锚固体力学特性及影响因素的模拟研究.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 锚固体力学锚固体力学特性特性及影响因素的模拟研究及影响因素的模拟研究 Simulation Study on Mechanical Perances and Affecting Factors to Bolted Rock Mass 研研 究究 生生 王王 洋洋 导导 师师 林林 健健 研究员研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道矿压理论与支护技术巷道矿压理论与支护技术 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 4 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 本文以巷道锚固体力学特性为研究对象，采用理论分析、数值模拟、相似模拟试 验相结合的方法，对巷道开挖和锚杆预紧力引起的锚固体力学特性进行研究。研究内 容包括锚固体力学特性的理论分析和数值模拟计算； 巷道开挖后围岩应力场及位移场 的相似模拟试验；及锚固体在不同围压条件下，锚杆预紧力对锚固体应力场的影响。 论文主要得出以下研究成果 （1）文中提出了锚固体内部任意一点主应力计算式，得出影响锚固体内部应力 场形态的关键参数； （2）巷道开挖后锚固体轴向应力场整体表现为拉应力状态，在边 界约束作用下横向应力场呈现为压应力状态； （3）锚固体内会形成 3－4 倍托盘宽度 的 瓶‖型有效压应力区， 分布于锚杆自由段附近块体内， 自由段前 1/2 区域应力值约 为最大压应力的 5－10，自由段中部区域应力值最小约为最大压应力的 1，自由 段尾部和锚固段交界区域为最大压应力的 5左右，锚杆尾部会形成小范围的椭球型 拉应力区域，随锚杆预紧力增大，该区域横向影响宽度减小，纵向长度增大，并向锚 固段中部移动； （4）锚固体内部在近锚区域 2-3 倍托盘宽度范围内形成一定的横向挤 压作用； （5）锚杆支护应力场应力值随锚杆预紧力增大而增大，同时锚固体应力场扩 散范围也不断增大， 但锚杆预紧力大小对锚固体应力场分布形态的影响作用不大；（6） 围压对锚杆支护应力场具有一定的削弱作用。 关键词关键词锚固体；力学特性；锚杆支护应力场；预紧力；有效压应力区；横向挤压效 应； 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract This paper focuses on the mechanics properties of bolted rock mass of the tunnel, combined with the s of theoretical analysis, numerical simulation and analogy simulation tests, makes in-depth study of the mechanics properties which is caused by pretension-bolt. research contents include analogy simulation and numerical simulation on mechanical perances, analogy simulation to focuses on the distribution of the rock stress field and displacement field after the excavation, and under different confining pressure, the impact which the bolt pretension produced to bolted rock mass stress field. Mains conclusions 1 This paper presents the main stress calculation at any point of bolted rock mass, and obtains the key parameters affecting the shape of the anchored-body supporting stress field;2 After the excavation, the anchored-body radial stress field is in the tensile stress state,and the lateral stress field is in the compressive stress condition on account of the bounded constraint;3 The area nearing the bolt of the anchored-body will a “bottle“ type effective compressive stress area which is about 3-4 times width of the tray. The stress in the front 1/2 of the free-section accounts for about 5 -10 of the maximum compressive stress，the minimum stress in the middle of the free-section occupies for about 1, And the stress in the boundary part between the back of the free-section and the anchored-section is about 5; The tail of the bolt will a ellipsoid shape of tensile stress region in a small range, with the bolt preload increases, the lateral width of the zone is reduced while the longitudinal length increases also with a movement to the central anchored-section; 4A certain lateral squeezing action was produced within the range of 2-3 times the width of the tray nearing the anchored-area by the bolt; 5 The stress value of the anchored-body supporting stress field increasing as the bolt preload increases, meanwhile the diffusion range of anchored-body’s stress field is also increasing, but the distribution shape of anchored-body stress field is not affected by the bolt pretension;6The confining pressure has a certain weakening effect on the anchored- body supporting stress field. Key words Bolted rock mass； Mechanics perance； Bolting stress field; Pretension; Effective stress areas; Lateral compressive effect. 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 ..................................................................1 1.1 选题意义 ........................................................1 1.2 研究现状 .........................................................2 1.2.1 锚杆支护相似模拟试验研究 ......................................2 1.2.1.1 锚固体模型块试验研究 ........................................2 1.2.1.2 巷道相似材料模拟试验研究 .....................................3 1.2.2 巷道围岩应力场试验研究现状 .....................................3 1.2.2.1 锚固体应力场分布实验室研究 ...................................3 1.2.3 锚固体力学特性研究 .............................................6 1.2.3.1 锚固体弹性模量 E 变化特性 .....................................6 1.2.3.2 锚固体粘聚力 C 以及内摩擦角 φ 变化特性 ........................8 1.2.3.3 锚固体岩体强度改变特征 .......................................8 1.2.3.4 锚固体的变性破坏特性 .........................................9 1.3 存在问题 ........................................................10 1.4 主要研究内容 ....................................................11 1.5 研究方法及技术路线 ..............................................12 1.5.1 研究方法 ......................................................12 1.5.1.1 理论分析 ....................................................12 1.5.1.2 实验室试验 ..................................................12 1.5.2 技术路线 ......................................................14 2 锚固岩体力学特性理论分析 .............................................15 2.1 锚固岩体预应力扩散力学模型建立 .................................15 2.2 托锚力力学效应计算模型 .........................................16 2.3 锚固段侧阻力学效应计算模型 .....................................19 2.4 锚固体预应力扩散效应力学计算公式 ...............................25 2.5 本章小结 ........................................................26 3 锚固体力学特性数值模拟分析 ...........................................27 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 3.1 数值模拟方案 ...................................................27 3.1.1 模拟方案 ......................................................27 3.1.2 模型建立 ......................................................27 3.1.3 边界条件 .....................................................28 3.1.4 材料性能及参数选取 ...........................................29 3.2 锚固体轴向应力场 ................................................29 3.2.1 空载条件下锚固体轴向应力场 ...................................29 3.2.2 开挖条件下锚固体轴向应力场 ...................................32 3.3 锚固体横向应力场 ................................................36 3.3.1 空载条件下锚固体横向应力场 ....................................36 3.3.2 开挖条件下锚固体横向应力场 ...................................38 3.4 本章小结 ......................................................42 4 锚固体力学特性相似模拟试验设计 .......................................43 4.1 试验设计 .......................................................43 4.1.1 相似模块设计 .................................................43 4.1.2 模型相似定律 ..................................................44 4.1.3 支护构件选取 ..................................................44 4.1.4 水泥砂浆配比试验 .............................................45 4.1.5 模块制作 ......................................................46 4.1.6 数据采集系统设计 ..............................................47 4.1.7 边界条件设计 .................................................49 4.1.8 加载方式 .....................................................49 4.2 试验准备工作 ...................................................50 4.2.1 可锚性试验 ...................................................50 4.2.2 模块单轴压缩试验 .............................................52 4.3 试验步骤 .......................................................54 4.4 本章小结 ........................................................55 5 开挖相似模拟试验分析 .................................................56 5.1 横向加载锚固体开挖轴向力学效应分析 ..............................56 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III 5.1.1 围压 1.1MPa 开挖轴向力学效应 ..................................56 5.1.2 围压 3.3MPa 开挖轴向力学效应 ...................................58 5.1.3 围压 5.5MPa 开挖轴向力学效应 ...................................61 5.1.4 横向加载轴向开挖效应综述 ......................................62 5.2 横向加载锚固体开挖横向力学效应分析 .............................63 5.2.1 围压 1.1MPa 开挖横向力学效应 ...................................63 5.2.2 围压 3.3MPa 开挖横向力学效应 ...................................64 5.2.3 围压 5.5MPa 开挖横向力学效应 ...................................66 5.2.4 横向加载横向开挖效应 ..........................................67 5.3 纵向加载锚固体开挖轴向力学效应 ..................................68 5.3.1 围压 1.1MPa 开挖轴向力学效应 ...................................68 5.3.2 围压 3.3MPa 开挖轴向力学效应 ...................................70 5.3.3 围压 5.5MPa 开挖轴向力学效应 ...................................71 5.3.4 纵向加载横向开挖效应 ..........................................73 5.4 纵向加载锚固体开挖横向力学效应 .................................73 5.4.1 围压 1.1MPa 开挖横向力学效应 ..................................73 5.4.2 围压 3.3MPa 开挖横向力学效应 ...................................75 5.4.3 围压 5.5MPa 开挖横向力学效应 ...................................76 5.4.4 纵向加载横向开挖效应 ..........................................78 5.5 试验误差分析 ....................................................78 5.6 本章小结 .......................................................79 6 锚杆支护应力场试验分析 ...............................................80 6.1 锚固体轴向应力场 ................................................81 6.1.1 空载条件下锚固体轴向应力场 ...................................81 6.1.2 横向加载围压 1.1MPa 锚固体轴向应力场 ...........................83 6.1.3 横向加载围压 3.3MPa 锚固体轴向应力场 ..........................86 6.1.4 横向加载围压 5.5MPa 锚固体轴向应力场 ..........................89 6.1.5 纵向加载围压 1.1MPa 锚固体轴向应力场 ..........................92 6.1.6 纵向加载围压 3.3MPa 锚固体轴向应力场 ..........................94 煤炭科学研究总院硕士学位论文 IV 6.1.7 纵向加载围压 5.5MPa 锚固体轴向应力场 ..........................97 6.1.8 锚杆轴向支护应力场 ...........................................99 6.2 锚固体横向应力场 ..............................................102 6.2.1 空载条件下锚固体横向应力场分布 ..............................102 6.2.2 横向加载围压 1.1MPa 锚固体横向应力场 .........................104 6.2.3 横向加载围压 3.3MPa 锚固体横向应力场 .........................106 6.2.4 横向加载围压 5.5MPa 锚固体横向应力场 .........................108 6.2.5 纵向加载围压 1.1MPa 锚固体横向应力场 .........................111 6.2.6 纵向加载围压 3.3MPa 锚固体横向应力场 .........................114 6.2.7 纵向加载围压 5.5MPa 锚固体横向应力场 .........................116 6.2.8 锚杆横向支护应力场 ..........................................118 6.3 本章小结 .......................................................120 7 结论与展望 ..........................................................122 7.1 主要结论 ......................................................122 7.2 展望与讨论 ....................................................123 参考文献 ..............................................................125 致谢 ..................................................................129 附件 ..................................................................130 1 参与科研项目 .....................................................130 2 硕士研究生阶段发表的论文 ........................................130 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 选题意义选题意义 锚杆作为一种巷道支护方式最早可追溯到 20 世纪初期， 直到 20 世纪中叶人们开 始在地下工程中大量使用锚杆，随后此种支护方式在煤矿等地下工程中发展迅速，成 为一种有效且应用广泛的支护方式[1-2]。我国煤矿多以井工开采为主，需要大量开掘 巷道。因此，深入完善巷道支护理论对煤炭行业安全生产具有重要意义[3-4]。 巷道开挖是指将被开挖体从煤岩体中挖除进而形成巷道空间的过程 [5,6]。 J.A.Hudson 和 J.P.Harrison[6]认为开挖过程使开挖面岩体产生位移并运动；在无支护开 挖面上不存在正应力和剪应力，开挖边界一定是主应力面，而其中的一个主应力是开 挖面的正应力，其应力值为零，这将对初始应力场的大小和方向产生扰动；在开挖边 界上，任何存在于岩体的原岩应力将降低为零。这些开挖效应主要是由于开挖过程中 围岩体的卸荷引起，巷道开挖后原岩应力由三向应力状态，转向二向应力状态并将产 生一个自由面，在二次应力场中，一般表现为切向应力加载，轴向应力卸载[7-13]。 锚杆支护实质为一种围岩加固方式，其主要目的是维持或提高岩体的整体属性， 使岩体成为自我支撑体[5]。锚杆的加固作用主要表现为控制锚固区域围岩的离层、滑 动及裂隙扩大张开等扩容变形与破坏， 使围岩处于受压状态从而抑制巷道围岩变形及 破坏现象的出现，且能够最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区围岩强度 的降低，使围岩成为承载主体[1-2]。锚杆支护的工作机制主要是限制围岩变形发展， 对围岩提供支护抗力；另外通过调整围岩中的应力状态，提高围岩稳定性[14-18]。 虽然煤矿锚杆支护加固机理的研究发展到一定程度， 但在众多学者所涉及相关研 究工作中，所设定的边界条件与煤矿井下边界条件具有一定的差异性。故本论文采用 实验室相似模拟试验，模拟煤矿井下巷道开挖后的巷道锚固体，并得出锚固体的应力 场分布情况及其变形特性，从而进一步完善锚杆支护机理，对煤矿巷道进一步丰富锚 杆支护理论具有重要意义。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 1.2 研究现状研究现状 1.2.1 锚杆支护相似模拟锚杆支护相似模拟试验试验研究研究 关于锚杆支护相似模拟实验， 国内外学者主要通过选用不同的相似材料来模拟岩 体和锚杆，并从不同角度对锚杆加固机理等进行研究[27]。 1.2.1.1 锚固体模型块试验研究锚固体模型块试验研究 （1）锚固机理实验室研究 郭映龙等[28, 29]以水泥砂浆和大理石作为相似材料模拟锚固体， 通过三轴压缩试验 结合有限元法计算给出了岩体的锚固机制。 朱敬民等[27, 29]通过对单轴和三轴压缩条件 下岩石和锚杆组合材料的变形和强度特性的研究， 指出锚杆影响区内围岩具有正效异 性特性。Kilic[30,69,60]等通过实验室试验研究了锚杆形状对锚杆抗拔能力的影响，得出 锚杆与灌浆体接触面的失效位置，并给出了致使锚杆失效的最大屈服载荷； Benmokrane 等[30,71,72]进行了锚固长度、 灌浆用水泥砂浆的水灰比及添加剂对钢绞线和 螺纹钢抗拔承载力影响试验，以及玻璃纤维锚杆的锚固特性试验，指出玻璃纤维锚杆 比钢锚杆更容易产生滑移；Jeng[30,74]等利用模型试验研究了直接施加拉力和预应力下 条件下的带扩孔锚杆的锚固机理。 （2）锚固节理岩体实验室研究 葛修润和刘建武[27, 31, 32]通过室内模型实验研究着重探讨了锚杆对节理面抗剪性 能的影响，并通过理论分析给出了锚杆最佳安装角的计算公式；G.Grasselli[2]采用大 型模块剪切试验，给出了全长锚固锚杆和 Swellex 锚杆加固时岩体的不同破坏特性。 A.M.Ferrero 使用混凝土和花岗岩试件进行了防洪堤剪切试验，指出对锚杆施加预应 力能有效减小节理位移。 温进涛[30, 33]等通过室内模型试验研究了含结构面岩体的锚索 锚固机理， 试验对不同锚索安装角和不同结构面粗糙度条件下的锚索抗剪性能进行了 研究； 陈安敏[30, 34]等利用相似模型试验对预应力锚索对块状岩体的加固效应及其主要 影响因素进行了研究，并分析了锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响； Spang[75]等通过实验室剪切试验对节理岩体中锚杆的作用方式进行了研究。 另外，模块试验还广泛应用于加锚系统的荷载传递机理研究，锚杆系统对岩体的 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 加固作用机理研究以及施加预应力的加固效果研究等。 1.2.1.2 巷道相似材料模拟试验研究巷道相似材料模拟试验研究 朱德仁等[35]通过相似材料模拟试验，分析了工字钢梯形支架、锚杆群支护和钢带 组合锚杆支护条件下巷道煤帮的变形破坏特征， 以及水平应力对巷道煤帮变形破坏的 影响。郜进海[36]等运用相似模拟试验对动压巷道围岩裂隙的演化过程进行了研究，为 选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了理论依据。 王勇[37]利用相似模拟试验对 在双巷布置的条下，回采过程中巷道锚杆支护的稳定性进行了研究。 从现有的实验室研究工作来看,锚杆相似模拟试验研究大致可分为两类， 即岩体模 块试验和试验台试验。岩体模块试验主要研究锚杆抗拉性能、锚杆抗剪性能、节理对 锚杆支护效果的影响以及锚固体锚固机理等问题， 而岩体模块试验研究主要侧重于在 于岩体自身的力学特性方面的研究； 而试验台试验主要用于研究巷道用锚杆支护后围 岩变形形态、破坏特征以及巷道顶底板稳定性研究。 1.2.2 巷道围岩应力场试验研究现状巷道围岩应力场试验研究现状 预应力锚杆能使围岩充分发挥其自身承载力，并可根据围岩的实际情况，有效改 造软弱破碎及不稳定岩体力学特性， 因此预应力锚杆是合理利用围岩固有承载力的有 效方法之一，预应力锚杆对围岩的整体加固作用主要表现在以下两点。 （1） 主动限制围岩变形发展，对围岩提支护阻力； （2） 调整围岩应力状态，提高围岩稳定性。 1.2.2.1 锚固体应力场分布锚固体应力场分布实验室实验室研究研究 关于锚固体应力场分布问题， 国内外学者已有所开展， 但多数都以解析方法为主， 存在很大的局限性。相比而言，相似模拟试验能更真实的模拟现场实际情况，并且能 更加直观的反映各参数的影响作用。 总参工程兵科研三所顾金才院士等[38]考虑锚杆长 度以及预应力大小不同的情况下， 采用相似模拟试验对均质体中单根预应力锚杆加固 范围的影响进行了。锚杆长度取为 80mm，120mm 和 160mm，预应力通过自行研制 的设备实现如图 1.1 和图 1.2，得出结论 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 （1） 如图 1.3 所示， 预应力锚固的岩体中的纵向应力和应变沿纵向均呈葫芦 状分布，而沿横向呈指数级衰减，随锚杆加长或预应力加大，这种分 布的不均性趋于加重； （2） 锚杆锚固范围呈现为上窄下宽鸭梨形，几乎不受预应力大小的影响。 最宽处位于中部偏下部位，其宽度约为锚杆长度的一半。锚杆越长， 锚固范围与锚杆长度的比值越小，见图 1.4； （3） 屈服破坏区首先出现在锚头和锚根附近，尤以锚根上部扩展更快，锚 根以下出现局部拉裂破坏区，但扩展速度缓慢，见图 1.5。 图图 1.1 模拟预应力锚杆结构图模拟预应力锚杆结构图 图图 1.2 试件示意图试件示意图 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 图图 1.3 不同不同锚杆锚杆预应力预应力应变变化曲线应变变化曲线 （（a））L＝＝80 （（b））L＝＝120 （（c））L＝＝160 图图 1.4 不同长度锚杆不同长度锚杆锚固范围锚固范围示意图示意图 图图 1.5 屈服破坏区分布示意图屈服破坏区分布示意图 该试验直观反应了锚固体应力场分布状况，但对于煤矿巷道加固来说，围岩只存 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 在一个自由面，而试验中制作的模块存在四个自由面，与井下围岩约束条件存在一定 差异。 顾金才等[39]还对锚索预应力在岩体内引起的应变状态进行了模型试验研究， 试验 中利用三种不同长度的锚索，以三种不同的角度安装在三种典型的岩体内，得出了应 变沿锚索分布状态曲线， 由试验得出锚索预应力分别在垫墩下方和内锚固段处产生应 力集中，且两个应力集中区与锚索长度、安装角度、吨位及岩体断层无关；在岩体内 锚索预应力随深度急速衰减， 在距岩体表面3倍垫墩底面尺寸处应力衰减至90以上； 锚索预应力在岩体表面的影响范围约为 11.5 倍垫墩底面边长。 1.2.3 锚固体力学特性研究锚固体力学特性研究 随着锚杆支护理论研究的深入， 国内外学者对锚固体力学性能的变化情况进行了 研究，主要应用于浅埋深不受采动影响的水利、隧道及边坡工程等，不同程度上探讨 了锚杆加固后岩石强度 σ、弹性模量 E、内摩擦角 υ 和岩石破坏特性等问题的变化特 性[40]，并取得了相应的研究成果。 相似模拟试验试验效果清楚直观，试验周期短、见效快，同时可以通过改变锚杆 支护参数得到不同的试验结果，易于对锚杆作用机理进行分析，现针对锚固体围岩力 学特性研究多数采用此方法进行研究[41]。 1.2.3.1 锚固体弹性模量锚固体弹性模量 E 变化特性变化特性 侯朝炯[42, 43] 利用相似模拟试验使围岩处于平面应变条件下，对非预应力全长锚 固锚杆的作用机理进行了研究， 对不同支护强度下的锚固体力学参数变化进行了分析， 并针对锚固体的破坏过程及破坏后锚杆的支护效果进行了分析。 模拟从巷道两帮或顶 板取出的锚固岩体，其尺寸大小可代表锚固体的一般状态。 试验采用平面应变加载方式，非加载面采用刚性约束，使试件的两侧接近平面应 变状态，且设有一个自由面，试验中采用常用的锚杆间排距布设锚杆，测定不同锚固 强度条件下锚固体力学参数的变化情况。 通过单轴试验和平面应变试验测出应力应变曲线如图 1.6，由曲线的弹性段求 出锚固体的弹性模量，见表 1.1。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 图图 1. 6 岩体变形应力应变曲线岩体变形应力应变曲线 表 1.1 不同锚杆布置密度的锚固体的弹性模量 E 研究指出，锚杆使锚固岩体体的弹性模量有较大程度提高，且随着锚杆密度的增 大而增大；锚固体处于弹性阶段时，锚杆（包括非预应力锚杆和预应力锚杆）的安装 会对围岩变形起到抑制作用。 邹志晖等[44]指出在软岩中布设锚杆，该岩体的弹性模量会有大幅度的增加；付宏 渊等[45]在研究岩体边坡加固效果的相拟模拟试验中， 通过对锚固体进行不同方向的单 轴加载得出，垂直加锚和水平加锚试件（见图 1.7）的弹性模量随着锚杆密度的增加 而增加，垂直加锚时试件的弹性模量比水平加锚时的弹性模量高