趙 帥,王亞峰

(晉能控股煤業(yè)集團 胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

巖體是自然界中的一種復(fù)雜介質(zhì),其內(nèi)部存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面,工程界和科學(xué)界重點關(guān)注巖體的力學(xué)特性。由于巖石的不同性質(zhì)造成巖石間力學(xué)性質(zhì)存在著差異性,破壞形式和變形特征都不盡相同。巖石中存在大量裂隙,并且裂隙的存在會使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

在大型巖石工程中,由于動態(tài)載荷和地質(zhì)結(jié)構(gòu),巖體中的裂紋很多,威脅著巖體工程的安全穩(wěn)定[1-2]。張偉等[3]研究了傾角對裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)的影響;孫朝陽[4]對類似模型材料中預(yù)制裂紋的類巖石模型樣品進(jìn)行了單軸壓縮試驗;吳文等[5]通過單軸壓縮試驗和劈裂試驗,得出了巖石孔隙度越高,巖石強度越低的結(jié)論;劉超等[6]研究了單裂隙煤巖體結(jié)構(gòu)面角效應(yīng)的強度、變形特征和破壞形式;蒲承志等[7]探討了裂縫角度和分布密度對多裂縫巖石材料斷裂強度的影響;劉學(xué)偉等[8]研究了側(cè)壓力對裂隙巖體破壞模式和強度特征的影響;謝統(tǒng)冠等[9]研究出當(dāng)裂紋傾角為45°時,試樣的強度先減小后增大,當(dāng)溫度較高時,試樣的強度最低。

為了提高裂隙巖體的穩(wěn)定性,有必要對其進(jìn)行加固。錨固是加固方法之一。周輝等[10-11]用高強度石膏制作了裂隙角度為30°、 45°、 60°的模型,通過試驗，分析了預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機理,運用室內(nèi)物理模型試驗和FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù),采用三種不同的預(yù)應(yīng)力錨桿方案,研究了預(yù)應(yīng)力錨桿控制裂縫的效果;張永正等[12-13]研究了不同粗糙度和錨固角度下,不同法向荷載作用下,含錨固節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)、剪切宏-細(xì)觀力學(xué)機制、破壞特征和錨固機理,從宏觀和細(xì)觀角度分析了結(jié)構(gòu)面的破壞機理。裂隙煤巖試件力學(xué)規(guī)律的影響因素很多,如外部施加錨固限制、不同裂隙類型、裂隙角度等。

本文使用了一系列單軸試驗,分析加錨后含裂隙煤巖破壞模式和力學(xué)特性,以加錨前后含裂隙煤巖破裂過程的破壞強度差異為基礎(chǔ),探究裂隙角度對加錨煤巖強度的影響。

1 準(zhǔn)備試件與試件方案

1.1 試驗試件

眾所周知,裂隙巖體力學(xué)行為研究的主要難點在于裂隙巖體試件的獲取。目前,裂隙巖體試件主要是直接或間接獲取的。受試件加工、取樣等因素影響,直接獲取裂隙巖體試件比較困難,本文通過在試件幾何中心位置切割30 mm×1 mm的預(yù)制裂隙試件來模擬含裂隙煤巖。

本文以胡底煤礦的煤巖作為研究對象,分析研究完整煤巖、裂隙角度分別為0°、30°、45°、60°、90°的煤巖體以及其加錨后試件破壞演化規(guī)律及差異。試件的直徑為50 mm,高度為100 mm，如圖1所示。無錨裂隙煤巖試件裂隙角度為0°、15°、30°和45°,編號為A-(0°～90°);加錨裂隙煤巖試件裂隙角度為0°、15°、30°和45°,編號為B-(0°～90°)。無裂隙無錨煤巖和無裂隙加錨煤巖作為參考對比試件,每種變量試驗取3個試樣。

試驗中未考慮錨桿變形破壞對煤巖體強度的影響。螺栓直徑為3 mm,長度為50 mm,鋼筋螺栓強度較大。具體螺栓力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

GCTS-RTR-1000巖石三軸試驗系統(tǒng)是一套閉環(huán)數(shù)字伺服控制裝置,可以方便快捷地進(jìn)行巖石試件的單軸或三軸加載試驗和滲流試驗。它可以測量巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量、泊松比、抗壓強度等一系列力學(xué)參數(shù)。試驗設(shè)備如圖2所示。

(a) GCTS-RTR-1000巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)

1.3 試驗方案

單軸加載試驗是在試驗機上將軸向荷載均勻的施加在巖樣上,應(yīng)用應(yīng)變傳感器測量荷載作用下巖樣的軸向和環(huán)向變形量,直到巖樣產(chǎn)生破壞。然后采集單向加載下的巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并根據(jù)關(guān)系曲線求得表征巖石物理力學(xué)特性的基本參數(shù)。

試驗在室溫約20°C條件下進(jìn)行,常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗均采用軸向應(yīng)變控制,加載速率為0.02%/min。試驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集,記錄最大破壞載荷、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線以及軸向和環(huán)向的變形位移值。試驗結(jié)束后,對破壞后試樣整理,并進(jìn)行拍照,由照片上的試樣破壞形態(tài)分析破壞特征。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無錨桿錨固的裂隙煤巖

每個角度做3個試件,取3組數(shù)據(jù)的平均數(shù)值進(jìn)行整合,整合數(shù)據(jù)后得到不同傾角裂隙的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 無錨不同裂隙角度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖3所示,非錨固裂隙煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明,不同裂隙傾角抗壓強度曲線的發(fā)展趨勢基本相似,可分為四個明顯階段。

第一階段為壓實階段。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈凹形,即應(yīng)變增量隨應(yīng)力的增大而減小,形成這一特征的主要原因是微裂紋在外力作用下閉合。

第二階段為彈性階段。應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性,一般來說,這個階段的斜率是彈性模量,也叫平均模量,同時巖石的泊松比通常在彈性階段得到。

第三階段是塑性變形階段。當(dāng)軸向應(yīng)力大于巖石屈服應(yīng)力時,隨著應(yīng)力的增大,曲線呈凹形,應(yīng)變增大,導(dǎo)致巖石發(fā)生明顯的不可逆塑性變形。

第四階段是高峰后階段。在峰值后階段,當(dāng)承載力達(dá)到峰值強度時,內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。在連續(xù)壓力作用下,裂紋迅速發(fā)展,出現(xiàn)宏觀斷口。峰值出現(xiàn)后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力下降較快,應(yīng)變變化較小,此時,裂紋迅速擴展和穿透,含裂紋的介質(zhì)發(fā)生脆性破壞。

2.2 錨桿錨固后的裂隙煤巖

圖4為四種裂隙傾角加錨后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。加錨后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線走向趨勢與無錨裂隙煤巖的十分相似,無明顯峰后臺階式波動。

圖4 加錨后不同裂隙角度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4中可以明顯看出,在30°到60°時加錨后的煤巖單軸抗壓強度大幅上升,其他角度時加錨后的單軸抗壓強度也有所提升。根據(jù)試驗結(jié)果可以得到,裂隙角度較小時加錨后試件強度大幅增加,裂隙角度較大時加錨后試件強度有所增加,其他性質(zhì)保持不變,原因在于加錨后強度的增加。

2.3 有、無錨桿錨固后的裂隙煤巖對比分析

不同裂隙傾角加錨情況對其應(yīng)力強度的影響如圖5和圖6所示。

圖5 加錨前后應(yīng)力強度對比

圖6 加錨前后不同傾角應(yīng)力增量

由圖5、圖6分析得出如下結(jié)論。

1)隨著裂隙傾角的增大,試件的抗壓強度逐漸增加,無錨試件的強度由45 MPa逐漸上升到125 MPa,加錨后的試件強度由47 MPa逐漸上升到136 MPa,說明了裂隙傾角越大,試件強度越高。

2)0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°裂隙傾角的試件加錨后強度分別上升1、11、15、17、18、7和11 MPa,其中30°和45°裂隙傾角的試件強度增加比值較高;0°、75°、90°裂隙傾角試件的強度增加比值較低。

3)錨桿錨固的裂隙巖體比相同角度情況的無錨裂隙巖體的抗壓強度均有所提高,因此可以得出,錨桿在加固裂隙巖體方面有很大作用。

3 討論

3.1 破壞模式

圖7(a)為無錨裂隙巖體的破壞形式,圖7(b)為加錨裂隙巖體的破壞形式。0°和15°試件是主要受到拉應(yīng)力產(chǎn)生破壞,附帶少量剪切破壞;30°和45°試件主要有拉力破壞和剪切破壞,45°裂隙試件無太大破壞;60°裂隙煤巖試件則出現(xiàn)明顯的滑移;90°裂隙試件無滑移現(xiàn)象,破壞模式以拉力破壞為主,附帶少量剪切破壞,可能是煤巖中的微裂隙導(dǎo)致。因此,錨桿在15°時體現(xiàn)的錨固作用較小。

(a)無錨

3.2 力學(xué)特性

錨桿與煤巖結(jié)構(gòu)面錨固角θ的選取對巖體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)鍵影響。本文設(shè)巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為c0和φ0,預(yù)制裂隙與垂直方向的角度為β,貫穿裂隙面的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為cw和φw,并假設(shè)裂隙面強度和巖體強度服從摩爾-庫倫分布,煤巖試件結(jié)構(gòu)面應(yīng)力場如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力場

由摩爾應(yīng)力圓方法可得

(1)

(2)

由摩爾庫侖準(zhǔn)則可得

τ=cw+σtanφw.

(3)

聯(lián)立得

(4)

式(4)即為由最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3表示的裂隙強度庫侖準(zhǔn)則,得裂隙面強度曲線的斜率和單軸抗壓強度分別為

(5)

(6)

錨桿加固后巖體的應(yīng)力場將變?yōu)閳D8(b)所示。加錨后,在裂隙面上產(chǎn)生的正應(yīng)力為

σ=σbsinθ.

(7)

剪應(yīng)力為

τ=τbcosθ.

(8)

裂隙面上的總正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為

(9)

(10)

錨固后巖體的抗剪強度為

(11)

式(11),式(9)聯(lián)立可得

(12)

由式(12)可得錨固后巖體單軸抗壓強度為

(13)

裂隙巖體錨固裂隙面的抗壓強度增加值為

(14)

圖9為加錨試件和無錨試件抗壓強度增值與裂隙角度的關(guān)系,傾斜煤巖組合體角度與煤巖組合體提升的抗壓強度在裂隙角度35°到45°時加錨強化有更加明顯的效果。試驗數(shù)據(jù)散點與預(yù)測曲線體現(xiàn)了較好的一致性。

圖9 模型曲線與試驗散點結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文提出了加錨對不同角度裂隙煤巖體的影響效果,得到以下主要結(jié)論。

1)通過試驗和推導(dǎo),可以得出含裂隙煤巖在裂隙角度為35°到45°時,加錨效果最明顯。

2)錨桿含裂隙的試件,變成擁有一定強度的錨固體,巖體在錨固范圍內(nèi)不易發(fā)生破壞。垂直于錨桿表面兩側(cè)的區(qū)域更易發(fā)生破壞,其次是錨桿上下兩部分的二次應(yīng)力疊加區(qū)。錨桿能有效地協(xié)調(diào)控制含裂隙煤巖的整體變形。