变形和力学性能的Constant-Friction-Force吸收能量的螺栓

文摘

常规螺栓用于围岩隧道大变形常常失败。解决这个问题,我们开发了一个可扩展的螺栓与能量吸收和constant-friction-force (EACF)特征。EACF螺栓主要包括阻尼装置、空心螺栓拉紧螺母和面板。揭示其工作机制、螺栓测试的摩擦,位移和能量吸收通过修改拉伸试验设备在实验室。静态抗拔试验结果表明,螺栓的轴向力-位移曲线主要可以分为三个阶段:一个锥形挤压阶段,拔节期和一个弹性破坏阶段。EACF螺栓表现出稳定的能量吸收受到静载荷时的行为。最大持续摩擦力可以调整增加的规模和直径直阻尼块的部分,和最大伸长可以通过增加阻尼缸的长度调整。螺栓材料的属性保持不变时,增加阻尼块的直径可以帮助实现恒定电阻很高。拟议中的EACF螺栓可靠的缓冲吸能变形属性,确保其稳定工作时的共同作用下隧道的支持和周围的岩石。

1。介绍

岩石螺栓用于民用和地下工程项目(例如,隧道开挖和巷道支持)。日益复杂的地质条件、围岩主要以大变形(1],它可分为两种情况。在第一种情况下,岩体是柔软的。软岩石巷道的能差,和软岩石通常表现出的行为,在岩石变形随时间增加。在第二种情况下,巷道开挖后,围岩在高地应力主要是超载状态和展品大变形(2]。在这种情况下,传统的螺栓很容易损坏提前过度负荷,造成拉拔力和断裂的螺栓3]。这个问题的根源是螺栓的伸长低、容易产生。因此,有必要改进的伸长和承载力锚杆支护系统(4]。高应力下的变形围岩螺栓快速达到或接近其极限载荷,变形持续足够的距离,同时保持高负荷。因此,一个理想的能量吸收或pressure-yielding螺栓应有足够的强度和良好的变形特性(5]。

现有的有限变形吸能螺栓可以根据工作原理分为两类。在第一类中,我们可扩展和滑动可扩展的螺栓结构元素。例子包括杆可扩展的螺栓,如D螺栓(6),J释放能量螺栓(7),能量吸收螺栓(8太极拳屈服,岩石螺栓(9]。螺栓的伸长结构或性能材料改为提供锚位移;然而,很难控制ofCE伸长量。圆钢的D螺栓是由一定数量的锚固点在特定时间间隔;然而,由于螺栓的螺纹部分较弱(10),相邻的锚固单元之间的变形量很小,和伤害很容易诱导(11]。

在其他类别中,我们有滑动与结构元素和可扩展的螺栓,包括锥形螺栓(12),Garford螺栓(13),Roofex螺栓(14],He-bolts [15],AIEA-T螺栓(16]。在这些螺栓,滑动伸长发生主要是通过机械结构。然而,这种特定的结构增加锚所需处理步骤的数量,尤其是在材料选择方面,也增加了成本。一轮Garford螺栓是由钢铁和锚头和螺纹钢套管。因为锚大直径的棒,需要大口径锚孔,安装成本很高。He-bolts准备通过将一个固定电阻设备纳入普通锚杆达到一个恒定的阻力和压力的函数,和持续的阻力值通常是在150 - 200 kN的范围测试。然而,Ti套筒管是昂贵的17]。

因为螺栓有各种缺点的常数摩擦力,最大位移、稳定,生产成本,这些能量吸收螺栓不能充分适应围岩大变形的特点,在高应力条件下。因此,本研究开发了一个可扩展的螺栓与能量吸收和constant-friction-force (EACF)特征。在本文的其余部分,我们将介绍的结构组成和工作机理提出EACF螺栓,其力学特性分析的报告进行静态拉伸实验,和现在的影响阻尼块大小恒定电阻,拉伸位移和能量吸收。EACF螺栓将提供一种新的、可靠的手段支持隧道围岩的大变形观测。

2。EACF螺栓的结构和工作机制

2.1。结构性EACF螺栓组成

EACF螺栓由螺纹空心螺栓、阻尼装置(包括阻尼缸,一个阻尼块,和阻尼管),密封钢圈,拉紧螺母和面板(图1)。阻尼缸的外径和厚度是50和5毫米,分别。螺纹外径和厚度的空心地脚螺栓25 - 7毫米,分别。阻尼块包括直接和锥形部分和连接到螺纹空心螺栓拉紧螺母为一个单一的单位。阻尼装置可以坐落在锚洞里面还是外面。本文中描述的EACF螺栓装有一个阻尼装置和一个面板和收紧螺母在前面。阻尼装置中的组件之间的交互不仅产生一个恒定的摩擦力来实现能量吸收,也决定了固定电阻位移通过改变阻尼缸的长度。阻尼管的强度低于阻尼块的;这有助于防止摩擦块的失败。因此,不断提供的摩擦力EACF螺栓可以调整,以满足实际工程应用的不同的需求,使他们更适用。

2.2。EACF Bolt-Surrounding岩石相互作用

EACF螺栓,滑动阻尼块的阻尼装置有助于实现收益。在滑动过程中,相互之间的摩擦阻尼,阻尼缸,和阻尼管提供一个恒定的承载能力;设置预留变形释放后,EACF螺栓转化为一个正常的螺栓,届时承载能力将一样正常的螺栓。达到一个理想的运行EACF螺栓并确保它开始滑的节点在屈服之前,应满足下列条件:的最大静摩擦螺栓应小于屈服强度的普通螺栓。

自传统的螺栓钻孔的孔径范围28-32 mm,安装孔内的阻尼装置将扩大孔直径,这需要更多的手续,特殊的机器,和更多的时间。例如,NPR锚索需要一个特殊的铰孔钻扩大钻孔安装一个固定电阻设备(18]。因此,我们安装了阻尼装置外的EACF螺栓孔。EACF螺栓的安装是一样的,传统的锚杆。

图2显示了工作过程。EACF螺栓到围岩区域,和固定长度的空心螺栓由灌浆锚定。螺栓可以保留一定长度的位移通过阻尼装置,如图2(a)。当自由长度的围岩变形大,螺栓将受到隧道的临界表面张力。阻尼块和锚定会向外滑动阻尼缸内的一面。当阻尼块的直线部分进入内部阻尼缸的一部分,阻尼块的圆锥曲线不断压缩阻尼管,和阻尼管将挤进薄钢板,从而产生摩擦力。同时,之间的摩擦产生的直接部分阻尼块和阻尼筒的内壁。两者之间的相互作用生成一个常数阻尼缸的摩擦力。保留变形被释放时,阻尼块和密封钢圈相互接触,和轴向力由螺纹空心螺栓,如图2(b)。

图3说明了EACF螺栓之间的互动关系和围岩的支持。曲线1的特性曲线是不受支持的条件下隧道的围岩。曲线2是正常的螺栓用同样的支持刚度和材料。支持EACF螺栓的特性曲线(曲线3)有一个额外的产生过程,即。的位移Δu。十字路口分“a”和“b”曲线在曲线1和2和3的平衡分普通螺栓和EACF螺栓的支持,他们都是在弹性阶段的支持,和支持系统具有良好的安全性。c点是围岩的稳定平衡点。支承结构不能正常工作时放松故障区,附近的行动点支撑结构应点c的左边。正常的螺栓(曲线2)可以减少巷道围岩的变形通过增加支撑刚度和支架阻力;然而,由于高位置的围岩之间的平衡点和地脚螺栓的支持,支撑结构将在一个很高的内力状态,正常的螺栓支撑结构将面临更高的压力,和相对应的支架阻力点“a”将远远大于支架阻力点“b”。

因此,EACF螺栓展品常数阻力和收益率,即一定数量的固定电阻位移释放适应围岩的变形。它还可以保证围岩的稳定和相对较低的工作阻力,有效地防止螺栓过早进入屈服阶段,并确保螺栓不会过早被摧毁在支持持续时间,这不仅提高了支持生命,也导致岩体的长期稳定。因此,EACF螺栓是一个合理的解决方案有限变形软岩石的支持。

3所示。静态抗拔试验分析

3.1。测试计划和设备

研究能量吸收性能和可扩展性的EACF螺栓,螺栓的常数摩擦力分析了不同直径和长度的线性阻尼块的部分用同样的材料阻尼装置的属性。

38岁的九个维度的不同组合与直径38.5,和38.7毫米,直段长度为20,25岁和30 mm的准备,用BG-1 BG-9。提高了测试设备以满足测试需求的最大负载500 kN, 150毫米的最大位移,加载速率为0.1到20 kN /分钟,位移速率为0.5至100毫米/分钟,阻尼缸的长度100毫米,100毫米的拉伸位移。中设置的恒速拉伸试验是10 kN /分钟。

考虑阻尼装置的特点,进行了阻尼缸和阻尼管的固定大小和固定的材料,以确保他们表现出良好的强度和延性。阻尼缸的外径和厚度,阻尼管,和地脚螺栓是50/5,12/2,分别和25/7毫米。阻尼缸材料的弹性模量是5000 MPa。高承载阻尼块是20 #钢做的,这是更加困难比阻尼缸。弹性模量和泊松比的20 #钢200 GPa和0.3,分别。空心螺栓是Q345钢做的。屈服强度和极限强度是360和510 MPa,分别。

测试数据是通过修改后的拉伸试验系统为EACF螺栓(图设计4)。这个专业监控系统是两边焊接监控系统来帮助传播和记录拉动力量。EACF螺栓穿过空心环提供相反的反作用力在测试期间,和一个线性位移传感器固定在测试设备监控的拉伸长度螺栓(图5)。此外,顶部钢筋的监测系统和底部的螺栓固定和调整使用拉力测试设备;这确保了监控系统和EACF螺栓是在同一个平面上。然而,底部的钢圈没有考虑阻尼缸的测试。因此,测试时停止螺栓完全退出了阻尼缸。

3.2。实验的程序

如图6,拉拔力测试BG-1、BG-2 BG-3表明测试过程可分为两个阶段:轴向力上升阶段和一个轴向力平衡阶段。在0-60 mm中风,阻力逐渐增加一些波动,当阻尼块完全陷入阻尼缸,张力值稳定。BG-1 constant-friction-force中风,BG-2, BG-31是39.4,39.2,和39.6毫米。平均恒定电阻60、63和67 kN。

如图7BG-4的拉拔力测试,BG-5 BG-6表明测试过程可以分为电阻上升阶段和阻力平衡阶段。在0-60 mm中风,阻力逐渐增加一些波动,当阻尼块完全陷入阻尼缸,张力值稳定。的电阻不变中风BG-4 BG-5, BG-6 39.7, 39.7,和39.8毫米。平均恒定电阻是72、75和78 kN。

如图8,从拉拔力测试BG-7、BG-8 BG-9,前面的条件测试期间的标本是相似的。的电阻不变中风BG-7 BG-8, BG-9 39.6, 39.8,和39.5毫米。平均恒定电阻是80、83和87 kN。

总之,表中列出1,不同阻尼块大小有一定影响的不断抵抗EACF螺栓。测试表明,静摩擦的主力开始测试,而且没有阻尼块之间的相对位移,阻尼管和阻尼缸。测试过程的延续,摩擦力和位移增加。当阻尼块完全进入阻尼缸,EACF螺栓达到最大摩擦力,逐渐稳定的波动,这是一个恒定的摩擦力在年底前预留位移。

3.3。EACF螺栓的力学分析

如图,正常和EACF螺栓的力学性能是显然不同的。变形破坏阶段的普通螺栓的′- b′- c′- d′阶段,而EACF螺栓是O-A-B-C-D阶段。正常和EACF螺栓之间的主要区别是AB的yielding-energy吸收平台;因此,本研究主要集中在拔节期的持续的摩擦力。基于机械拉伸试验曲线,EACF螺栓的机理进行分析。EACF螺栓的应力过程包括三个阶段:一个锥形挤压阶段,拔节期的持续阻力,和一个弹塑性破坏阶段。

锥形挤压阶段对应于办公自动化阶段如图9。在初始阶段,阻尼块之间的相对位移,阻尼管和阻尼缸。当阻尼块挤压阻尼管和阻尼缸,张力增加线性。随着时间的推移,摩擦和位移迅速增加。然而,普通螺栓主要是在弹塑性阶段在OA′阶段。随着压力的增加,螺栓没有明显的变形,它显示了一个线性增加。在这里,两个螺栓的曲线有相同的特征。

不断的伸长阶段电阻对应于AB阶段如图9。在这个阶段,作为直接阻尼块的一部分完全进入阻尼缸,EACF螺栓产生一个恒定的摩擦力。这个阶段产生的一个平台。与B′′阶段的普通螺栓,这个阶段是一个可控的伸长位移,提出螺栓显然优于普通螺栓。这个阶段的原因是常数阻尼装置产生的摩擦力小于螺栓本身的屈服载荷,提高了变形性能的支持系统。此外,在能量吸收方面,EACF螺栓的阻尼装置吸收大部分的能量所产生的张力和位移,相当于吸收围岩变形的能量。因此,不断的摩擦力和位移是关键因素,反映的力学性能和能量吸收效率EACF螺栓。

弹塑性失效阶段对应于BCD阶段如图9。当阻尼块是固定的钢环阻尼缸的底部,它不再幻灯片。EACF螺栓现在变成了一个正常的螺栓,以及螺栓轴向力的进一步增加,螺栓体达到屈服阶段直到螺栓断裂。这个阶段类似于B′C′D′阶段的普通螺栓。

4所示。讨论

4.1。阻尼块大小对恒定电阻的影响

当阻尼块的线性部分的直径保持不变,不变的摩擦力随的增加线性阻尼块的部分的长度,从6到8 kN。与最初的恒定的摩擦力,其增加8%到10%。如图10,当阻尼块的直管段长度保持不变,增加阻尼块的直径可以显著增加摩擦力。增加在12-20 kN。与最初的常数摩擦力相比,最大增加30% - -33%。因此,当阻尼装置的大小不变,增加阻尼块的直径可以产生一个恒定的摩擦力更明显。

4.2。阻尼块大小对恒定拉伸位移的影响

阻尼块大小恒定拉伸位移影响不大。如数据所示6- - - - - -8,轴向力迅速增加到峰值的位移约60毫米,即。,the damping block completely enters the damping cylinder, indicating that the bolt can resist the deformation of the rock in a short extension range under static loading. Since the dimension of the conical section in the damping block is constant, the constant tensile displacement is mainly controlled by the length of the damping cylinder. More specifically, it is determined by the length of the damping cylinder minus the length of the damping block; therefore, the effect of constant tensile displacement is not significant in the stretching process. In soft rocks, the support length should be calculated to mitigate the hazard of large tunnel deformation through energy absorption.

4.3。能量吸收能力EACF螺栓在不同阻尼块大小

EACF螺栓具有良好的能量吸收能力。能量吸收能力轴向力-位移曲线下的面积是基于静态拉伸试验。因此,总能量吸收取决于的水平承载力和位移。阻尼缸的长度是一样的,拉伸位移的EACF螺栓。当阻尼缸的长度增加时,吸收的能量增加EACF螺栓。

从图11,我们发现能量吸收能力增加,当增加阻尼块的直线部分的直径与阻尼块的直管段的长度不变,而增加的范围是34%与最初相比增加-42%。当阻尼块的直线部分的直径保持不变,能量吸收能力增加,当增加的直管段长度,与一系列与最初相比增加22% - -39%。因此,能量吸收阻尼块大小增加而增加;然而,吸收的能量增加EACF螺栓更明显的增加阻尼块直径。

静载拉伸试验表明,EACF螺栓固定电阻位移的特点,不断的抵抗。60 - 87 kN的最大恒力报告摘要满足公路隧道的应用程序需求通过实地调查和文献研究;最大的恒力一般在40 - kN的范围(19,20.]。与安装阻尼装置的钻孔,安装钻孔外的阻尼装置可以帮助优化施工过程的实际应用。因此,EACF螺栓有一定的应用价值,我们将进一步研究其实际应用。

5。结论

(1)我们开发了一个可扩展的螺栓与能量吸收和constant-friction-force特点,与持续的摩擦力等功能,变量位移和能量吸收。不断提供支架阻力的挤压和滑动阻尼缸,阻尼块,和阻尼管。可调节常数摩擦力范围从60 kN - 87 kN,最大可扩展的位移是由阻尼缸。通过静态拉拔力测试中,我们发现,通过调整阻尼装置的长度,EACF螺栓的拉伸位移可能不同,围岩的变形能量可以吸收,由于高地应力和围岩的大变形可以有效地支持。硬岩石的动态性能将在未来调查。(2)拉伸试验结果表明,增加的直径和长度的直线部分阻尼块可以帮助增加不断的摩擦力和能量吸收条件下,材料阻尼装置的性能保持不变。当阻尼块的直径增加,最大范围的增加不断抵抗30% - -33%;提高能量吸收能力的范围与最初相比增加22% - -39%。因此,增加阻尼块的直径可以帮助产生更明显的支持作用。(3)实验分析表明,拔节期的EACF螺栓显然不同于正常的螺栓。EACF螺栓的力学性能主要体现在三个阶段:一个锥形挤压阶段,一个常数摩擦力的延伸阶段,一个弹塑性破坏阶段。EACF螺栓的发展可以释放围岩内部的能量,可以有效地维持其稳定,有很好的参考价值大变形隧道的预防和控制。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(U19A20111和41772329号),国家重点实验室的研究基金会的地质灾害预防和Geoenvironment保护(SKLGP2018Z009号和SKLGP2018Z016),和四川科技计划项目(没有。2019 yj0538)。

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