錨索預應力在巷道圍巖中形成的應力分布特征

錨索預應力在巷道圍巖中形成的應力分布特征

錨索具有最大的錨固固厚、強度高、設計能力強等特點，在巖石加固工程中得到廣泛應用。自1996年以來，中國在小直徑樹脂英桿斷裂的適應性錨索后，該條約在煤路中得到了廣泛應用，顯著擴大了樁桿保護的應用范圍，提高了道路的安全可靠性，是解決深層和復雜道路維護問題的主要方法。丁秀全采用三維有限差分法進行了預測波前錨固效應的模擬試驗。一致認為，由于錨索數量和預測金額的增加，巖體表面的壓縮效應隨著錨索數量和預測金額的增加而增加。丁安敏等人通過物理模型試驗分析了毛羽固體周圍巖石橫向帶的長度和預測價值的影響：一般來說，隨著錨索長度的增加，巖芯的坍塌高度隨預算的增加而減小。然而，當預算器到達一定值時，增加預緊器的浮力，巖石的水位和落差高度不僅隨預算器的增加而減小。然而，當預算器達到一定值時，預緊器的坍塌沉降高度不僅隨預算的增加而減小，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脂對整體固定桿的預緊力進行了研究。預緊力可以減小0.5.80m直接上部區(qū)域內的巖石離子和滑動滑動，改善圍巖條件。采用該方法對整體定位在井中的預緊力進行試驗。為了更全面、深入地研究錨索的支護作用機理,分析錨索的傳力機制,以及在巷道圍巖中形成的應力場-錨索預應力場分布特征,本文采用三維有限差分軟件FLAC3D進行錨索支護作用的數值模擬,研究錨索長度、間距、排距、安裝角度及預應力大小等因素對錨索預應力場分布的影響.1錨桿支護應力場分布特征一般分析錨桿與錨索支護作用的模型是在原巖應力狀態(tài)下開挖巷道,然后安裝錨桿與錨索,巷道周圍應力狀態(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,由于圍巖應力比錨桿、錨索提供的應力大得多,因此,錨桿與錨索支護在圍巖中產生的應力場被完全覆蓋,無法進行分析與研究.為此,本文在不考慮原巖應力,即在零原巖應力場條件下,分析錨索預應力引起的應力場分布特征與影響因素.1.1數值模型的建立錨固體計算采用FLAC3D建立三維數值模型.三維模型的外形尺寸為長×寬×高=11.0m×5.0m×14.6m,巷道寬×高=5.0m×3.6m,共劃分89125個六面體單元.巷道頂板為泥巖,單軸抗壓強度40MPa.其它力學參數:彈性模量7.5GPa,泊松比0.3,黏聚力1.5MPa,內摩擦角30°.錨索采用Cable單元模擬,其物理力學參數:彈性模量200GPa,直徑18mm,拉斷力350kN,每米錨索的黏結剛度為0.2GN/m,黏結強度350kN/m,樹脂錨固,錨固長度1.5m.錨索布置的基本模型:預應力200kN,錨索長度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,在基本模型的基礎上,改變各個參數,分析應力場分布特征與變化規(guī)律.1.2模擬方案(1)錨預測預測的影響將錨索預應力分別設為50,100,150,200,250,300kN進行計算.(2)提交長度的影響長度分別為4,5,6,7,8,10m時的應力分布狀態(tài).(3)錨索根數的影響模擬每排錨索數為1,2,3,4根時的應力分布狀態(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°的應力分布狀態(tài).2錨索支護的應力分布模擬錨索預應力從50~300kN(間隔50kN)形成的預應力場分布.圖1(a)為預應力50kN,垂直巷道軸線截面垂直應力分布.錨索尾部附近出現了明顯的應力集中現象,最大壓應力達0.18MPa.隨著深入頂板遠離錨索尾部,壓應力迅速減小.至錨索長度的1/6處,壓應力減小到0.02MPa.在錨索長度一半的范圍內形成了應力值大于0.01MPa的壓應力區(qū),之上為應力很小的近零應力區(qū).在錨索錨固起始端也出現了應力集中現象,但應力集中程度與范圍都比較小.在錨索錨固端出現了較大范圍的拉應力區(qū),但應力值很小.圖1(b)為預應力50kN,平行于巷道軸線、在距頂板0.4m高度水平截面垂直應力分布.錨索附近出現了應力集中,隨著遠離錨索位置,壓應力逐漸減小,很快降低到0.01MPa.兩根錨索之間有效壓應力區(qū)(壓應力大于0.02MPa的區(qū)域)小,而且相互獨立,沒有連成整體.兩根錨索之間中部應力值很小,出現較大范圍的近零應力區(qū),在此區(qū)域,錨索幾乎無支護作用.在巷道頂角附近出現了一定范圍的拉應力區(qū),但應力值很小.可見,由于錨索預應力低,導致錨索預應力場應力值小,形成的壓應力區(qū)范圍小,有效壓應力區(qū)孤立分布,沒有連成整體.近零應力區(qū)范圍大,錨索支護在近零應力區(qū)幾乎沒有加固圍巖的作用.圖1(c)為預應力200kN,垂直巷道軸線截面垂直應力分布.錨索尾部附近出現了很大的應力集中現象,最大壓應力達0.72MPa.隨著深入頂板遠離錨索尾部,壓應力逐漸減小.至錨索長度的1/5處,壓應力減小到0.06MPa.在錨索長度一半左右的范圍內形成了應力值大于0.04MPa的壓應力區(qū),有效壓應力區(qū)覆蓋了錨索自由段作用的整個范圍,近零應力區(qū)大幅度縮小.在錨索錨固起始端也出現了應力集中現象,應力集中程度與范圍比預應力50kN時明顯增大.在錨索錨固端出現了較大范圍的拉應力區(qū),應力值有所增加,但總體較小.圖1(d)為預應力200kN,平行于巷道軸線、在距頂板0.4m高度水平截面垂直應力分布.錨索附近應力集中明顯,隨著遠離錨索位置,壓應力逐漸減小.但每根錨索產生的有效壓應力區(qū)明顯擴大,相互靠近.即使在兩根錨索中部,也出現了一定數值的壓應力,對錨索之間的圍巖起到一定的支護作用.3錨索參數對預測場的影響3.1錨索長度對錨索支護作用的影響圖2為不同錨索長度形成的預應力場分布(錨索預應力為200kN).由圖2可看出:①隨著錨索長度增加,有效壓應力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加,表明錨索主動支護作用的范圍不斷擴大;但在寬度方向上變化不明顯,而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢.②隨著錨索長度增加,錨索長度中部及以上部分的壓應力逐步減小,表明錨索對中部及上部圍巖的支護作用不斷減小.③隨著錨索長度增加,兩錨索之間中部圍巖的壓應力逐步減小,表明錨索對其間圍巖的支護作用不斷減小.可見,在預應力一定的條件下,錨索越長,錨索預應力的作用越不明顯,主動支護性越差.因此,可得出以下結論:①當預應力一定時,短錨索的主動支護作用優(yōu)于長錨索.②錨索越長,施加的預應力應越大,才能充分發(fā)揮錨索的支護作用.③通過提高錨索的預應力,可適當減少錨索長度.④根據目前錨索預應力水平(80~150kN),錨索不宜過長,選擇在4~6m比較合理.3.2錨索抗應力分析圖3為每排1,3,4根錨索時形成的預應力場分布(錨索預應力為200kN),2根錨索時預應力場分布如圖1(c)所示.由圖3可看出:①在一定預應力條件下,單根錨索在其周圍形成了類似“心”形的壓應力分布區(qū)域,壓應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了拉應力區(qū),但拉應力值很小.②隨著每排錨索根數增加,單根錨索形成的壓應力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應力區(qū)擴大,并連成一體,近零應力區(qū)逐漸消失,形成類似“鼓”形的整體支護結構,錨索預應力及主動支護作用擴散到大部分錨固區(qū)域.③當每排錨索數增加到一定程度,再增加密度,對有效壓應力區(qū)擴大、錨索預應力擴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應力場分布(預應力為200kN),由圖4可看出:①當錨索排距較大時,每根錨索形成的有效壓應力區(qū)彼此孤立,錨索之間及錨索長度中部的壓應力值較小,錨索的主動支護作用不明顯.②隨著錨索排距縮小,單根錨索形成的壓應力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應力區(qū)擴大,并沿巷道軸線方向連成一體.③當錨索排距縮小到一定程度,再縮小排距,對有效壓應力區(qū)擴大、錨索預應力擴散作用的影響變得不明顯.3.4錨索預應力概述當預應力為200kN,錨索與垂線呈5,15,30°時,預應力場分布如圖5所示.錨索垂直布置時的應力分布如圖1(c)所示.由圖5可看出:(1)當錨索垂直布置時,兩根錨索形成的有效壓應力區(qū)相互連接與疊加,在頂板形成厚度較大的壓應力區(qū),錨索預應力擴散與疊加效果最好.(2)隨著錨索角度增加,每根錨索形成的有效壓應力區(qū)逐步減小、分離,疊加區(qū)域越來越小.錨索長度中上部、錨索之間的壓應力變得很小.當錨索角度達到10°時,兩根錨索尾部形成的高壓應力區(qū)明顯分離.繼續(xù)加大錨索角度,高壓應力區(qū)分開的更遠,且錨索角度達到15°時頂板表面中部出現了拉應力區(qū).(3)當錨索角度達到30°時,錨索形成的有效壓應力區(qū)變得很小,而且彼此孤立,拉應力區(qū)進一步擴大,錨索的主動支護作用大大削弱.可見,在考慮錨索預應力的條件下,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,最大角度不應超過10°.3.5錨索組合構建的優(yōu)點兩根錨索采用鋼梁組合在一起時的應力分布如圖6所示.與無組合構件相比(圖1(c)),可發(fā)現以下特點:(1)無組合構件時,錨索形成的有效壓應力區(qū)在錨索尾部是彼此獨立的.在頂板表面附近,有效壓應力區(qū)呈圓形分布,相互不連接,錨索之間的壓應力很小,預應力擴散范圍小,錨索不能有效支護其間的圍巖.(2)有組合構件時,錨索形成的有效壓應力區(qū)在沿組合構件長度方向上顯著擴大.在頂板表面附近,有效壓應力區(qū)呈橢圓形分布,彼此相互連接,形成連續(xù)的有效壓應力帶,預應力擴散范圍大,錨索能有效支護其間的圍巖.(3)組合構件實現了錨索預應力的有效擴散,顯著提高了對錨索之間圍巖的支護作用,整體支護效果明顯改善.4錨索的選擇、支護作用(1)提出錨索預應力場的概念.基于零原巖應力場的錨索預應力場模擬分析方法,可清楚地計算分析錨索預應力及其它參數對預應力場的影響、分布特征與規(guī)律.(2)錨索預應力比較小時,錨索引起的壓應力小,有效壓應力區(qū)小,分布孤立;錨索預應力比較大時,錨索產生的應力大,在錨索自由段長度范圍內,形成了相互連接成一片的、疊加的有效壓應力區(qū).(3)當預應力一定時,短錨索的主動支護作用優(yōu)于長錨索;通過提高錨索預應力,可適當減小錨索長度;錨索越長,施加的預應力應越大.根據目前錨索預應力水平,錨索不宜過長,選擇在4~6m比較合理.(4)單根錨索在其周圍形成了類似“心”形的壓應力分布區(qū)域.隨著錨索密度增加,單根錨索形成的壓應力區(qū)逐漸靠近、相互疊加,錨索之間的有效壓應力區(qū)擴大,