充填型断层破碎岩体锚固力学特性研究.pdf

硕士学位论文 充填型断层破碎岩体锚固力学特性研究 Study on the Anchorage Mechanical Properties of Filling Fault Fracture Rock Mass 国家重点基础研究发展计划（ 973项 目 （ 2013CB036003 资助 国家自然科学基金项目（ 51374198 资助 作 者 赵洪辉 导 师 靖 洪 文 教 授 中国矿业大学 二〇一五年六月 万方数据 中图分类号 TD353 UDC624. 1 学校代码 10290 密 级 公开 中 国 矿 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 充填型断层破碎岩体锚固力学特性研究 Study on the Anchorage Mechanical Properties of Filling Fault Fracture Rock Mass 作 者赵洪辉 申 请 学 位 工学硕士学位 学科专业 岩土工程 答辩委员会主席 导 师 靖洪文教授 培养单位力学与建筑工程学院 研 究 方 向 地下工程稳定控制 评 阅 人 吕 爱 钟 、茅献彪 二〇_ 五年六月 万方数据 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的 部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案 馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校 内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 年 月 日 导师签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书 研 究 生 赵 洪 辉 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经 审阅 ，论文中的观点、数 据 、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合 学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢 本论文是在靖洪文教授的悉心指导、精心点拨、热忱鼓励下完成的。论文的选题、 规划以及撰写过程中导师都给予我不懈的支持。师从三载，收获颇丰，感触良深，靖老 师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开阔的学术视野，精益求精的工作作风，勇于探 索不断创新的精神给学生树立了良好的榜样，同时也是导师传授给学生最为宝贵的财富。 师恩如海，万难言表，值此论文完成之际，向靖老师表示崇高的敬意和衷心的感谢感 谢他在学术上给我的坚实指导，感谢他在生活中给我的鼎力相助，感谢他在人生中给我 树立的永恒灯塔。 论文选题和撰写过程中， 得到李元海教授、 杨圣奇教授、 蒋賦松教授、 韩立军教授、 周钢高工、 陈坤福副教授、 许国安副教授、 张强副教授、 张后全副教授、 尉立元副教授、 王迎超副教授、盂波老师、戚靖骅老师、齐燕军老师的指导，在此表示衷心的感谢 感谢课题组苏海健博士、丁书学博士、尹乾博士、武德决博士、范氏娴博士、杜明 瑞博士、董晓硕士、朱谭谭硕士、陈敏亮硕士、李健硕士、潘兵硕士、徐锡硕士、张江 雄硕士、吴兴杰硕士、韩观胜硕士、熊飞硕士等在论文试验和生活中给予作者的关心和 帮助 感谢所有在生活上、学习上给予帮助的师兄弟、舍友及同学 感谢实验室所有给予 帮助的老师和同学 最后，感谢含辛茹苦培养我长大成人的父母，外地求学数载，是他们一直在背后默 默地支持我鼓励我，这份亲情是支撑我不懈奋斗的动力。今后，我会倍加努力，不辜负 他们的期望，也愿他们身体安康，万事顺心 感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的审阅与指教 万方数据 摘 要 断层是一类在地层中常见的地质构造体，其断裂面附近往往存在一个整体强度较低、 稳定性较差的软弱破碎带，严重威胁工程施工安全。本文以淮南矿区顾北煤矿断层破碎 带为研宄背景，采用不同胶结料、不同粒径骨料、不同预紧力及不同锚固方式物理模型 试验及数值模拟计算研宄了锚固体强度及其变形特征的演化规律。并进一步分析了矩形、 拱 形 巷 道 组 合 拱 （ 梁 ）的形成条件，建立了巷道失稳判别依据。主要研宄成果如下 1随着模型骨料粒径或胶结材料强度的增大，断层破碎岩体的力学参数均呈现 出逐渐增大的趋势。对比完整岩体，其弹 性模 量的 劣化 程度最为 显著（7 8 .8 2，内摩 擦 角 的 劣 化 程 度 最 弱 （2 5 .2 1。 2随着锚固预紧力、骨料级配或胶结强度的逐渐增大，断层岩体的峰值强度及 弹性模量均呈现出逐渐增大的趋势；模型按无锚一端锚一全锚锚固顺序变化时，岩体的 峰值强度及弹性模量均逐渐增大。 3 各影响因素对岩体强度影响的主次顺序为胶结强度骨料粒径锚固预紧力 锚固方式。锚固模型内锚杆轴力随时间的变化曲线主要包括稳定阶段、增长阶段、屈服 阶段及峰后阶段。 4采用数值软件扩展研宄了锚杆密度及侧向围压对岩体强度的影响规律，从模 型内部空间应力分布特征切入分析了锚杆的作用机制。距锚杆较近时，锚固应力值从两 端向中间呈现出对称减小的变化规律；而距锚杆较远时，锚固应力值从两端向中间呈现 出对称增大的变化规律。 5随着锚杆密度的减小、锚杆预紧力的增大或托盘尺寸的增大，锚杆作用组合 拱的厚度呈现出逐渐增大的趋势。非线性拟合得到各控制因素对组合拱厚度的影响系数， 从而对锚固组合拱几何关系式进行修正。 6基于结构力学理论，探讨分析了矩形、拱 形 巷 道破 坏围 岩锚 固组 合 拱 （ 梁 ） 的承载能力，确定了巷道围岩失稳的判别依据，并成功应用于现场工程算例分析。 该论 文 有 图1 0 1幅，表1 6个 ，参 考 文 献1 2 1篇 。 关键词断层破碎岩；锚固应力场；锚固组合拱；力学特性；强度敏感度 I 万方数据 Abstract F a u l t is a k in d of c om m on l y g e ol og ic a l s tru c tu re in th e stra tu m, an d th e re is u s u a l l y a w e a k fra c tu re zo n e n e a r it ， s fra c tu re surface. T h e w e a k fra c tu re zo n e has l ow ov e ra l l s tre n g th and p oor s ta b il ity , an d th a t causes se rio u s th re a t to th e sa fe ty of p roje c t c o n s tru c tio n . W ith th e b a c k g rou n d of g u b e i co a l fa u l t fra c tu re zo n e of h u a in a n m in in g area, th is pa p e r stu d ie s th e s tre n g th a n d th e d e a tion c h a ra c te ris tic s of a n ch o ra g e roc k mass th rou g h p h y s ic a l mo d e l tests d iffe re n t c e m e n tin g ma te ria l s , d iffe re n t a g g re g a te g ra d a tio n , d iffe re n t a n ch o ra g e forc e and d iffe re n t a n ch o ra g e w a y s an d n u m e ric a l s im u l a tion c a l c u l a tion . T h e a tion c on d ition s of c om b in e d a rc h b e a m of re c ta n g u l a r tu n n e l a n d a rch tu n n e l has be en a n a l yse d fu rth e r, an d th e d is tin g u is h in g ru l e s of tu n n e l u n s ta b il ity has be en e sta bl ished . T h e ma in re s u l ts are as fol l ow s A c c ord in g to th e c om p l e x an d ch a n g e a b l e c h a ra c te ris tic s of fa u l t s tru c tu re in m in in g area a tion , th is p a p e r stu d ie s o n a n ch o ra g e me c h a n ic a l p ro p e rtie s of fra c tu re roc k mass u n d e r a v a rie ty of c on d itio n s . R e s u l ts are as fol l ow s 1 A s th e a g gre gate size or th e c e me n tin g ma te ria l s tre n g th increases, th e me c h a n ic a l p a ra me te rs of fa u l t fra c tu re roc k a l l pre se n t a g ra d u a l l y in cre a se tre n d . C o mp a re d w ith th e c o mp l e te roc k mass, th e c ra c k in g degree of m o d u l u s of fa u l t fra c tu re roc k is th e mo s t s ig n ific a n t 7 8 .8 2 , an d th e c ra c k in g degree of in te rn a l fric tion a n g l e of fa u l t fra c tu re roc k is th e w e a k e s t 2 5 .2 1 . 2 T h e p e a k s tre n g th an d e l a s tic m o d u l u s of fa u l t fra c tu re roc k b oth p re se n t a g ra d u a l l y in c re a s in g tre n d w ith th e in crea se of th e a n ch o ra g e fo rc e , a g g re g a te g ra d a tio n or c e me n ta tin g streng th. In a d d ition , w h e n th e a n ch o ra g e w a y of fra c tu re roc k changes as n o a n c h o r to end an cho r, fu l l l e n g th a n ch o ra g e , its p e a k s tre n g th an d e l a s tic m o d u l u s b oth in cre a se g ra d u a l l y . 3 T h e p rim a ry an d se co n d a ry sequence of th e e ffe c t of d iffe re n t te s tin g c on d ition s o n roc k mass s tre n g th is th a t c e me n ta tin g s tre n g th a g g re g a te g ra d a tio n a n c h o ra g e fo rc e a n c h o ra g e w a ys. T h e c u rv e of a n c h o r a x ia l fo rc e w ith tim e m a in l y in c l u d e s sta b l e stage, g row th stage, y ie l d stage an d th e stage a fte r peak . 4 T h rou g h n u m e ric a l so ftw a re , th e in fl u e n c e l a w for roc k s tre n g th caused b y a n ch o ra g e d e n s ity a n d l a te ra l pre ssure w a s stud ied . A n d th e a n ch o ra g e me c h a n is m w a s a n a l y s ie d th rou g h th e in te rn a l stress d is trib u tion c h a ra c te ris tic s of mo d e l . A s cl o se to th e an ch o r, th e a n ch o ra g e stress s y m m e tric a l l y decreases from b oth ends to th e m id d l e . A n d it s y m m e tric a l l y in crea ses from b oth ends to th e m id d l e as fa r from th e an ch o r. 5 A s th e a n ch o ra g e d e n s ity decreases, th e a n ch o ra g e forc e in cre a se s or th e p a l l e t size increases, th e th ic k n e s s of a n ch o ra g e c o m b in e d a rc h pre sen ts a g ra d u a l l y in cre a se tre n d . T h e II 万方数据 influence coefficient of the control factors to the combined arch thickness can be obtained th rou g h n on l in e a r fittin g . A n d w e can m od ify th e g e o me tric re l a tion of c o m b in e d a rch th ick n e ss. 6 B ase d o n th e th e ory of s tru c tu ra l me ch a n ics, th e b e a rin g c a p a c ity of c om b in e d a rch b e a m of re c ta n g u l a r tu n n e l an d a rch tu n n e l has be en a n a l ysie d . T h e d is tin g u is h in g ru l e s of tu n n e l u n s ta b il ity has be en esta b l ish e d , a n d it has been a p p l ie d to e n g in e e rin g case a n a l y s is . T h e pa p e r has s h o w n in 101 fig u re s , 16 ta b l e s an d 121 references. K e y w ord s fa u l t fra c tu re roc k ; a n ch o ra g e stress fie l d ; a n ch o ra g e c o mb in e d a rch ; me c h a n ic a l p ro p e rtie s ; s e n s itiv ity of roc k stre n g th III 万方数据 目 录 摘 要.............................................................................................................................................................I 目 录.........................................................................................................................................................IV 图清单......................................................................................................................................................VIII 表清单......................................................................................................................................................XIII 变量注释表.............................................................................................................................................XIV 1绪 论........................................................................................................................................................... 1 1 . 1研宄目的和意义............................................................................................................................................................. 1 1 . 2断层破碎岩体锚固力学特性研宄现状......................................................................................................... 2 1 . 3研宄内容及技术路线..................................................................................................................................................8 2充填型断层破碎岩体力学特性试验研究.................................................................................... 10 2 . 1断层破碎岩体相似模型的研制....................................................................................................................... 11 2 . 2试验系统.............................................................................................................................................................................16 2 . 3原岩力学特性研宄.....................................................................................................................................................17 2 . 4不同骨料级配下断层岩体力学特性研宄.................................................................................................2 0 2 . 5不同胶结材料下断层岩体力学特性研宄.................................................................................................2 7 2 . 6本章小结.............................................................................................................................................................................34 3充填型断层破碎岩体锚固模型试验研宄.................................................................................... 36 3 . 1试验系统的研制...........................................................................................................................................................36 3 . 2不同锚固预紧力下模型锚固特性试验研宄........................................................................................... 4 0 3 . 3不同骨料级配下模型锚固特性试验研宄.................................................................................................4 6 3 . 4不同胶结材料下模型锚固特性试验研宄.................................................................................................52 3 . 5不同锚固方式下模型锚固特性试验研宄.................................................................................................58 3 . 6不同试验工况敏感性分析....................................................................................................................................62 3 . 7本章小结.............................................................................................................................................................................65 4充填型断层破碎岩体锚固特性数值模拟研宄...............................................................................................67 4 . 1数值模型的建立...........................................................................................................................................................67 4 . 2锚杆密度对岩体锚固效果的影响分析.......................................................................................................68 4 . 3侧向围压对岩体锚固特性的影响分析.......................................................................................................76 4 . 4断层破碎岩体稳定控制机制分析..................................................................................................................80 4 . 5本章小结.............................................................................................................................................................................92 IV 万方数据 5结论与展望............................................................................................................................................94 5 . 1结 论........................................................................................................................................................................................94 5 . 2展 望........................................................................................................................................................................................95 参考文献.....................................................................................................................................................97 作 简 历...................................................................................................................................................103 学位论文原创性声明...........................................................................................................................105 学位论文数据集.....................................................................................................................................106 V 万方数据 Contents Abstract.......................................................................................................................................................II Contents......................................................................................................................................................VI List of Figures....................................................................................................................................... VIII List of Tables..........................................................................................................................................XIII List of Variables....................................................................................................................................XIV 1 Introduction.............................................................................................................................................1 1. 1 R e sea rch P u rp o s e an d M e a n in g .............................................................................................................................. 1 1.2 P rese nt R e se a rch S tatus o n th e A n c h o ra g e M e c h a n ic a l P ro p e rtie s of F a u l t F ra c tu re R oc k M a s s ....................................................................................................................................................................................... 2 1.3 R e sea rch C o n te n ts an d T e c h n ic a l R ou te ........................................................................................................... 8 2 Experimental Studies on the Mechanical Properties of Filling Fault Fracture Rock Mass..............................................................................................................................................................10 2.1 S im il a r M od e l D e v e l op m e n t of F a u l t F ra c tu re R oc k M a s s ..............................................................11 2 .2 T e s tin g S y s te m ..................................................