礦山恒阻大變形抗滑纜索靜力拉伸特性實(shí)驗(yàn)

陶志剛 尹利潔 張秀蓮 吳亞麗 呂 謙

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

礦山恒阻大變形抗滑纜索靜力拉伸特性實(shí)驗(yàn)

陶志剛1,2尹利潔1,2張秀蓮1,2吳亞麗1，2呂 謙1,2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

在抵抗巖體沖擊、剪切和能量吸收等諸多方面,具有負(fù)泊松比效應(yīng)的材料比傳統(tǒng)意義下的泊松比材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。因此，針對(duì)普通錨索無法抵抗礦山滑坡大變形災(zāi)害而發(fā)生錨索拉斷等問題，研發(fā)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形監(jiān)測(cè)錨索，該纜索集監(jiān)測(cè)-預(yù)警-控制功能于一體，具有高恒阻、大變形、超強(qiáng)吸能等特性，已經(jīng)成功應(yīng)用于礦山滑坡災(zāi)害監(jiān)控領(lǐng)域。通過現(xiàn)場(chǎng)靜力拉拔試驗(yàn)，對(duì)3種不同規(guī)格恒阻大變形纜索的軸向變形、徑向變形和恒阻力進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果證明3種不同規(guī)格的恒阻大變形監(jiān)測(cè)纜索均具有恒阻吸能特性，當(dāng)恒阻值分別達(dá)到200、500和850 kN時(shí)，最大變形量可達(dá)2 000 mm，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外大變形纜索的研究空白。

恒阻大變形纜索 能量吸收 滑坡監(jiān)測(cè) 靜力拉伸

滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究是災(zāi)害防治的熱點(diǎn)問題之一。早期由于裝備條件的限制，國(guó)內(nèi)外滑坡監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)人工觀測(cè)地表變化特征、地下水水位變化來推斷確定其發(fā)生的可能性[1-2]。之后，隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步，表面位移監(jiān)測(cè)法的一些常規(guī)儀器，包括全站儀、經(jīng)緯儀、鉆孔傾斜儀以及新近發(fā)展的GPS手機(jī)監(jiān)測(cè)等，也逐漸得到應(yīng)用。上述方法為滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警提供了許多新思路和新技術(shù)，取得了許多研究成果。然而，經(jīng)過大量變形、降雨、滲透壓等監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，巖土工程師逐漸發(fā)現(xiàn)這些監(jiān)測(cè)參量?jī)H僅是滑坡發(fā)生的必要條件，不滿足滑坡發(fā)生的充要條件，不能超前捕捉邊坡失穩(wěn)破壞前的異常征兆信息，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提供足夠的避險(xiǎn)時(shí)間。巖土工程師熟知力是運(yùn)動(dòng)的根源，潛在滑面上的滑動(dòng)力才是滑坡發(fā)生的充要參量，但是由于邊坡滑動(dòng)力屬于天然力學(xué)系統(tǒng)范疇，無法直接測(cè)量。

2006年，何滿潮[3]針對(duì)上述問題，研發(fā)出第一代基于滑動(dòng)力變化的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的瓶頸，首次實(shí)現(xiàn)了深部滑動(dòng)力的監(jiān)測(cè)預(yù)警，并且進(jìn)行了工程應(yīng)用[4-5]。應(yīng)用結(jié)果顯示，這套設(shè)備對(duì)邊坡巖體小變形破壞的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果十分顯著，能夠提前約20 d發(fā)出預(yù)警信號(hào)，在靈敏度、預(yù)警時(shí)間、撤離決策等方面明顯優(yōu)于位移監(jiān)測(cè)。然而，該系統(tǒng)無法對(duì)大變形滑坡全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，究其原因是承擔(dān)力學(xué)傳輸?shù)钠胀ㄥ^索屬于小變形材料，當(dāng)邊坡巖體發(fā)生大變形而未失穩(wěn)破壞時(shí)，錨索已經(jīng)被拉斷，導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效。2010年，何滿潮[6-8]針對(duì)上述問題研發(fā)出具有能量吸收特性的滑坡專用恒阻大變形錨索，在外荷載作用下保證2 000 mm恒阻不斷，并對(duì)第一代滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

本研究首先介紹了恒阻大變形纜索的結(jié)構(gòu)組成；其次，對(duì)其抗滑原理進(jìn)行深入分析；最后，對(duì)恒阻大變形纜索進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，總結(jié)出3種不同規(guī)格恒阻大變形纜索的力學(xué)特性和恒阻特性。

1 恒阻大變形纜索研發(fā)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

恒阻大變形監(jiān)測(cè)纜索主要由恒阻器、鋼絞線、錨具和力學(xué)傳感器組成(圖1)，其中，恒阻器包括恒阻套管、恒阻體、擋板、隔板和恒阻充填材料等。

圖1 恒阻大變形纜索結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CRLD cable A—錨具；B—力學(xué)傳感器；C—常規(guī)錨索；D—擋板;E—恒阻充填材料;F—恒阻器；G—外堵頭

為了降低應(yīng)用成本，恒阻大變形監(jiān)測(cè)纜索是在原有錨索的基礎(chǔ)上增加了大變形恒阻器，利用6組錐形夾片將恒阻器和常規(guī)錨索束體連接。恒阻器使得錨索具有恒阻大變形功能，恒阻器的恒阻按照錨索束體屈服強(qiáng)度的90%～92%進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)錨索上施加的荷載小于或等于恒阻值時(shí)，主要通過常規(guī)錨索材料的彈性變形來抵抗外加荷載；當(dāng)錨索上施加的荷載大于恒阻值時(shí)，恒阻套管內(nèi)的錐形體就開始沿著套管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦滑移，利用恒阻器的結(jié)構(gòu)變形來抵抗外加荷載。通過這種自適應(yīng)性調(diào)節(jié)原理，實(shí)現(xiàn)了新型能量吸收錨索變形2 m而不發(fā)生破斷的獨(dú)特功能。

1.2 力學(xué)模型建立

恒阻器力學(xué)模型如圖2所示。

假設(shè)恒阻裝置內(nèi)部不密封，且套管內(nèi)部空氣和恒阻充填材料不可壓縮，則恒阻裝置運(yùn)動(dòng)方程為

圖2 恒阻器力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of the constant resistance unit

(1)

其中，T為摩擦阻力，

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，式(1)可以表示為

(2)

(1)靜力荷載過程,P=T；

(2)動(dòng)力荷載過程,P=T-P′。

式(2)表達(dá)了滑坡動(dòng)力學(xué)與恒阻大變形纜索在動(dòng)靜荷載條件下的數(shù)學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)。通過數(shù)學(xué)表達(dá)，可以得到圖3所示的本構(gòu)關(guān)系。圖3描述了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索、傳統(tǒng)非預(yù)應(yīng)力錨索和恒阻大變形纜索的本構(gòu)關(guān)系曲線，并且根據(jù)恒阻大變形纜索的力學(xué)特性，分別得到動(dòng)力條件和靜力條件下的本構(gòu)關(guān)系曲線。

圖3 恒阻大變形纜索應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系Fig.3 Stress-strain constitutive relation of CRLD cable

恒阻大變形纜索在動(dòng)力條件和靜力條件下表現(xiàn)出不同的力學(xué)本構(gòu)特征。在靜力條件下，由于力學(xué)輸入量(外界荷載)保持恒定，恒阻體和恒阻套管內(nèi)壁發(fā)生勻速摩擦滑移，整個(gè)變形階段力學(xué)本構(gòu)曲線表現(xiàn)得非常圓滑，而且彈性階段、結(jié)構(gòu)變形階段和極限變形階段分界點(diǎn)非常顯著。在動(dòng)力條件下，由于力學(xué)輸入量為沖擊荷載，恒阻體和恒阻套管內(nèi)壁發(fā)生沖擊摩擦滑移，整個(gè)變形階段本構(gòu)曲線表現(xiàn)出波動(dòng)特征，但是3個(gè)階段的總體趨勢(shì)與靜力條件下的力學(xué)本構(gòu)特征保持一致，仍表現(xiàn)出顯著的恒阻特性。

1.3 抗滑原理

圖4為恒阻大變形纜索在邊坡監(jiān)控3個(gè)不同階段的工作原理示意圖。

圖4 恒阻大變形纜索抗滑原理Fig.4 Slide resistance principle of CRLD cable

(1)彈性變形階段。邊坡巖體的變形能通過外錨固段(錨墩和錨具)和內(nèi)錨固段施加到恒阻大變形纜索上。當(dāng)邊坡巖體變形能較小，施加于纜索束體上的軸力小于恒阻大變形纜索的設(shè)計(jì)恒阻力時(shí)，恒阻裝置內(nèi)不發(fā)生任何相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)，恒阻大變形纜索依靠纜索束體材料的彈性變形來抵抗巖體的變形破壞，如圖4(a)所示。

(2)結(jié)構(gòu)變形階段。隨著邊坡巖體變形能逐漸積累，施加于纜索束體上的軸力大于設(shè)計(jì)恒阻力時(shí)，恒阻裝置內(nèi)的恒阻體沿著套管內(nèi)壁發(fā)生摩擦滑移，在滑移過程中保持恒阻特性，依靠恒阻裝置的結(jié)構(gòu)變形來抵抗邊坡巖體的變形破壞，如圖4(b)所示。

(3)極限變形階段。邊坡巖體經(jīng)過恒阻大變形纜索材料變形和結(jié)構(gòu)變形后，結(jié)構(gòu)變形量達(dá)到極限值，恒阻裝置內(nèi)的恒阻體停止摩擦滑移，恒阻體已經(jīng)滑體到恒阻套管另一端，變形能得到充分釋放。此刻，如果纜索外部荷載小于設(shè)計(jì)恒阻力值，邊坡巖體再次處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4(c)所示。

2 恒阻大變形纜索的靜力拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

恒阻大變形纜索靜力拉伸試驗(yàn)采用自主研發(fā)的穿心式液壓群錨張拉系統(tǒng)(圖5)。該系統(tǒng)的最大拉伸荷載為1 252 kN，最大量程為120 mm，施加荷載速率為0.1～20 kN，施加位移速率為0.5～50 mm/min。由于該系統(tǒng)質(zhì)量較大，油缸量程較短，所以在試驗(yàn)過程中，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易支架，便于恒阻器安裝和拆卸。為了彌補(bǔ)油缸量程較短的缺陷，采用連續(xù)張拉的試驗(yàn)方案。分別在恒阻裝置兩端安裝了力學(xué)傳感器和自動(dòng)位移計(jì)，能夠?qū)阕璐笞冃卫|索軸向拉力和恒阻體位移量實(shí)時(shí)測(cè)量。為了防止力學(xué)傳感器受偏應(yīng)力影響產(chǎn)生偏心，必須在恒阻裝置和力學(xué)傳感器之間安裝限位板。

圖5 力學(xué)加載系統(tǒng)Fig.5 Mechanical loading system A—錨具；B—力學(xué)加載系統(tǒng)；C—限位板；D—泄油孔；E—進(jìn)油孔；F—力學(xué)傳感器；G—自動(dòng)位移計(jì)

2.2 試 件

根據(jù)恒阻力大小，研發(fā)出3種不同規(guī)格的恒阻大變形監(jiān)測(cè)纜索，分別適用于小型滑坡、中型滑坡和大型滑坡的監(jiān)控需求。本次試驗(yàn)根據(jù)恒阻器的幾何參數(shù)，選擇16根3種不同規(guī)格的恒阻大變形纜索進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜力張拉試驗(yàn)，分別命名為HMS-Ⅰ、HMS-Ⅱ和HMS-Ⅲ。為了減小加工誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每種規(guī)格選用同一批次試件進(jìn)行試驗(yàn)，恒阻裝置理論長(zhǎng)度為2 000 mm，套筒外徑φ133 mm，試件幾何參數(shù)如表1所示。

表1 恒阻器幾何參數(shù)

Table 1 Geometrical parameter of theconstant resistance unit mm

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，首先將力學(xué)傳感器套裝到恒阻裝置外端，放置限位板，安裝力學(xué)加載系統(tǒng)，使恒阻大變形纜索試件固定在靜力拉伸系統(tǒng)一端(如圖6)。在恒阻裝置另外一端安裝自動(dòng)位移計(jì)，測(cè)量恒阻體在靜力拉伸條件下最大位移量。

圖6 靜力拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the static pull test

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為16套3種不同規(guī)格同一批次恒阻大變形纜索試件靜力拉伸試驗(yàn)得到的恒阻力P-變形量X曲線。為了便于觀察單個(gè)恒阻大變形纜索試件的P-X曲線特征及其恒阻特性，選擇Testing11試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，如圖8所示。testing11恒阻大變形纜索在彈性變形階段的材料變形量x0=34 mm，恒阻階段的結(jié)構(gòu)變形量約1 905 mm，總變形量達(dá)到1 939 mm。Testing11恒阻大變形纜索的峰值恒阻力Pmax=185 kN，谷值恒阻力Pmin=137 kN，恒阻力變化幅值約48 kN。從上述參數(shù)可以判斷出Testing11恒阻大變形纜索具有恒阻、大變形的特性。

圖7 靜力拉伸實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Static pull test curves a—testing 1，b—testing 2，c—testing 3,d—testing4,e—testing 5，f—testing 6，g—testing 7，h—testing 8,i—testing 9，j—testing 10，k—testing 11，l—testing 12,m—testing 13，n—testing 14，o—testing 15，p—testing 16

圖8 Testing 11試件靜力拉伸試驗(yàn)曲線禎Fig.8 Static pull test curve of testing 11

通過對(duì)16根3種不同規(guī)格恒阻大變形纜索的靜力拉伸試驗(yàn)，可以得出：

(1)HMS-1恒阻大變形纜索恒阻力為800 kN，最小值約620 kN，最大值約940 kN，恒阻體平均位移量約1 900 mm。由于恒阻套管內(nèi)壁存在不可避免的結(jié)構(gòu)缺陷，即使是在靜力荷載條件下，恒阻體沿著恒阻套管內(nèi)壁卻發(fā)生沖擊摩擦滑移，從而使整個(gè)變形階段本構(gòu)曲線表現(xiàn)出波動(dòng)特征，與動(dòng)力條件下的本構(gòu)關(guān)系曲線十分吻合。宏觀力學(xué)試驗(yàn)曲線，恒阻力基本上維持在800 kN左右，恒阻特性顯著，適合于大型軟巖邊坡的監(jiān)測(cè)和加固。

(2)HMS-2型恒阻大變形纜索恒阻力為470 kN，最小值約400 kN，最大值約570 kN，恒阻體平均位移約1 900 mm；由于恒阻套管管壁較薄，在靜力荷載條件下，恒阻套管徑向變形較大，最大變形量約6.7 mm，恒阻體沿著恒阻套管內(nèi)壁發(fā)生相對(duì)勻速摩擦滑移，整個(gè)變形階段本構(gòu)曲線表現(xiàn)出相對(duì)光滑，與靜力條件下的本構(gòu)關(guān)系曲線基本吻合。宏觀力學(xué)試驗(yàn)曲線，恒阻力基本上維持在500 kN左右，因此，HMS-2型恒阻大變形纜索適應(yīng)于中型滑坡加固和監(jiān)測(cè)。

(3)HMS-3型恒阻大變形纜索恒阻力為150 kN，最小值約80 kN，最大值約220 kN，恒阻體平均位移約1 900 mm；由于恒阻套管管壁非常薄，在靜力荷載條件下，恒阻套管徑向變形較大，最大變形量約10 mm，恒阻體沿著恒阻套管內(nèi)壁發(fā)生勻速摩擦滑移，整個(gè)變形階段本構(gòu)曲線表現(xiàn)出光滑特征，與靜力條件下的本構(gòu)關(guān)系曲線十分吻合。宏觀力學(xué)試驗(yàn)曲線，恒阻力基本上維持在150 kN左右，因此，HMS-3型恒阻大變形纜索適應(yīng)于小型滑坡加固和監(jiān)測(cè)。

3 結(jié) 論

(1)恒阻大變形纜索可通過纜索材料本身的彈性變形和恒阻器相對(duì)摩擦滑移產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形提供足夠的變形量，產(chǎn)生越拉越粗的負(fù)泊松比特性，借此來吸收邊坡巖體滑移產(chǎn)生的變形能，防止錨索被拉斷失效。

(2)利用改裝后的群錨張拉機(jī)對(duì)3種不同規(guī)格恒阻大變形纜索進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明在靜力拉伸作用下產(chǎn)生滑移拉伸變形的同時(shí)保持850 kN左右的恒定阻力，并產(chǎn)生拉伸變形來吸收能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)小變形錨索的極限變形量。

(3)恒阻大變形纜索是一種集軟巖邊坡加固、防治、監(jiān)測(cè)、預(yù)警于一體的新型結(jié)構(gòu)，可以在礦山、水利、交通、國(guó)防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Research on the Static Experiments of Large Deformation with Constant ResistanceCable for the Landslide Monitoring in Coal Mine

Tao Zhigang1,2Yin Lijie1,2Zhang Xiulian1,2Wu Yali1,2Lu Qian1,2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering，Beijing100083，China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China)

Materials with negative Poisson′s ratio effect including energy absorption than the traditional sense of the Poisson ratio of the material exhibits a more excellent performance in rock shock resistance，shear and many other aspects than the material with the traditional sense of the Poisson ratio.Therefore，in view of the issues that ordinary cable cannot resist the large deformation of soft rock and rock slope anchor breaking，a novel cable with large elongation and constant resistance and also with negative Poisson′s ratio effect has been researched and developed.The cable integrates the functions of monitoring-warning-control，with characteristics of high constant resistance，large deformation，super energy-absorbing，and successfully applied to the mine disaster control field.The axial deformation，radial deformation and constant resistance of large deformation cable with three different specifications of constant resistance were continuously measured.The experimental results show that all these cables have properties of constant resistance and energy absorption.The maximum deformation reaches 2000 mm during the constant resistance up to 200 kN，500 kN and 200 kN.This research fills the gaps in research of large deformation cable at home and abroad.

Large deformation with constant resistance cable，Energy absorbing，Landslide monitoring，Static stretching

2015-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41502323)，北京自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：8142032)。

陶志剛(1981—)，男，講師，博士。

TD76

A

1001-1250(2015)-11-119-05