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1、第19卷第3期巖石力學與工程學報19(3):342～3452000年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay,20003巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究侯朝炯勾攀峰(中國礦業(yè)大學徐州221008)(焦作工學院資源材料系焦作454159)摘要通過實驗室試驗和理論分析,研究了巷道錨桿支護對錨固范圍巖體峰值強度和殘余強度的強化作用以及對錨固體峰值強度前后E,c,U值等力學參數(shù)的改善,分析了錨固體強度強化后對巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度。關鍵詞錨桿支護,圍巖強度強化,殘余強度分類號TD353.6文獻標識碼A文章編號100026915(200
2、0)03203422042.1模型設計1引言模擬試驗的原型相當于從巷道一側或頂板“取出”的,其尺寸的大小應能代表錨固體的一般狀態(tài),巷道圍巖的穩(wěn)定性除了支護的作用外,主要取[4]考慮錨桿布置方式及巖體的尺寸效應,原型尺寸決于圍巖的強度和應力狀況。從提高圍巖的強度出為2.0m×2.0m×2.0m,錨固分離體所處位置、形狀發(fā),近幾年開展了經(jīng)錨桿錨固后圍巖力學性能改善及尺寸如圖1所示。的研究。這些研究主要是針對淺埋深不受采動影響模型的幾何相似比為1?10,容重相似比為的水利、隧道、邊坡等工程,探討了錨桿加固后巖石0.75,則應力相似比為0.075,錨固試體的尺寸為20峰前區(qū)內(nèi)聚力c,內(nèi)摩擦角U,彈性
3、模量E的改善情cm×20cm×20cm。巷道圍巖為中硬巖層,巖石單軸[1～3]況。對于煤礦巷道,由于圍巖松軟,加之埋藏深,抗壓強度為16.50MPa。巖石相似材料由砂、水泥和受采動、構造應力的影響,地應力很大,巷道圍巖破石膏組成,配比號為737,含水量為10%,緩凝劑硼壞嚴重,因而其周圍存在著破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性砂含量為水量的1%。錨桿相似材料選用15A保險區(qū),錨桿錨固區(qū)域的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述絲,粘結劑采用1÷1的石膏漿。兩個或三個區(qū)域中,相應錨固區(qū)域的巖石強度處于試驗采用平面應變加載(R1方向),非加載面(R2峰前、峰后或殘余強度階段。因此,只有掌握圍巖峰方向)采用剛性約束,在錨桿
4、軸向留設一個自由面模后強度和變形的特點以及錨桿對提高圍巖峰值強度擬巷道圍巖表面。按照錨桿布置常用的間排距大小,和殘余強度以及改善巖石力學性質(zhì)的作用才能從根依次選用錨桿的間排距為1.4,1.2,1.0,0.9,0.8,本上揭示錨桿支護的作用機理。0.7m(間、排距相等)進行模擬,錨固試件中相應的錨桿的根數(shù)分別為2,3,4,5,6,8根,分別測定錨2錨固體強度強化的相似材料模擬試固體的強度。驗為便于分析,又做了無約束情況下錨固試體的單向加載試驗。在巷道周邊取一非錨固或錨固分離體進行相似試驗結果根據(jù)單向加載和平面應變加載分別整材料模擬試驗,在平面應變情況下,研究無錨桿及錨理,并取每組試件(每組3個
5、試件)測試結果的平均值桿作用下全長錨固錨桿作用機理,分析錨固體在不作為標準值,每組試驗的重復性較好,平均離散系數(shù)同錨桿支護強度(密度、錨固力)下的強度變化,特別小于8%。對每一種錨桿布置方式,分別繪出其全程是分析錨固體的破壞過程及破壞后錨桿的支護效果。應力2應變曲線。限于篇幅,試驗數(shù)據(jù)及這組曲線在試驗中假設圍巖為均質(zhì)體。此未列出。1999年1月10日收到初稿,1999年3月1日收到修改稿。3國家自然科學基金重點(59734090)資助項目。作者侯朝炯簡介:男,66歲,1955年畢業(yè)于北京礦業(yè)學院,現(xiàn)任教授,博士生導師,主要從事礦山壓力、巖石力學、巷道支護、開采方法等方面的研究。第19卷第3期
6、侯朝炯等.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究·343·(a)(b)圖1錨固分離體的形狀及尺寸Fig.1Shapeanddimensionofseparatedrockbodysupportedbybolt2.2錨固體力學參數(shù)的改善(2)假設錨固體的破壞服從莫爾2庫侖準則,則2.2.1彈性模量E及軟化模量M錨固體的單向抗壓強度為從錨固體彈性變形階段的數(shù)據(jù)及曲線可求出E2ccosURc=(5)1-sinU值。聯(lián)立式(4)和(5),可得到不同錨桿布置時錨固軟化模量M反映極限強度后曲線斜率的變化,體破壞以前的c,U值。規(guī)定錨固體峰值強度點到殘余強度點連結直線的斜(3)從大量抗剪和抗摩擦試驗中知道,巖體
7、強率為錨固體的軟化模量。33度隨變形發(fā)展而衰減主要是由于內(nèi)聚力變化的結果,2.2.2內(nèi)聚力c,c及內(nèi)摩擦角U,U因此,在錨固體變形破壞后的階段,設內(nèi)摩擦角U與錨固體破壞前的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別以c,U333U相符。這樣處理是安全的,工程上是允許的。在錨表示,破壞后的殘余強度指標則分別以c,U表示。[5]固體變形至殘余強度時仍按莫爾2庫侖準則考慮,則全長錨固錨桿的現(xiàn)場應用表明,錨桿既受到錨固體的殘余強度為軸向力
