動(dòng)靜載作用下預(yù)應(yīng)力注漿錨索治理巷道中底錨索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

金 亮，裴晨浩

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

動(dòng)靜載作用下預(yù)應(yīng)力注漿錨索治理巷道中底錨索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

金 亮，裴晨浩

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為了研究在動(dòng)靜載作用下預(yù)應(yīng)力注漿錨索治理巷道中底錨索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文以常村煤礦S61#為研究對(duì)象，采用FLAC數(shù)值軟件進(jìn)行模擬分析得：在動(dòng)載作用下，預(yù)應(yīng)力注漿錨索的前3段軸向應(yīng)力比較大，受到動(dòng)力擾動(dòng)的影響比較深，最大減小幅度能達(dá)到18.4%,底臌治理前應(yīng)考慮底錨索前3段的軸向應(yīng)力；由于在巷道底板采用了注漿的治理方法，所以底錨索的第1段水泥漿應(yīng)力為零，且不受動(dòng)力擾動(dòng)的影響；在動(dòng)載作用下，底錨索的第2段與第3段水泥漿應(yīng)力呈拉壓應(yīng)力交替出現(xiàn)形式，后4段對(duì)應(yīng)的水泥漿應(yīng)力始終為拉應(yīng)力。

巷道工程；動(dòng)靜載；預(yù)應(yīng)力注漿錨索；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；數(shù)值模擬

錨桿與錨索在邊坡、煤礦巷道和隧道等方面得到了非常普遍的使用。關(guān)于錨桿與錨索的力學(xué)性能國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了非常豐富的研究。在靜載方面，康紅普[1]通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析了錨桿在不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布特征。在動(dòng)載方面，單仁亮[2]通過具體的試驗(yàn)得到在爆炸荷載作用下錨桿的軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變特征，以及錨桿的振動(dòng)頻率分布規(guī)律；王光勇[3-4]通過數(shù)值軟件LS-DYNA研究出在頂爆和拱腰側(cè)爆作用下，拱頂、拱腰、拱腳和側(cè)墻錨桿的軸向應(yīng)力分布規(guī)律。王正義[5]主要研究在沖擊地壓作用下圍巖的變形破壞特征和錨桿的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得出側(cè)向位置錨桿軸向應(yīng)力呈“雙峰”的特性。這些都是關(guān)于在動(dòng)載作用下錨桿的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，而關(guān)于錨索[6]的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究卻特別少。

本文以常村煤礦S61#回風(fēng)上山巷為研究對(duì)象，采用預(yù)應(yīng)力注漿錨索技術(shù)進(jìn)行治理，并且專門針對(duì)其底錨索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，為實(shí)際的巷道生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型

1.1 標(biāo)準(zhǔn)模型及參數(shù)選擇

以常村煤礦S61#回風(fēng)上山巷為標(biāo)準(zhǔn)模型，巷道沿著距離煤底板2.5 m掘進(jìn)，具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。通過對(duì)圍巖中應(yīng)力分布影響范圍分析，取模型尺寸長1.8 m，高40 m，寬60 m。巷道的設(shè)計(jì)斷面為矩形，其高和寬分別為3.5 m、5 m。巷道的原有支護(hù)形式是錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，錨索在頂幫加強(qiáng)支護(hù)，錨索的直徑為16.8 mm，長度為6.3 m，錨索的間距為2 000 mm，排距為900 mm；錨桿分布在頂板和左右兩幫，錨桿的直徑為22 mm，長度為2.4 m，其間距為900 mm，排距為900 mm，如圖1所示。底臌治理采用預(yù)應(yīng)力錨索加注漿方法，注漿厚度400 mm，錨索預(yù)應(yīng)力200 kN，具體的尺寸及位置如圖2和表2所示。

圖1 原巷道支護(hù)圖 圖2 治理后巷道支護(hù)圖

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

表2 錨桿與錨索材料參數(shù)

1.2 本構(gòu)模型及邊界條件

靜載時(shí)，在模型的上邊界施加9.261 MPa來模擬垂直方向的力，水平方向施加10.775 MPa水平應(yīng)力，其他3個(gè)邊界的約束條件為位移約束。在動(dòng)靜作用時(shí)，由于當(dāng)動(dòng)力源比較遠(yuǎn)時(shí)，可以將遠(yuǎn)處的動(dòng)力擾動(dòng)近似的等效為平面波，故在模型底部施加平面波。為了更好模擬出半無限體中的應(yīng)力波傳播規(guī)律，把數(shù)值模型左右邊界、上邊界設(shè)置為粘滯吸收邊界。

2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1 關(guān)于底錨索的軸向應(yīng)力分析

為研究預(yù)應(yīng)力注漿錨索的治理效果，現(xiàn)將3根底錨索a、b和c全部平均分為7段，從錨頭至錨端依次記為1、2、3、4、5、6和7，將3根錨索每段的軸向應(yīng)力時(shí)程曲線取出，如圖4所示。并且分別將3根錨索每段的最小拉應(yīng)力取出進(jìn)行分析，如表3、表4和表5所示。從表3、表4、表5可以看出：3根錨索的初始值都是靜態(tài)下的軸向應(yīng)力，這3根錨索的前三段應(yīng)力皆比較大，應(yīng)力值大致保持在1 200 MPa左右，而剩下4段的應(yīng)力值則隨著距離巷道底板越遠(yuǎn)就越小，從900 MPa左右開始，歷經(jīng)600 MPa左右、400 MPa左右依次減小到100 MPa左右。由壓應(yīng)力時(shí)程曲線我們可以知道壓應(yīng)力是在13 ms左右傳到巷道底板，應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3所示。從圖3可以看出，壓應(yīng)力在10 ms時(shí)就已經(jīng)傳到底錨索部位，并對(duì)底錨索的拉應(yīng)力產(chǎn)生了影響，具體為這3根錨索都是在前3段減小最多，由于第1根錨索與第3個(gè)根錨索關(guān)于ZOY這個(gè)平面對(duì)稱，因此其值大致相同，其第1段減小到979.6 MPa,減小幅度能達(dá)到18.4%，第2段與第3段減小幅度相同，隨著距離巷道底板距離變遠(yuǎn)，底錨索后面4段的軸向拉應(yīng)力減小幅度越來越小，逐漸減小到最后一段的12.2%，第2根錨索與其余兩根錨索規(guī)律相同。從每根錨索的前3段可以看出，差不多每隔10 ms，壓應(yīng)力就出現(xiàn)一次小波動(dòng)，并且隨著時(shí)間的推移幅度逐漸減小，推測應(yīng)是動(dòng)力余波影響所致。三根底錨索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)大致相同，其對(duì)應(yīng)的前3段在靜態(tài)時(shí)受較大拉應(yīng)力，在動(dòng)態(tài)作用下拉應(yīng)力也是波動(dòng)最大，因此不論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)考慮底錨索前3段的錨固力是有意義的，而3根錨索前3段動(dòng)力擾動(dòng)余波的影響不容忽視。

表3 第1根錨索的軸向應(yīng)力最小峰值

表4 第2根錨索的軸向應(yīng)力最小峰值

圖3 3根錨索每段的軸向應(yīng)力時(shí)程曲線

表5 第3根錨索的軸向應(yīng)力最小峰值

圖4 三根錨索每段的水泥漿應(yīng)力時(shí)程曲線

2.2 底錨索的水泥漿應(yīng)力分析

為了分析水泥漿粘結(jié)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，依次將3根底錨索各段的應(yīng)力時(shí)程曲線取出，如圖4所示。為了分析3根底錨索的水泥漿粘結(jié)應(yīng)力，將3根底錨索2 ms、10 ms、10.3 ms、10.5 ms、12 ms和50 ms的水泥漿應(yīng)力圖取出，如圖5所示。從圖4和圖5可以看出，在2 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的3根錨索各段的粘結(jié)應(yīng)力基本上持平，也即沒有發(fā)生變化，應(yīng)力波并沒有傳播到巷道底部，因此在巷道四周正處于靜態(tài)，粘結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的也沒有發(fā)生變化；3根底錨索的第一段在靜態(tài)有一個(gè)突出特點(diǎn)就是第一段的水泥漿應(yīng)力為零，造成這種現(xiàn)象的原因是在Z方向0 m～0.4 m的底板注漿范圍內(nèi)由于巖體的粘聚力增強(qiáng)，從而“替代”了水泥漿應(yīng)力的作用。這三根錨索的后四段自始至終對(duì)應(yīng)的水泥漿壓力均為拉應(yīng)力。從8 ms開始最前端的應(yīng)力波傳到底錨索下部，其對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力開始減小，在12 ms時(shí)，達(dá)到最小值，此時(shí)后四段對(duì)應(yīng)的水泥漿應(yīng)力值皆在20 MPa左右，減小幅度最大能達(dá)到33.3%。

圖5 三根錨索的水泥漿應(yīng)力圖

每根底錨索前3段中的第1段由于注漿加固，不受壓應(yīng)力波的影響，一直保持為零；3根底錨索剩下的第2段和第3段因?yàn)樘幱谥鲃?dòng)區(qū)，所以其剛開始受到的應(yīng)力為壓應(yīng)力，然后與其余四段一樣皆是在8 ms左右受到動(dòng)力擾動(dòng)的影響，兩者的壓應(yīng)力皆是從時(shí)間分別為7.8 ms與8.8 ms時(shí)變?yōu)橹行渣c(diǎn)，然后變成拉應(yīng)力，這1 ms的時(shí)間差距是由于距離加載面距離不同而造成的；在12 ms左右，由于后續(xù)應(yīng)力波的傳播，又分別從拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力，第3段是在12 ms作用達(dá)到峰值為8.6 MPa，第2段是在14 ms達(dá)到峰值，為4.9 MPa，這3根底錨索后4段的水泥漿應(yīng)力與錨索軸應(yīng)力呈大致相同的變化規(guī)律；而這3根底錨索的前3段由于注漿加固使得第一段水泥漿應(yīng)力為零，第2段與第3段的水泥漿應(yīng)力值也不大，呈拉壓應(yīng)力相互交替的變化規(guī)律；錨索軸應(yīng)力因處于結(jié)構(gòu)單元中，所以其并不受注漿加固的影響，從而表現(xiàn)出正常的變化規(guī)律。

3 結(jié) 語

(1) 預(yù)應(yīng)力注漿錨索中的底錨索前三段所受軸向應(yīng)力大，在動(dòng)靜載作用下受到的波動(dòng)較大，軸向拉應(yīng)力的最大減小幅度為18.4%，應(yīng)增強(qiáng)底錨索前三段的錨固。

(2) 在動(dòng)靜載作用下除了要考慮底錨索最大的軸向應(yīng)力波動(dòng)，也不能忽視動(dòng)力余波的影響。由于在底板Z方向0.4 m范圍內(nèi)注漿，所以三根底錨索第一段的水泥漿粘結(jié)應(yīng)力為零，且不受動(dòng)力擾動(dòng)的影響。

(3) 在動(dòng)靜載作用下三根底錨索的后四段水泥漿應(yīng)力在應(yīng)力波到達(dá)時(shí)都出現(xiàn)了不同程度的減小，最大減小幅度為33.3%，但始終都保持為拉應(yīng)力。在動(dòng)載作用下3根底錨索中的第2段與第3段出現(xiàn)拉壓應(yīng)力交替變化。

[1] 康紅普,林健,吳擁政.錨桿構(gòu)件力學(xué)性能及匹配性[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(1):11-23.

[2] 單仁亮,周紀(jì)軍,夏宇.爆炸荷載下錨桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程報(bào),2011,30(8):1540-1546.

[3] 王光勇,張素華,謝文強(qiáng).錨桿動(dòng)載響應(yīng)和軸向應(yīng)力分布規(guī)律數(shù)值分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(1):114-117.

[4] 王光勇,郭曉燕,王超.在拱腰爆炸荷載作用下錨桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值分析[J].爆破,2015,32(2):33-38.

[5] 王正義,竇林名,王桂峰.錨固巷道圍巖結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2016,45(6):1132-1140.

[6] 石玉成,秋仁東,孫軍杰.地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索加固危巖體的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].巖土力學(xué),2011,32(4):1157-1162.

[7] 范明建,康虹普,林健.埋深1300m大傾角復(fù)合巖層巷道圍巖綜合控制技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(5):706-713.

[8] 高富強(qiáng),高新峰,康紅普.動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)FLAC分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(4):680-685.

Dynamic Response of Bottom Anchor of Treatment of Roadway with Prestressed Grouting Anchor Cable under Static and Dynamic Load

JIN Liang

(Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

In order to study dynamic response of bottom anchor of treatment of roadway with prestressed grouting anchor cable under the action of static and dynamic,in the paper FLAC 3D numerical simulation are employed to study S61# as the research object. Results show that the axial stress of the first three sections of prestressed anchor cable is relatively large under the action of dynamic load,and the influence of dynamic disturbance is relatively deep ,and the maximum reduction can reach 18.4%,and axial stress of the three section of the bottom anchor should be considered before floor heave treatment. Because grouting in roadway floor is adopted,the grout stress of first section of anchor cable is zero without the influence of dynamic disturbance. Under the action of dynamic load,the grout stress of second and third bottom cable is tension and compression alternating,and the grout stress of latter four sections of bottom cable is always tensile stress.

roadway engineering;dynamic and static load;borehole pressure relief;dynamic response;numerical simulation

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.008

TD353

A

1674-5403(2017)03-0028-05

2017-05-10

金亮(1991-)，男，河南信陽人，碩士研究生.主要從事巖土方向方面的研究.

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2015GGJS-069).