王志國

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

在巷道工程中，巷道圍巖容易變形破壞，形成松散破碎結(jié)構(gòu)，發(fā)生裂隙[1]，圍巖結(jié)構(gòu)的變形會影響巷道的正常運(yùn)行，甚至?xí)斐傻坠?、肋片、落頂?shù)葹?zāi)害。錨桿錨索支護(hù)技術(shù)是對深部巷道圍巖進(jìn)行主動錨固，與圍巖相互作用，構(gòu)成高強(qiáng)度錨固加載結(jié)構(gòu)，有效控制圍巖變形[2-3]。因此，研究圍巖錨固結(jié)構(gòu)的承載能力，對于控制圍巖變形，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定十分重要。文獻(xiàn)[4-7]對圍巖錨固結(jié)構(gòu)承載能力的研究，仍然集中在錨固強(qiáng)度和內(nèi)應(yīng)力演化方面，對錨固結(jié)構(gòu)變形破壞特征的分析較少，事實上巷道圍巖的局部破壞并不等于錨固結(jié)構(gòu)的整體破壞，而結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)往往是由局部變形的累積引起的。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

為了研究錨固結(jié)構(gòu)的變形和破壞特性,需要根據(jù)原始巖體的物理力學(xué)性質(zhì)準(zhǔn)備類似的材料,制備12種相似材料以砂、水泥、石膏的質(zhì)量比例為100∶4∶4（圖1-1），100∶5∶3，100∶6∶2，100∶5∶5，100∶6∶4，100∶7∶3，100∶7∶8，100∶8∶7，100∶9∶6，100∶10∶10，100∶11∶9和100∶12∶8。

對類似材料進(jìn)行單軸壓縮、劈裂和剪切試驗。在壓縮試驗中（圖1-2），尺寸為Φ50 mm×100 mm。將試件以0.05 mm/min準(zhǔn)靜態(tài)速率進(jìn)行軸向位移加載，得到類似材料的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。在劈裂試驗中（圖1-3），尺寸為Φ50 mm×25 mm。將試樣以0.05 mm/min的加載速率放置在劈裂加載板之間，測量類似材料的抗拉強(qiáng)度。在剪切試驗中（圖1-4），尺寸為Φ50 mm×50 mm。單軸壓縮36個試件、劈裂36個試件、剪切108個試件的試驗結(jié)果中，只有砂、水泥、石膏質(zhì)量比為100∶12∶8的相似材料滿足上述相似比。表1為原巖體及類似材料的物理力學(xué)參數(shù)，圍巖錨固結(jié)構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)如下頁表2所示。

表2 巷道錨桿和模型錨桿的力學(xué)參數(shù)

圖1 類似材料的力學(xué)實驗

表1 原始巖體及類似材料的物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 實驗系統(tǒng)

圍巖錨固結(jié)構(gòu)模型試驗系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。該測試系統(tǒng)可實現(xiàn)水平方向和垂直方向的獨(dú)立加載（位移或力控制）。測試系統(tǒng)的框架采用Q345B鋼，以保證足夠的剛性，總質(zhì)量為34 t。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括TST3826E靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)和數(shù)字?jǐn)z影位移測量系統(tǒng)。

1.3 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

建立錨固結(jié)構(gòu)模型是本研究的基礎(chǔ)。根據(jù)表2所示參數(shù)，設(shè)計錨固結(jié)構(gòu)模型尺寸。根據(jù)錨固結(jié)構(gòu)模型尺寸圖2，設(shè)計了3種設(shè)計方案制備錨固結(jié)構(gòu)模具（見表3）。錨固結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備過程中，在該模型的內(nèi)外壁上鉆1.2 mm大小的孔以固定錨桿。錨固結(jié)構(gòu)制作完成后，對整個圍巖模型進(jìn)行澆筑。厚度為300 mm。在頂部、肩部和側(cè)面均裝有應(yīng)變計，以測量變形。根據(jù)模型中某一點(diǎn)的變形可以得到該點(diǎn)的應(yīng)力。

圖2 錨固結(jié)構(gòu)模型尺寸（mm）

表3 試驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 錨固結(jié)構(gòu)的全應(yīng)力-位移

圖3為錨桿間距對應(yīng)力-位移整個錨固結(jié)構(gòu)特性圖。顯然，錨桿間距的減小增強(qiáng)了整個錨固結(jié)構(gòu)的承載能力。峰值強(qiáng)度和峰值位移隨錨桿間距的減小而增大（見表4）；相同應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)變形也隨著錨桿間距的增大而顯著減小。

圖3 整個錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力-位移曲線

表4 整個錨力學(xué)參數(shù)

2.2 錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力演化

為了進(jìn)一步了解圍巖錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力演化規(guī)律，如下頁圖4所示為徑向應(yīng)力（σr）和錨固結(jié)構(gòu)頂部、肩部和側(cè)面的切向應(yīng)力（στ）。結(jié)果表明:錨固結(jié)構(gòu)頂部、肩部和側(cè)部的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均與錨桿間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明錨桿、巖土之間的相互作用對錨固區(qū)域內(nèi)的受力結(jié)構(gòu)有很大的增強(qiáng)作用。錨固結(jié)構(gòu)頂部σr>στ；錨固結(jié)構(gòu)的肩部和側(cè)面，στ>σr。側(cè)邊錨固結(jié)構(gòu)的徑向應(yīng)力最大，其次是頂部錨固結(jié)構(gòu)，肩部錨固結(jié)構(gòu)的徑向應(yīng)力最小。錨固結(jié)構(gòu)在側(cè)部的切向應(yīng)力最大，其次是肩部，頂部的切向應(yīng)力最小?？梢缘贸?，錨固結(jié)構(gòu)在其側(cè)部的承載能力要高于頂部和肩部的承載能力。在結(jié)構(gòu)的頂部和肩部，更容易發(fā)生由于支撐強(qiáng)度不足而引起的拉伸或剪切損傷。

圖4 錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力演化

2.3 錨固結(jié)構(gòu)變形

圖5顯示錨固結(jié)構(gòu)在完全加載過程中的變形演化規(guī)律,錨固結(jié)構(gòu)頂部均先發(fā)生變形下降，肩部沿徑向逐漸發(fā)生變形，最終整個結(jié)構(gòu)依靠其兩側(cè)受力。錨固結(jié)構(gòu)受壓剪作用產(chǎn)生變形后，圍巖應(yīng)力開始在錨固結(jié)構(gòu)底板顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底板發(fā)生局部變形。因此，在頂部和錨固結(jié)構(gòu)的肩部總是最大的，其次是側(cè)部和樓板。

圖5 錨固結(jié)構(gòu)位移向量

2.4 錨固結(jié)構(gòu)的破壞特征

圖6所示局部開裂和輕微剝落首先發(fā)生在錨桿-側(cè)邊，然后逐漸向肩發(fā)展。拉剪裂縫易在錨固結(jié)構(gòu)肩部萌生，并沿荷載方向向頂部發(fā)展。隨著變形量的增加，局部剝落逐漸演變?yōu)檎w剝落，并因多裂縫融合而向肩部方向發(fā)展。

圖6 錨固結(jié)構(gòu)特定破壞點(diǎn)應(yīng)力-位移曲線

錨桿間距對錨固結(jié)構(gòu)極限破壞特征的影響如圖7所示。模型結(jié)構(gòu)在沒有錨桿支護(hù)的情況下巷道破壞段幾乎為橢圓形，原拱完全破壞。各邊表現(xiàn)出嚴(yán)重的壓剪破壞導(dǎo)致的肋片剝落，其拱肩和頂面變形嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板大面積塌落（圖7-1）。貫通裂縫主要起源于錨固結(jié)構(gòu)的肩部和側(cè)部，并沿荷載方向向頂部擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展明顯。雖然由于壓剪破壞，兩側(cè)暴露出明顯的肋片剝落，但頂部仍然保留完整的肋片構(gòu)造時，只發(fā)生沉降變形。裂縫主要產(chǎn)生在肩部和側(cè)面，然后沿著加載方向向頂部發(fā)展。從破壞程度來看，錨桿間距為50 mm×50 mm比30 mm×30 mm右側(cè)出現(xiàn)大量巖塊擠壓。錨桿間距為30 mm×30 mm僅出現(xiàn)左側(cè)肋骨剝落，右側(cè)肋骨剝落傾向于肩部。

圖7 錨桿間距對錨固結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

由以上試驗過程及測試結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）錨固結(jié)構(gòu)側(cè)部承載能力高于頂部和肩部承載能力。在結(jié)構(gòu)的頂部和肩部，更有可能由于支撐強(qiáng)度不足而產(chǎn)生拉或剪損傷發(fā)生。錨固結(jié)構(gòu)的頂部和肩部變形最大，其次是側(cè)部和樓板。

2）不加錨桿支護(hù)的模型結(jié)構(gòu)巷道破壞段幾乎為橢圓形，原拱完全破壞。各邊出現(xiàn)嚴(yán)重的壓剪破壞導(dǎo)致的肋片剝落，其拱肩和頂部變形嚴(yán)重，大面積發(fā)生頂板塌落。錨桿支護(hù)巷道模型結(jié)構(gòu)在間距為50 mm×50 mm和30 mm×30 mm。雖然兩側(cè)暴露出明顯的壓剪破壞導(dǎo)致的肋片剝落，但頂部仍然保持完整的結(jié)構(gòu)，只發(fā)生下沉變形。