錨索預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖中形成的應(yīng)力分布特征

錨索預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖中形成的應(yīng)力分布特征

錨索具有最大的錨固固厚、強(qiáng)度高、設(shè)計(jì)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在巖石加固工程中得到廣泛應(yīng)用。自1996年以來(lái)，中國(guó)在小直徑樹(shù)脂英桿斷裂的適應(yīng)性錨索后，該條約在煤路中得到了廣泛應(yīng)用，顯著擴(kuò)大了樁桿保護(hù)的應(yīng)用范圍，提高了道路的安全可靠性，是解決深層和復(fù)雜道路維護(hù)問(wèn)題的主要方法。丁秀全采用三維有限差分法進(jìn)行了預(yù)測(cè)波前錨固效應(yīng)的模擬試驗(yàn)。一致認(rèn)為，由于錨索數(shù)量和預(yù)測(cè)金額的增加，巖體表面的壓縮效應(yīng)隨著錨索數(shù)量和預(yù)測(cè)金額的增加而增加。丁安敏等人通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析了毛羽固體周圍巖石橫向帶的長(zhǎng)度和預(yù)測(cè)價(jià)值的影響：一般來(lái)說(shuō)，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，巖芯的坍塌高度隨預(yù)算的增加而減小。然而，當(dāng)預(yù)算器到達(dá)一定值時(shí)，增加預(yù)緊器的浮力，巖石的水位和落差高度不僅隨預(yù)算器的增加而減小。然而，當(dāng)預(yù)算器達(dá)到一定值時(shí)，預(yù)緊器的坍塌沉降高度不僅隨預(yù)算的增加而減小，而且隨著位移的增加而減小。福濤和泰勒使用不同的固體速度不同的樹(shù)脂對(duì)整體固定桿的預(yù)緊力進(jìn)行了研究。預(yù)緊力可以減小0.5.80m直接上部區(qū)域內(nèi)的巖石離子和滑動(dòng)滑動(dòng)，改善圍巖條件。采用該方法對(duì)整體定位在井中的預(yù)緊力進(jìn)行試驗(yàn)。為了更全面、深入地研究錨索的支護(hù)作用機(jī)理,分析錨索的傳力機(jī)制,以及在巷道圍巖中形成的應(yīng)力場(chǎng)-錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征,本文采用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行錨索支護(hù)作用的數(shù)值模擬,研究錨索長(zhǎng)度、間距、排距、安裝角度及預(yù)應(yīng)力大小等因素對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響.1錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征一般分析錨桿與錨索支護(hù)作用的模型是在原巖應(yīng)力狀態(tài)下開(kāi)挖巷道,然后安裝錨桿與錨索,巷道周圍應(yīng)力狀態(tài)重新分布,圍巖發(fā)生變形與破壞,錨桿與錨索受力、變形.但是,由于圍巖應(yīng)力比錨桿、錨索提供的應(yīng)力大得多,因此,錨桿與錨索支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)被完全覆蓋,無(wú)法進(jìn)行分析與研究.為此,本文在不考慮原巖應(yīng)力,即在零原巖應(yīng)力場(chǎng)條件下,分析錨索預(yù)應(yīng)力引起的應(yīng)力場(chǎng)分布特征與影響因素.1.1數(shù)值模型的建立錨固體計(jì)算采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型.三維模型的外形尺寸為長(zhǎng)×寬×高=11.0m×5.0m×14.6m,巷道寬×高=5.0m×3.6m,共劃分89125個(gè)六面體單元.巷道頂板為泥巖,單軸抗壓強(qiáng)度40MPa.其它力學(xué)參數(shù):彈性模量7.5GPa,泊松比0.3,黏聚力1.5MPa,內(nèi)摩擦角30°.錨索采用Cable單元模擬,其物理力學(xué)參數(shù):彈性模量200GPa,直徑18mm,拉斷力350kN,每米錨索的黏結(jié)剛度為0.2GN/m,黏結(jié)強(qiáng)度350kN/m,樹(shù)脂錨固,錨固長(zhǎng)度1.5m.錨索布置的基本模型:預(yù)應(yīng)力200kN,錨索長(zhǎng)度7m,排距2.0m,每排布置2根錨索,間距2.0m,垂直頂板布置.然后,在基本模型的基礎(chǔ)上,改變各個(gè)參數(shù),分析應(yīng)力場(chǎng)分布特征與變化規(guī)律.1.2模擬方案(1)錨預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)的影響將錨索預(yù)應(yīng)力分別設(shè)為50,100,150,200,250,300kN進(jìn)行計(jì)算.(2)提交長(zhǎng)度的影響長(zhǎng)度分別為4,5,6,7,8,10m時(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài).(3)錨索根數(shù)的影響模擬每排錨索數(shù)為1,2,3,4根時(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài).(4)錨定距離的影響排距分別為1.0,1.5,2.0,2.5,3.0m的應(yīng)力分布狀態(tài).(5)錨距離的影響模擬錨索與垂線的角度為0,5,10,15,20,30°的應(yīng)力分布狀態(tài).2錨索支護(hù)的應(yīng)力分布模擬錨索預(yù)應(yīng)力從50~300kN(間隔50kN)形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布.圖1(a)為預(yù)應(yīng)力50kN,垂直巷道軸線截面垂直應(yīng)力分布.錨索尾部附近出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大壓應(yīng)力達(dá)0.18MPa.隨著深入頂板遠(yuǎn)離錨索尾部,壓應(yīng)力迅速減小.至錨索長(zhǎng)度的1/6處,壓應(yīng)力減小到0.02MPa.在錨索長(zhǎng)度一半的范圍內(nèi)形成了應(yīng)力值大于0.01MPa的壓應(yīng)力區(qū),之上為應(yīng)力很小的近零應(yīng)力區(qū).在錨索錨固起始端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,但應(yīng)力集中程度與范圍都比較小.在錨索錨固端出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),但應(yīng)力值很小.圖1(b)為預(yù)應(yīng)力50kN,平行于巷道軸線、在距頂板0.4m高度水平截面垂直應(yīng)力分布.錨索附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中,隨著遠(yuǎn)離錨索位置,壓應(yīng)力逐漸減小,很快降低到0.01MPa.兩根錨索之間有效壓應(yīng)力區(qū)(壓應(yīng)力大于0.02MPa的區(qū)域)小,而且相互獨(dú)立,沒(méi)有連成整體.兩根錨索之間中部應(yīng)力值很小,出現(xiàn)較大范圍的近零應(yīng)力區(qū),在此區(qū)域,錨索幾乎無(wú)支護(hù)作用.在巷道頂角附近出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力區(qū),但應(yīng)力值很小.可見(jiàn),由于錨索預(yù)應(yīng)力低,導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力值小,形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍小,有效壓應(yīng)力區(qū)孤立分布,沒(méi)有連成整體.近零應(yīng)力區(qū)范圍大,錨索支護(hù)在近零應(yīng)力區(qū)幾乎沒(méi)有加固圍巖的作用.圖1(c)為預(yù)應(yīng)力200kN,垂直巷道軸線截面垂直應(yīng)力分布.錨索尾部附近出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大壓應(yīng)力達(dá)0.72MPa.隨著深入頂板遠(yuǎn)離錨索尾部,壓應(yīng)力逐漸減小.至錨索長(zhǎng)度的1/5處,壓應(yīng)力減小到0.06MPa.在錨索長(zhǎng)度一半左右的范圍內(nèi)形成了應(yīng)力值大于0.04MPa的壓應(yīng)力區(qū),有效壓應(yīng)力區(qū)覆蓋了錨索自由段作用的整個(gè)范圍,近零應(yīng)力區(qū)大幅度縮小.在錨索錨固起始端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力集中程度與范圍比預(yù)應(yīng)力50kN時(shí)明顯增大.在錨索錨固端出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),應(yīng)力值有所增加,但總體較小.圖1(d)為預(yù)應(yīng)力200kN,平行于巷道軸線、在距頂板0.4m高度水平截面垂直應(yīng)力分布.錨索附近應(yīng)力集中明顯,隨著遠(yuǎn)離錨索位置,壓應(yīng)力逐漸減小.但每根錨索產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)明顯擴(kuò)大,相互靠近.即使在兩根錨索中部,也出現(xiàn)了一定數(shù)值的壓應(yīng)力,對(duì)錨索之間的圍巖起到一定的支護(hù)作用.3錨索參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)場(chǎng)的影響3.1錨索長(zhǎng)度對(duì)錨索支護(hù)作用的影響圖2為不同錨索長(zhǎng)度形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布(錨索預(yù)應(yīng)力為200kN).由圖2可看出:①隨著錨索長(zhǎng)度增加,有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加,表明錨索主動(dòng)支護(hù)作用的范圍不斷擴(kuò)大;但在寬度方向上變化不明顯,而且隨著錨索長(zhǎng)度增加有減小的趨勢(shì).②隨著錨索長(zhǎng)度增加,錨索長(zhǎng)度中部及以上部分的壓應(yīng)力逐步減小,表明錨索對(duì)中部及上部圍巖的支護(hù)作用不斷減小.③隨著錨索長(zhǎng)度增加,兩錨索之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐步減小,表明錨索對(duì)其間圍巖的支護(hù)作用不斷減小.可見(jiàn),在預(yù)應(yīng)力一定的條件下,錨索越長(zhǎng),錨索預(yù)應(yīng)力的作用越不明顯,主動(dòng)支護(hù)性越差.因此,可得出以下結(jié)論:①當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí),短錨索的主動(dòng)支護(hù)作用優(yōu)于長(zhǎng)錨索.②錨索越長(zhǎng),施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大,才能充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用.③通過(guò)提高錨索的預(yù)應(yīng)力,可適當(dāng)減少錨索長(zhǎng)度.④根據(jù)目前錨索預(yù)應(yīng)力水平(80~150kN),錨索不宜過(guò)長(zhǎng),選擇在4~6m比較合理.3.2錨索抗應(yīng)力分析圖3為每排1,3,4根錨索時(shí)形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布(錨索預(yù)應(yīng)力為200kN),2根錨索時(shí)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖1(c)所示.由圖3可看出:①在一定預(yù)應(yīng)力條件下,單根錨索在其周圍形成了類似“心”形的壓應(yīng)力分布區(qū)域,壓應(yīng)力在錨索尾部附近最大,錨固起始處附近次之,錨索自由段中部較小.錨索錨固段附近出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),但拉應(yīng)力值很小.②隨著每排錨索根數(shù)增加,單根錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大,并連成一體,近零應(yīng)力區(qū)逐漸消失,形成類似“鼓”形的整體支護(hù)結(jié)構(gòu),錨索預(yù)應(yīng)力及主動(dòng)支護(hù)作用擴(kuò)散到大部分錨固區(qū)域.③當(dāng)每排錨索數(shù)增加到一定程度,再增加密度,對(duì)有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大、錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用的影響變得不明顯.3.3單根錨索合理排距圖4為不同排距錨索形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布(預(yù)應(yīng)力為200kN),由圖4可看出:①當(dāng)錨索排距較大時(shí),每根錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)彼此孤立,錨索之間及錨索長(zhǎng)度中部的壓應(yīng)力值較小,錨索的主動(dòng)支護(hù)作用不明顯.②隨著錨索排距縮小,單根錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大,并沿巷道軸線方向連成一體.③當(dāng)錨索排距縮小到一定程度,再縮小排距,對(duì)有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大、錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用的影響變得不明顯.3.4錨索預(yù)應(yīng)力概述當(dāng)預(yù)應(yīng)力為200kN,錨索與垂線呈5,15,30°時(shí),預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示.錨索垂直布置時(shí)的應(yīng)力分布如圖1(c)所示.由圖5可看出:(1)當(dāng)錨索垂直布置時(shí),兩根錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接與疊加,在頂板形成厚度較大的壓應(yīng)力區(qū),錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散與疊加效果最好.(2)隨著錨索角度增加,每根錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)逐步減小、分離,疊加區(qū)域越來(lái)越小.錨索長(zhǎng)度中上部、錨索之間的壓應(yīng)力變得很小.當(dāng)錨索角度達(dá)到10°時(shí),兩根錨索尾部形成的高壓應(yīng)力區(qū)明顯分離.繼續(xù)加大錨索角度,高壓應(yīng)力區(qū)分開(kāi)的更遠(yuǎn),且錨索角度達(dá)到15°時(shí)頂板表面中部出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū).(3)當(dāng)錨索角度達(dá)到30°時(shí),錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)變得很小,而且彼此孤立,拉應(yīng)力區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,錨索的主動(dòng)支護(hù)作用大大削弱.可見(jiàn),在考慮錨索預(yù)應(yīng)力的條件下,在近水平煤層巷道中,頂板錨索最好垂直布置.如考慮施工需要一定的角度,最大角度不應(yīng)超過(guò)10°.3.5錨索組合構(gòu)建的優(yōu)點(diǎn)兩根錨索采用鋼梁組合在一起時(shí)的應(yīng)力分布如圖6所示.與無(wú)組合構(gòu)件相比(圖1(c)),可發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)無(wú)組合構(gòu)件時(shí),錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)在錨索尾部是彼此獨(dú)立的.在頂板表面附近,有效壓應(yīng)力區(qū)呈圓形分布,相互不連接,錨索之間的壓應(yīng)力很小,預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍小,錨索不能有效支護(hù)其間的圍巖.(2)有組合構(gòu)件時(shí),錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)在沿組合構(gòu)件長(zhǎng)度方向上顯著擴(kuò)大.在頂板表面附近,有效壓應(yīng)力區(qū)呈橢圓形分布,彼此相互連接,形成連續(xù)的有效壓應(yīng)力帶,預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍大,錨索能有效支護(hù)其間的圍巖.(3)組合構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了錨索預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散,顯著提高了對(duì)錨索之間圍巖的支護(hù)作用,整體支護(hù)效果明顯改善.4錨索的選擇、支護(hù)作用(1)提出錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的概念.基于零原巖應(yīng)力場(chǎng)的錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)模擬分析方法,可清楚地計(jì)算分析錨索預(yù)應(yīng)力及其它參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的影響、分布特征與規(guī)律.(2)錨索預(yù)應(yīng)力比較小時(shí),錨索引起的壓應(yīng)力小,有效壓應(yīng)力區(qū)小,分布孤立;錨索預(yù)應(yīng)力比較大時(shí),錨索產(chǎn)生的應(yīng)力大,在錨索自由段長(zhǎng)度范圍內(nèi),形成了相互連接成一片的、疊加的有效壓應(yīng)力區(qū).(3)當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí),短錨索的主動(dòng)支護(hù)作用優(yōu)于長(zhǎng)錨索;通過(guò)提高錨索預(yù)應(yīng)力,可適當(dāng)減小錨索長(zhǎng)度;錨索越長(zhǎng),施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大.根據(jù)目前錨索預(yù)應(yīng)力水平,錨索不宜過(guò)長(zhǎng),選擇在4~6m比較合理.(4)單根錨索在其周圍形成了類似“心”形的壓應(yīng)力分布區(qū)域.隨著錨索密度增加,單根錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大,