑战,研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此,自主研发了一种高强度、高延性,具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料,又称微观NPR(Negative Poisson’s Ratio)材料,这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究,介绍了PR(Poisson’s Ratio)材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史;开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验;对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明,在静力拉伸条件下,相较于普通锚杆钢,微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台,具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征,大大提高了锚杆材料的强度和变形性能,且其拉伸过程中均匀变形,破断后基本无颈缩;在锚固剪切实验条件下,加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征,有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象,微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢,并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾,极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力,从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性。

万福矿深埋大断面T型交叉点高预应力NPR支护机制及应用

为解决深部大断面软岩巷道交叉点大变形问题,以万福煤矿千米深井巷道交叉点为工程实例,首次在巷道支护中运用微观负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)钢锚索。采用室内试验、理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,分析了深埋巷道交叉点的围岩变形机制,提出了以微观NPR钢锚索为核心的控制对策。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢锚索的力学特性进行研究,结果表明,微观NPR钢锚索拉伸全过程表现为高恒阻,均匀拉伸,无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,基于T型巷道交叉点围岩最大影响范围,建立微观NPR钢锚索支护T型巷道交叉口最大影响范围计算模型。通过数值模拟,再现T型巷道交叉口的破坏演化过程,分析对比普通支护/微观NPR钢锚索支护效果。现场开展支护应用试验与监测,验证了长短微观NPR钢锚索联合支护对策具有良好的交叉口围岩大变形控制效果,为交叉口围岩安全稳定控制提供了新支护材料和支护手段。