井下灌注式钢管混凝土支架是深井软岩巷道支护的一项重要新技术。本文以钢管混凝土拱架作为主要研究对象,主要采用室内实验、理论计算与数值仿真方法,主要研究在法向均布荷载作用下考虑端部滑移量横截面中性层偏移规律与弯曲变形破坏机理。通过大量的钢管混凝土短柱单轴压缩试验,钢管混凝土圆弧拱六分点加载试验,钢管混凝土拱架四分点均布加载试验和模型相似模拟试验,论文研究了钢管混凝土短柱轴向压缩工作机理,不同径厚比、滑移量和让压层厚度圆弧拱法向均布荷载作用下工作机理和压弯力学性能,以及圆形巷道在锚杆锚索锚网支护条件下和钢管混凝土支护条件下的破坏研究和控制分析。不仅能够促进钢管混凝土支架支护理论和技术的发展,而且对于深井软岩巷道支护具有重要的理论意义与实用价值。(1)论文首先基于现有混凝土损伤模型,采用演化方式将一种无厚度内聚力粘结单元输入到可用来分析本构关系分析模型。并通过ABAQUS基于该模型对钢管混凝土(CFST)的核心混凝土短柱,进行了单轴压缩试验全过程仿真三维数值模拟,结合立方体核心混凝土试块单轴抗压强度的实验室测试方法,较为准确的展示方钢管核心混凝土受压破坏过程的四个阶段的裂纹扩展和剥落程度。结果表明:实验所得到的适合核心混凝土试件的荷载-位移曲线,反映核心混凝土剥离破坏过程中的荷载滑移关系和应变分布。而无厚度的内聚力粘结单元在数值模拟中没有对混凝土试块整体的承载力产生影响,证实了粘结单元在粘结界面分析的可行性,通过有限元对比分析可以得到与分析模型吻合度较高的荷载滑移曲线,与实验结果也吻合较好,从根源上了解核心混凝土短柱的力学性能。(2)然后通过六点均布荷载和非均布荷载条件下钢管混凝土跨中位置处位移以及对钢管外壁和的应变以及极限承载能力进行分析,对不同径厚比的圆弧拱试件以及极限承载能力进行分析,探究中性层位置的偏移规律。实验结果和模拟分析结果表明:两端固定钢管混凝土圆弧拱试件在拱脚处在受到拉压弯三重作用下发生的破坏,核心混凝土在加载过程中产生裂纹,当裂缝贯通最终导致混凝土体积膨胀,进而使圆弧拱钢管发生鼓包。钢管内核心的混凝土产生裂隙,伴随着荷载增加,裂隙会使得混凝土体积膨胀,通过室内试验和数值模拟,以及现场监测的结果分析可知,圆弧拱跨中截面应变值所处零点位置,正是相应点连接成中性层所处位置,中性层位置在试件的加载过程中先偏移至截面上方,抵达偏移点之后会因荷载增加向截面下方继续偏移,直至接近荷载极值,中性层位置趋于稳定。(3)其次通过对六点均布加载条件下钢管混凝土圆弧拱跨中位置处位移和拱脚不同滑移量的监测,以及对钢管外壁和内部核心混凝土的应变以及极限承载能力进行分析,同时通过有限元软件建立混凝土损伤模型,对圆弧拱抗弯过程进行全过程仿真三维数值模拟分析。实验结果和模拟分析结果表明:与两端固定相比,钢管混凝土圆弧拱试件在拱脚滑移的过程中在受到拉压弯三重作用下发生的破坏,核心混凝土在加载过程中产生裂纹,当裂缝贯通最终导致混凝土体积膨胀,进而使圆弧拱钢管发生鼓包。在一定的拱脚滑移量范围内,跨中截面核心混凝土底部受拉顶部受压,试件跨中与拱脚的弯矩急剧加,钢管混凝土圆弧拱的承载力随着拱脚滑移量的增加而降低。通过室内试验和数值模拟,以及现场监测的结果分析可知,圆弧拱跨中下降的位移与两侧滑移量呈两倍关系。达到极限荷载后,圆弧拱试件中钢管对混凝土的套箍作用失效,研究成果可为了解钢管混凝土力学性能和模拟巷道中钢管混凝土支架的工况提供参考。(4)最后通过试验中均布加载条件下钢管混凝土圆形支架拱顶弧段和左右帮段变形的监测,并结合有限元软件对钢管混凝土抗弯过程进行全过程仿真三维数值模拟分析。结果表明:减弱支架四段圆弧拱整体的轴力,进而降低了钢管与内部核心混凝土的变形、破坏速度。同时核心混凝土试件在受压过程中产生裂纹,继续施加荷载,当裂缝贯通最终导致混凝土体积膨胀,进而使钢管混凝土短柱发生鼓包。此外,通过对圆形巷道在锚杆锚索锚网支护条件下和钢管混凝土支护条件下的破坏研究和控制分析,所得研究成果可为了解钢管混凝土力学性能和支架模拟让压空间的工况提供参考。