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1、高强钢纤维碳纳米管混凝土双轴破坏准则及其在千米井筒中的应用 课题来源：国家自然科学基金(41172317)汇报内容汇报内容1选题依据和意义2国内外研究现状3研究内容4特色与创新7预期研究成果5技术路线6进度安排选题依据和意义1研究内容3特色与创新4技术路线5进度安排6国内外研究现状2汇报内容预期研究成果71 选题依据及意义 拉压比为1/14.6-1/19.6选题选题依据依据各类井筒事故的频发高强混凝土缺点是脆性大 未来20年内我国很多煤矿将进入到1000m以上的开采深度建筑、桥梁向超高层、超大跨发展1.1选题依据选题依据普通混凝土拉压比约为1/10 （1）2005年黑龙江省东荣三矿在采用冻结法
2、施工时，其主井、副井、东风井三个井筒均因围岩的蠕变及因冻胀而产生的地压力随着施工而释放，并产生井帮位移，对后续施工及工程质量造成重大影响。（2）2006年3月29日杨柳矿井筒西侧井壁距井底2.5m处一块1.81.20.4米的“滑皮”矸石从掘进工人头部前滑落下来，造成一人死亡。图图1-1 立井井筒破坏状态立井井筒破坏状态 （3）2011年8月25日，中煤第七十一工程处霍邱张庄铁矿项目部进风井基建施工过程中，在进行冻结段内壁支模浇注混凝土时，井下-224米炸模，炸模后砼冲入井下工作盘，井工作盘被冲坏，10人被困。1.2选题意义 为适应社会发展，减少形形色色的煤矿井筒事故生，结合千米井筒冻结法施工方
3、法，系统研究高强钢纤维碳纳米管混凝土的双轴受力性能和破坏准则，及其早期收缩和长期荷载作用下的蠕变性能，为井筒设计、施工、长期维护管理以及事故处理分析提供理论基础成为亟待解决的课题。2 国内外研究现状 1849年，法国花匠莫尼尔年，法国花匠莫尼尔在水泥中加入细铁丝网制在水泥中加入细铁丝网制成花盆和种桔树用的铁丝成花盆和种桔树用的铁丝水泥桶水泥桶 1911年-1933年，在英、美、法等国均有人申请了在混凝土中均匀掺加短铁丝、细木等混凝土改性的专利1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结论(纤维间距理论)钢纤
4、维混凝土的广泛应用 2.1 钢纤维混凝土的发展钢纤维混凝土的发展2.2 高强钢纤维混凝土的双轴破坏准则收缩、徐变研究现状收缩、徐变研究现状 因为高强混凝土水泥用量大，水灰比小，自收缩大，水化热高，收缩应力、温度应力大于普通混凝土。所以，如果控制不当，当收缩应力、温度应力大于混凝土抗拉极限时就会出现裂缝。对此，相关文献分别对不同强度等级的高强混凝土的收缩徐变进行了研究。由于千米井筒的巨大自重，以及不同井段混凝土的强度等级又不一样，因此蠕变变形将更加复杂，同时也因试验条件的限制，关于这方面的研究文献相当缺乏。但也一些学者对长期蠕变性能进行了研究，并给出了相应的经验公式。井壁混凝土一般处于多向受力状
5、态，目前，国内外对混凝土在双轴应力下力学性能的试验和理论研究，取得了一些研究成果，其中对混凝土双轴压压的试验较多，而对双轴拉压、双轴拉拉的试验很少；针对混凝土强度的试验数据较多，而针对混凝土变形的试验数据很少。因此，对处于拉压应力状态的混凝土强度及变形的研究，尚缺乏全面、充分的试验论证。而关于混凝土在双轴应力状态下的研究文献，国际上也以中国研究居多，主要集中在大连理工大学、清华大学等几家单位，且多以普通混凝土为居多。因此，有针对性地开展高强钢纤维混凝土的双轴破坏准则研究，已经成为井筒设计、施工与在役管理所必须。混凝土双轴破坏准则研究现状混凝土双轴破坏准则研究现状3 研究内容3.1 C70-C1
6、00钢纤维混凝土配合比研究C70-C100基准混凝基准混凝土土砂砂河砂，河砂，M Mx x2.62.6水泥水泥PO52.5水水中性水中性水石子石子(5-20mm连续级配）连续级配）高效减水剂高效减水剂聚羧酸减水剂减水率聚羧酸减水剂减水率40%40%以上以上高强钢纤维高强钢纤维碳纳米管混凝土碳纳米管混凝土级级粉煤灰粉煤灰硅灰硅灰SiO292%多壁多壁碳纳碳纳米管米管通过通过正交试验正交试验3.2 高强钢纤维混凝土的一般力学性能研究一般力学性能耐久性能耐久性能物理物理力学性能力学性能抗折强度抗折强度抗压强度抗压强度泊松比泊松比弹性模量弹性模量劈拉强度劈拉强度抗渗性抗渗性抗硫酸盐抗硫酸盐侵蚀侵蚀抗氯
7、离子抗氯离子侵蚀侵蚀抗拉强度抗冻性3.3 高强钢纤维混凝土的早期收缩与长期徐变变形 根据有关高强混凝土的收缩变形研究结论，其收缩变形主要发生在14 h之内，如14 h收缩值是3d收缩值的92%。因此，本课题将主要监测1d、3d、7d、14d和28d时间段内的早期收缩。其中，1d内的收缩值，将按1h为测量间隔，其他时间段内将分别测读3次作为当期的平均值。测试环境在恒温恒湿环境中进行。图图3-1 混凝土收缩测试装置混凝土收缩测试装置3.3 高强钢纤维混凝土的早期收缩与长期徐变变形图图3-2 混凝土静态徐变装置混凝土静态徐变装置 长期徐变是在一定应力水平下通过静态徐变试验机进行监测，记录混凝土28d
8、、56d、90d、120d的蠕变值。其中，测试数据由数据记录仪自动进行测读。3.4 高强钢纤维混凝土的双轴破坏准则及本构关系 利用立方体为100mm的试件，分别在伺服液压万能试验机和二轴等刚度试验机上进行受压试验。其中，应变通过位移传感器（LVDT）测量，加载方向如图3-3所示。分别进行不同应力比水平下的极限压应力试验，获得应力-应变曲线和强度值并进行强度理论分析，得出双轴应力状态下高强钢纤维混凝土的破坏包络线。分析双向受压，一向受拉、一向受压、双向受拉三种不同受力状态下应力应变变化，整理破坏形态、极限强度与变形关系，最终得出不同应力条件下的高强钢纤维混凝土的双轴破坏准则。结合普通混凝土本构模
9、型建立相应的高强钢纤维混凝土双轴加载应力-应变本构关系。图图3-3 试件在试验机上双轴压加载方向试件在试验机上双轴压加载方向3.5 高强钢纤维混凝土井筒数值模拟 收集现场井筒相关参数并结合收集现场井筒相关参数并结合相关模型，根据相关模型，根据3.43.4研究出的高强研究出的高强钢纤维混凝土双轴破坏准则及本构钢纤维混凝土双轴破坏准则及本构关系建立井筒破坏有限元模型，通关系建立井筒破坏有限元模型，通过过ANSYSANSYS分析并验证高强钢纤维混分析并验证高强钢纤维混凝土双轴破坏准则及其本构关系的凝土双轴破坏准则及其本构关系的实用性及准确性。实用性及准确性。3.6 研究目标研究目标研究目标获得具有良
10、好抗渗、抗侵蚀获得具有良好抗渗、抗侵蚀性能的性能的C70-C100钢纤维碳纳米钢纤维碳纳米管管混凝土配合比混凝土配合比提出高强混凝土的收缩徐提出高强混凝土的收缩徐变经验公式变经验公式确定确定高强钢纤维混凝土的单轴高强钢纤维混凝土的单轴和二轴破坏准则和二轴破坏准则及本构关系及本构关系建立井筒破坏有限元分析模型建立井筒破坏有限元分析模型4 特色与创新Text in here特色与创新特色与创新高强钢纤维碳纳米管井筒混凝土高强钢纤维碳纳米管井筒混凝土围岩应力作用下的围岩应力作用下的 二轴破坏准则二轴破坏准则及本构关系及本构关系高强钢纤维碳纳米管井筒混凝土高强钢纤维碳纳米管井筒混凝土在自重荷载和围岩应
11、力作用下的在自重荷载和围岩应力作用下的长期徐变性能长期徐变性能5 技术路线5.1 研究方案研究方案Step 1Step 2Step 3Step 4探索试验探索试验正交试验正交试验制作不同规制作不同规格试块格试块物理物理力学力学性能性能100mm立方立方体试块体试块二轴等刚度二轴等刚度试验机试验机混凝土最优混凝土最优配合比配合比耐久耐久性能性能长长期期徐徐变变双轴破坏准双轴破坏准则本构关系则本构关系规格为规格为100100515的试块的试块Step 5ANSYS有限有限元软元软件件建立模型建立模型收集项目井收集项目井筒参数筒参数早早期期收收缩缩砂水水泥石子单因素矿物外加剂、钢纤维碳纳米管品格、规
12、格对高强钢纤维混凝土的影响高效减水剂多因素正交试验高强钢纤维混凝土最优配合比5.2 技术路线图图5-15-1 高强钢纤维混凝土最优配合比研究路线图高强钢纤维混凝土最优配合比研究路线图5.2 技术路线收集、分析国内外有关高强钢纤维混凝土的试验研究成果及课题组的前期成果C70-C100钢纤维混凝土配制满足抗渗、抗侵蚀性能粉煤灰、硅灰和碳纳米管为主要矿物外加剂正交试验早期收缩试验长期徐变试验混凝土收缩仪长期蠕变仪单轴受拉压试验万能试验机二轴受压试验不同应力水平二轴等刚度试验机5.2 技术路线早期收缩、徐变早期收缩、徐变模型模型多轴破坏准则多轴破坏准则弹性弹性弹塑性弹塑性广义八面广义八面体理论体理论现
13、场测试现场测试井筒数值模拟与仿真井筒数值模拟与仿真测点布置测点布置传感器选型传感器选型模型修正模型修正图图5-25-2 研究内容技术流程图研究内容技术流程图6.进度安排试验方案设计，原材料购买，试件制作，完善文试验方案设计，原材料购买，试件制作，完善文献的搜集献的搜集（前期已完成）（前期已完成）2011.9-2012.6发现并总结多因素多水平对高发现并总结多因素多水平对高强钢碳纳米管纤维混凝土的影强钢碳纳米管纤维混凝土的影响及其变化规律响及其变化规律（目前已开始）（目前已开始）进行高强钢纤维碳纳米管混凝土的配合比进行高强钢纤维碳纳米管混凝土的配合比设计研究，发现并总结单因素对高强钢纤设计研究，
14、发现并总结单因素对高强钢纤维混凝土的影响及其变化规律维混凝土的影响及其变化规律（基本已完（基本已完成）成）2012.7-2012.122013.1-2013.66 进度安排2013.7-2013.122014.1-2014.6 系统地开展高强钢纤维混凝土系统地开展高强钢纤维混凝土的物理力学性能及耐久性能试的物理力学性能及耐久性能试验，提出高强钢纤维混凝土的验，提出高强钢纤维混凝土的收缩徐变经验公式，建立高强收缩徐变经验公式，建立高强钢纤维混凝土的单轴和双轴破钢纤维混凝土的单轴和双轴破坏准则及本构关系；坏准则及本构关系；补充必要的试验，撰补充必要的试验，撰写论文，准备答辩写论文，准备答辩。7 预期研究成果(1)获得获得高强混凝土高强混凝土的收缩徐变经验公式的收缩徐变经验公式；(2)确定出确定出高强钢纤维混凝高强钢纤维混凝土的单轴和土的单轴和双双轴破坏准则及轴破坏准则及本构关系本构关系；(3)确定井筒破坏有确定井筒破坏有限元分析模型。限元分析模型。预期研究预期研究成果成果
