端部锚固锚杆预应力场分布特征的大型模型试验研究林健

第35卷第11期岩石力学与工程学报Vol.35No.112016年11月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringNov.，2016收稿日期：2016–06–12；修回日期：2016–07–22基金项目：国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261211)；天地科技青年创新基金项目(KJ–2015–TDKC–10)SupportedbytheUniteNationalNaturalScienceFoundationofChinaandCoalFund(GrantNo.U1261211)andYouthInnovationFoundofTiandiScienceandTechnologyCo.，Ltd.(GrantNo.KJ–2015–TDKC–10)作者简介：林健(1969–)，男，1992年毕业于山东矿业学院采矿系采矿工程专业，现任研究员、硕士生导师，主要从事煤矿巷道支护技术方面的研究工作。E-mail：[e-mail]。通讯作者：石垚(1990–)，男，现任助理工程师。E-mail：[e-mail]：10.13722/j.cnki.jrme.2016.0626端部锚固锚杆预应力场分布特征的大型模型试验研究林健1，2，3，石垚1，2，3，孙志勇1，2，3，王正胜1，2，3，蔡嘉芳1，2，3(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013；3.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013)摘要：为了研究预应力端部锚固锚杆预应力场在围岩体中的分布特征，设计并制作大型锚杆支护应力场测试试验台。试验结果表明：(1)单根锚杆的应力场在空间中的分布形态类似于“石榴”状，随着扩散半径的增大应力等值面的分布逐渐由密到疏，应力值逐渐由高到低，分布范围逐渐由小到大；(2)在锚杆自由段两端和锚固段附近分别形成了2个压应力相对集中区和1个拉应力相对集中区，压应力主要分布在锚杆自由段附近围岩内，并向锚固段附近围岩扩散；(3)应力沿着锚杆轴线方向的分布规律与测线和锚杆之间的距离有关，应力沿着水平方向的变化规律与测线和模型表面之间的距离有关；(4)预紧力不同，应力场的宏观分布形态基本一致，但同一应力等值面的分布范围将发生显著改变。试验结果对更深入认识锚杆支护作用机制和工程中优化锚杆支护设计方案均有一定的指导意义。关键词：采矿工程；端部锚固；预应力场；分布特征；模型试验中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1000–6915(2016)11–2237–11Largescalemodeltestonthedistributioncharacteristicsoftheprestressedfieldofend-anchoredboltsLINJian1，2，3，SHIYao1，2，3，SUNZhiyong1，2，3，WANGZhengsheng1，2，3，CAIJiafang1，2，3(1.CoalMiningandDesigningDepartment，TiandiScienceandTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China；2.CoalMiningandDesigningBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；3.StateKeyLaboratoryofCoalResourceHigh-efficiencyMiningandCleanUtilization，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)Abstract：Alargescalefieldtestbenchforprestressedboltwasmanufacturedtostudythedistributioncharacteristicsoftheprestressedfieldaroundtheend-anchoredbolt.Theresultsshowthatthedistributionpatternoftheprestressedfieldofasingleanchorissimilartotheshapeofpomegranate.Thestresscontoursurfacesvarygraduallyfromdensetosparse，thestressvaluesdescendgraduallyandthedistributionrangesenlargegradually.Twoconcentrationzonesofcompressivestressesformintherockinthevicinityoftheanchorageandaconcentrationzoneoftensilestressformsneartheanchorhead.Thedistributionofthestressalongtheaxisoftheboltisrelatedtothedistancebetweenthemeasuringlineandtheanchorbolt.Thevariationofthestressalongthehorizontaldirectionisrelatedtothedistancebetweenthemeasuringlineandthesurfaceofthemodel.Althoughthepre-loadsaredifferent，thestressfielddistributionsarebasicallythesame，butthedistributionrangesofthe•2238•岩石力学与工程学报2016年stresscontoursurfaceschangesignificantly.Keywords：miningengineering；end-anchoredbolts；prestressedfield；distributioncharacteristics；modeltest1引言锚杆、锚索加固技术在土木工程、岩土工程、水利工程、采矿工程中得到广泛的应用，同时大量的工程实践也推动了锚杆支护技术的快速发展，并认识到预应力在锚杆支护中的决定性作用[1]，预应力锚杆支护作用的目的之一是其能与围岩形成一个“应力拱”，即应力承载结构[2-3]，进而充分发挥围岩的自承能力和锚杆的主动支护作用，T.A.Lang[4]同时又做了一个经典的“碎石锚固试验”，形象地解释了锚杆的这种加固作用，因此，研究预应力场在锚固围岩体内的分布规律、压应力带形成的条件、锚固区的范围具有重要的理论意义和工程应用价值。顾金才等[5-6]通过相似模拟试验研究了预紧力、锚杆长度对杆体周围应力分布的影响，并通过此确定了锚杆的锚固范围，又通过相似模拟试验研究了不同长度、角度的锚索在均质岩体、含水平断层和倾斜断层的岩体中应力的分布状态，并与数值计算结果进行了比较；康红普等[1，7-9]通过总结工程实践经验、FLAC3D数值模拟和相似模拟方法研究了预应力锚杆支护的支护效果和作用机制，预应力场在围岩体中的分布形态及其影响因素；林健等[10]通过相似模拟试验测试分析了单根锚杆不同预紧力时锚固体内横向和纵向应力场的分布情况；X.Guo[11]通过弹性理论研究了端部锚固锚杆在圆形托盘条件下的应力场的分布情况；A.Showkati等[12]研究了在含有垂直节理岩体中端部锚固锚杆产生的应力场在围岩中的分布；M.Ranjbarnia等[13]通过理论研究了全长预应力锚固锚杆在圆形巷道中的分布，并分析了预紧力、支护密度等对应力场分布情况的影响；丁秀丽等[14]采用FLAC3D数值模拟研究了预应力锚索的应力在围岩中的分布规律；王金华等[15]采用FLAC3D数值模拟得到了锚索在巷道围岩中的应力场的分布特征；李铀等[16]通过仿真试验与数值模拟试验相结合的方法研究了围岩体中的应力分布情况；韦四江和李宝富[17]通过数值模拟研究了预应力场的分布特征并确定了锚固体的形成及影响因素。然而，虽然锚杆支护应力场的分布情况及其影响因素的研究已经取得了很多成果，但是现有的研究主要以数值模拟和基于弹性理论的理论计算为主，而且已有的模型试验研究采用的相似比较小，相似比较大的模型试验研究又多以锚索为研究对象，锚固方式为全长水泥浆锚固或者是对穿锚固，与端部锚固锚杆还有很大差别，此外，以往的模型试验多只布置一层传感器，只能得到一个面上的应力分布，而无法得出应力场的空间分布情况，因此在预应力端部树脂锚固锚杆的应力场分布情况方面仍有待深入研究。本文以预应力端部树脂锚固锚杆为研究对象，通过制作的“锚杆支护应力场测试试验台”研究“托盘+单根锚杆”时的应力场的分布情况，并且实现了试验数据的三维可视化，从而为认识锚固机制和优化支护设计提供参考。2锚杆支护应力场测试试验台2.1试验台材料试验台所用的材料主要包括锚杆、托盘、锚固剂和用于模拟围岩的水泥和河沙，其中锚杆为长度为2.4m，直径为22mm的500#螺纹钢锚杆，托盘的尺寸为长×宽×厚=150mm×150mm×10mm，锚固剂为MSZ2335树脂锚固剂，又由于本次试验没有具体的工程参照背景，在岩体模拟方面主要考虑到防止试验台在反复加载过程中出现破坏以及模型材料本身的稳定性和经济性等因素，所以将模型材料的抗压强度定在40～50MPa范围内，经反复的材料配比试验后，确定以标号为325号的硅酸盐水泥和河沙为骨料，按照3∶7比例与适量的水均匀混合后，再放到振动台上振实，可以得到符合要求的模型材料。由于水泥砂浆材料的力学性能与养护时间有关，因此在制作试验台时预留了一批材料试样，放在与试验台相同的环境条件下进行养护，图1为测试应力场时，对其中3块试样进行单轴压缩试验时的应力–应变曲线，模型材料的平均单轴抗压强－0.0050.0050.0150.0250.03501020304050应力/MPa应变试样1试样2试样3图1模型材料单轴压缩的应力–应变曲线Fig.1Stress-straincurvesofmodelmaterialunderuniaxialcompression第35卷第11期林健等：端部锚固锚杆预应力场分布特征的大型模型试验研究•2239•度为45.5MPa，平均弹性模量为18.24GPa，泊松比的平均值为0.164。2.2试验台尺寸根据所研究的问题和锚杆的尺寸，自主设计了锚杆支护应力场测试试验台，试验台的几何参数为长×宽×高=2000mm×3000mm×2000mm，在试验台的中部布置4根锚杆，锚杆的间排距均为1000mm，每根锚杆与试验台相邻最近的2个边界的距离均为500mm，锚固长度均为500mm。试验台如图2所示。图2试验台示意图(单位：mm)Fig.2Diagramofthetestbench(unit：mm)2.3试验台数据采集系统由于试验不考虑地应力，所以在试验台表面没有配备垂直和水平方向的应力加载系统，试验台数据采集系统主要包括2个部分，一是对锚杆所施加的预紧力采集系统，另一个是试验台内部的应力采集系统。预紧力通过型号为ZHC–35载荷传感器测得，试验台内部的应力主要通过XYJ–2型的振弦式传感器测得。整个试验台的数据采集系统结构如图3所示。图3数据采集系统结构图Fig.3Structurediagramofdataacquisitionsystem在不考虑试验台自身重力的影响，由试验台的设计图可知，其自身应具有水平和垂直2个方向的轴对称特性，试验台内部的传感器的布置主要基于模型的对称性、兼顾锚杆锚固段与自由段、既要保证模型的完整性又要尽可能多的布点监测应力场分布的考虑，在距离模型底部边界1000mm，距模型右侧边界500mm，在高度方向上设置I(Z=1000mm)，II(Z=1166.67mm)