文摘

各种疾病和失败不可避免地出现在高速公路道路在富水地层的长期侵蚀下的水。很难支持富含水分的围岩巷道,因为水会腐蚀锚地债券和削弱围岩。的过程中支持、损伤与断裂的锚定螺栓经常出现在富水巷道。为了研究支持锚栓的稳定性分析过程中围岩断裂演化和预应力值之间的关系和地脚螺栓的长度,研究了围岩的破裂演化规律和进步脱胶法研究了螺栓的RFPA3D数值模拟,用MATLAB软件计算和画几个图揭示的机制分析方法。以下主要结论是:(1)围岩应力的变化和衰减有一定影响的稳定支持螺栓。围压的存在(水平应力)产生重大影响最终撤军的螺栓。(2)与围岩的渐进破坏、剪切应力、水平应力、围岩和垂直压力逐渐减少到零,和围岩的变化速度快在浅表面深而缓慢。(3)界面剪切应力倾向于较低的稳定价值剥离后,这意味着摩擦阻力相对稳定的价值在不同的位置。(4)界面脱胶后的摩擦阻力是一个重要的条件来维持较高的锚固力的平衡。如果没有摩擦阻力,当地脚螺栓的轴向力达到最初的临界值,该接口揭穿过程将开发灾难性的和无法稳定,直到彻底失败,即使轴向力不再增加。

1。介绍

在中国的大型煤矿建设,数量和公路里程也发展迅速。越来越多的高速公路道路受施工环境,施工条件,巷道操作期间和其他因素。大部分的煤矿巷道位于柔软broken-water-rich地层,屋顶和道路很容易开采扰动不稳定和崩溃。顶板事故占最高比例的中国煤矿安全事故,严重威胁着矿工的生命安全并限制煤炭开采的效率。很难支持富含水分巷道的围岩,因为水会腐蚀锚地债券和弱化围岩1- - - - - -3]。

众所周知,巷道支架的本质是维持围岩的力学平衡在一个指定的时间。此外,所有群众围岩大变形和崩溃是由机械引起的失衡。此外,围岩的力学平衡状态是动态变化的,这些变化与围岩的流变学时间。锚的支持是最直接的方法之一保持机械平衡。自发明以来,锚或电缆,被用来解决具有挑战性的采矿工程中存在的问题及其相关学科的支持。主持人有低成本的优势,良好的支持作用,和灵活的操作,因此他们被广泛使用4- - - - - -6]。锚的安装方式分为局部锚固和全长锚固,和部分可以应用于锚预应力锚定。预应力锚支持可以直接防止过早破裂围岩的巷道,与此同时,动员参与进行的岩体。因此,锚支持可以大大减缓恶化过程的围岩和屋顶保持安全稳定7,8]。尽管许多研究人员已经做了大量研究预应力锚,预应力锚栓的方法确定参数的支持还不成熟,因为它的动态破坏过程是复杂的和相应的研究方法有各种各样的限制。

的物理模型试验是一个重要的手段来研究锚的机制和特性的支持。模型试验可以视觉上直观地模拟整个过程的力,变形和破坏的工程结构,可以模拟复杂地质更全面和更实际的支持结构9- - - - - -11]。虽然物理模型可以模拟锚的破坏过程,不幸的是,内部的损伤过程模型不能看到和捕获,并重复物理实验是很困难的。此外,物理相似模拟的理论还不成熟,特别是有关的研究和选择类似的材料。最重要的问题是,物理模型测试也很困难和不便当学习时间在锚支持的影响。

是另一个重要的数值计算方法,研究锚支持的机制和特点。数值测试是可重复的和灵活的。在岩土工程中,常见的包括应用FLAC3D数值软件,3 dec, PFC3D,有限元分析和ANSYS [12- - - - - -15]。随着工程的挑战不断升级和计算需求继续增加,这些软件的局限性日益暴露出来。有两个主要的局限性。一方面,细胞的数量计算模型不能过度分裂;否则,计算速度可能缓慢,或计算可能停止由于内存需求超过电脑的能力。例如,一个3 d模型的大小 分为数以百万计的细胞和需要几天使用有限元法进行弹塑性分析。细胞的数量超过1000万时,三维模型几乎可以由计算机计算,特别是对相关的流变模型。另一方面,细胞的数量计算模型不能太小,或计算的结果不正确或不满足精度要求。尽管科学、技术和计算机性能的不断提高,计算机发展的速度远远没有满足某些大型工程项目的需求。此外,像物理模型试验,也很难研究锚支持时间的影响。

理论分析方法是数值模拟方法的补充。结合理论分析和数值模拟,一个支持的稳定锚定螺栓的过程中围岩断裂演化进行了分析。

2。应力法围岩断裂演化的过程

围岩断裂演化的过程中显示了很强的时效性。由于监测技术的限制,只有围岩表面位移和轴承压力监控现场。很难获取围岩应力演化的规律。在本章强调法律进化的过程中巷道围岩断裂通过RFPA-3D数值模拟研究,计算模型如图1。模型的大小是 ,和道路的高度和宽度是2800毫米和4800毫米,分别。仿真负载逐渐从2 MPa的围压增加到30 MPa直到巷道的围岩破坏和仿真终止。

数值模型的力学参数如表所示1。类似的材料参数模型和数值模型是根据物理模型的相似比例原则。通过考虑工程条件和帧大小、几何和力学相似率测定: :20, :1.6, :100 (CL是几何相似常数,Cρ是密度相似常数,C是压力的恒定相似)。

数值模型和物理模型保持材料特性的一致性,但没有统一的要求装运,从零逐渐加载,直到模型被摧毁。图2显示了法律的变化和演变的数值模拟和物理模拟。物理模型的最大位移后失败是72毫米。与160毫米的初始状态相比,屋顶塌陷是45%;然而,失败后的最大位移数值模型1.24米,低于44.2%的初始2.8米。结果表明,顶板变形和收缩的速度都达到了约45%的巷道。此外,他们显示骨折后拱的形状巷道围岩的加载失败,及其裂缝形状和特征是高度一致的。因此,数值模拟和物理模型是一致的失败,和断裂演化数值模拟数据信息的使用可以揭示围岩应力演化法的过程中断裂。

图3显示了破坏过程和巷道围岩的应力演化规律。图3(一个)显示了围岩的破裂演化过程;图3(b)显示了围岩的应力曲线在不同位置的1米内巷道顶板;图3(c)显示了围岩的应力曲线在不同的位置在2.5米的巷道顶板;和图3(d)显示了围岩的应力曲线在不同的位置在4米的巷道屋顶。剪切应力的研究结果表明,在初始状态,1米的峰值剪应力上面的屋顶是3 MPa,屋顶的峰值剪应力在2.5米1.5 MPa,和屋顶的峰值剪应力在4米是1.0 MPa。屋顶的峰值剪应力逐渐减少从表面到内部。围岩压力的逐渐增加,峰值剪切应力也逐渐增加(3 MPa 7.5 MPa的屋顶1米)。当峰值剪切应力超过围岩的抗剪强度,围岩将被摧毁,剪应力峰值将相应减少。与围岩渐进破坏,剪切应力值逐渐趋向于零。这一趋势发生逐渐从外部到内部。水平应力的研究成果(方向)表明,在初始状态,水平应力(在不同位置的方向)1 m屋顶是均匀分布的,在不同的位置和水平应力倾向于4 MPa。屋顶的水平应力曲线2.5和4米在屋顶基本上是一致的,在1米。围岩压力的逐渐增加,水平应力值在不同的位置(1、2.5和4米的屋顶)在垂直方向也逐渐增加(4 MPa 10 MPa);当水平应力超过围岩的强度,围岩将受损,并相应水平应力将降低;随着围岩渐进破坏的,水平应力逐渐趋于零;这一趋势发生逐渐从外部到内部。研究结果在垂直压力(方向)表明,垂直应力分布在不同的层(1、2.5和4米的屋顶)显然是不同于水平应力。在初始状态,1 m层屋顶,道路中间的垂直压力接近于零,和垂直压力两边的道路逐渐增加。与1 m的屋顶,屋顶的最小垂直压力在2.5成为1.8 MPa,和最小垂直应力在屋顶变成4 m 2.2 MPa。与围岩渐进破坏,整个垂直应力减小,垂直应力在水平方向不同位置逐渐趋于0从中间到两边。这一趋势发生逐渐从外部到内部。一句话,与围岩的渐进破坏、剪切应力、水平应力、围岩和垂直压力逐渐减少到零,和围岩的变化速度快在浅表面深而缓慢。围岩的失败之前,围岩的压力将随着埋深的增加而增加。在进步的过程中失败和围岩的破坏,应力场逐渐转移到深部分和双方的道路。值的垂直应力、水平应力和剪切应力范围内围岩的破坏逐渐减少。本法有助于分析螺栓的应力状态不同阶段和指导安全控制锚的支持。

3所示。锚的进步脱胶过程基于数值模拟

围岩应力的变化和衰减有一定影响的稳定支持地脚螺栓。在这一章,RFPA-3D软件是用于研究锚拉伸断裂过程的演化规律。的矩阵大小混凝土数值模型 ,螺栓的直径20毫米,长度是330毫米,暴露30毫米,界面锚固剂的厚度是2毫米。加载模式以位移为变量,并加载步是0.01毫米。岩石的强度矩阵是50 MPa,弹性模量是10000 MPa。锚固剂的强度和弹性模量是30 MPa和7000 MPa,分别。螺栓的强度和弹性模量是1400 MPa和210000 MPa,分别。底层模型的矩阵是固定的,和锚杆是由外力拉动,如图4为特定的模型。

3.1。失效分析锚绘图过程

安克雷奇的断裂过程界面如图5。图代表负载一步一步有限元计算。从图可以看出5(一个),在加载的初始阶段(步骤1,18 kN),没有明显的故障模型中,锚的拉伸应力主要集中在锚的露头。增加的负载(步骤2,图5 (b)),损害元素第一次出现在嵌入式的螺栓(即暴露的螺栓是在岩石中矩阵)和附近的锚固界面,和锚固界面部分disbonded和失败。这是由于刚度、强度等力学参数的anchor-interface-matrix大相径庭,导致不协调变形。然后,锚固界面单元将受损后其强度超过阈值。随着荷载继续增加(步骤3 ~ 12步,数字5 (c)- - - - - -5 (j)),在锚固界面裂缝继续扩展从表面到内部,直到完全脱层的接口。当锚完全脱胶失败,地脚螺栓的极限拉拔力是220 kN。

3.2。进化分析声发射

声发射(AE)是一种无损检测方法,可有效期间材料损伤的定位和检测组件的能量释放过程中损坏。通过研究声发射的演化过程,材料的裂纹扩展演变规律,可以有效地揭示。图6清楚地显示了声发射的时空演化图RFPA3D软件,和粉红色泡沫代表剪切破坏和蓝色的泡沫代表拉伸断裂。在加载的初始阶段,拉力很小,不会发生AE模型中(步骤1),表明锚固界面稳定,不会发生破坏。随着拉力的逐渐增加,声发射第一次出现在露头的锚,和没有明显的声发射泡沫生成的内部模型。这时,声发射位置的锚定界面脱层和摧毁。损坏的类型包括拉伸断裂和剪切破坏,但拉伸断裂是重要的在加载的初始阶段(步骤2)。随着加载的继续,AE泡沫以及锚的接口不断出现。与附近的AE泡沫露头相比,AE泡沫小而致密的内部接口;此时,剪切破坏逐渐占主导地位(步骤3步骤12)。在加载后期,AE泡沫填充在锚固界面,显示界面脱层。结果表明,AE进化是一个循序渐进的过程中锚画画,所以泡沫发展。界面脱胶是剪切破坏的主要原因,其次是拉伸断裂; however, it is worth noting that the essence of shear debonding is tensile failure on the maximum shear plane.

3.3。轴向力和界面剪切应力的演变规律,锚

图7(一)显示锚的变化在不同的位置和轴向力加载的步骤。在本部分中,在地脚螺栓图纸剪切应力的变化规律进行了研究。在早期阶段的加载、螺栓轴向力曲线的相对温和的(步骤1),和地脚螺栓的拉力是18 kN。随着加载步骤的推移,实验的拉拔力逐渐增加,和螺栓的轴向力在不同的位置也会增加(步骤2 ~步骤12)。轴向力的变化也反映了锚固界面的剥离过程。在实验中,剪切力和摩擦阻力的总和脱胶锚固界面的位置应与锚拉力的平衡。锚固界面没有脱胶提供剪切阻力。脱层锚固界面提供摩擦阻力。因此,剪切强度之间的差异或摩擦阻力和锚栓拉拔力锚轴向力在不同位置。连续拉拔力的增加会导致接口的常量脱胶。 At the same time, the axial force of the anchor bolt is constantly adjusted, and the shear force and frictional resistance of the anchorage interface continue to increase until the anchor bolt is completely debonded and fails. Figure7 (b)显示了锚固界面的剪切应力变化规律和围岩界面。同样,没有脱胶的剪切应力部分剪切强度,而剥离的剪切应力是摩擦阻力。在剪切应力曲线,峰值附近的位置是脱胶的位置。右边的峰值代表脱胶,左边代表undebonding。剪切应力曲线也生动地显示了进步脱胶过程中锚(步骤1 ~ 12步)。结果表明,界面剪切应力倾向于较低的稳定价值剥离后,这意味着摩擦阻力相对稳定的价值在不同的位置。

3.4。围岩压力之间的关系和锚固界面脱胶

基于上面的锚定螺栓撤离模型中,失败的过程和最终撤军的四种不同围压下的螺栓0,0.1,0.6,和1.1 MPa进行了研究。图8显示的位移变化曲线不同围压下的地脚螺栓和锚固界面;当位移差别很大,认为锚固界面脱胶失败。拔力时18 KN,四个围岩条件下锚固界面不是边界点;抗拔力时118 kn,锚固界面的围压0 MPa是边界点约100毫米,锚固界面围压为0.1 MPa大约60 mm脱层,锚固界面围压为0.6 MPa大约45毫米脱层,和锚固界面围压为1.1 MPa大约30毫米脱层;当抗拔力220 kN,锚固界面的围压0 MPa完全脱层(300毫米),锚固界面围压为0.1 MPa约为170毫米,锚固界面围压为0.6 MPa约为120毫米,和锚固界面围压为1.1 MPa约为80毫米。结果表明,围压的存在(水平应力)产生重大影响最终撤军的螺栓,围压越高,最终撤军力越大。

3.5。在锚杆支护围岩断裂过程的影响

随着时间的变化,巷道的围岩将逐渐损伤与断裂(16- - - - - -20.),导致逐渐剥离锚固界面。逐渐剥离的螺栓的锚固界面会影响稳定支持和危及安全的支持。我的埋藏深度的增加,围岩的破裂范围会增加,导致大范围的脱胶和锚固界面的剥离,更高的风险水平。由于围岩的异质性和不对称负载、断裂过程的围岩也提供了一个不规则的形状,和锚固界面脱胶法是很难统一的。这方面需要继续研究通过统计力学和其他方法。螺栓预应力是一种有效的方法来消除或缓解这个问题。选择适当的螺栓预应力的帮助支持围岩的稳定性。预应力可以减缓围岩的损伤和破坏速度,从而减慢的脱胶速度锚接口和维护巷道顶板的安全。适当的预应力参数将在下面讨论。

4所示。锚的关键支持索引分析基于解析解

锚的解析解由两部分组成:成键和托盘(21),如图1。单锚的解析解对围岩如下(22- - - - - -25]: 在哪里托盘的边长,的预应力锚,的免费部分的长度是锚,然后呢是锚的焊接部分的长度。相应的解析解得到的(26,27),结果如下: 在哪里的锚定轴向力是成键的一部分吗位置,的初始预应力锚。使用剪力滞后的方法(28和相关的测试结果29日)的解析表达式组织结构如下: 在哪里围岩的弹性模量,增粘剂的弹性模量,的弹性模量是锚,锚的半径,锚安装孔的半径,是围岩的泊松比,泊松比的增粘剂,是锚的泊松比。

基于方程(1),锚的垂直和水平应力矩阵如下: 在哪里垂直的距离吗 - - - - - -锚yoz平面和垂直的距离吗 - - - - - -th锚xoz平面在笛卡儿坐标系统。

当一些叠加,围岩应力的耦合矩阵的锚,及其计算公式如下。

的垂直应力矩阵

水平应力矩阵 在哪里 和 围岩的应力矩阵是自我在垂直和水平方向上,分别。基于方程(6),他们的矩阵表达式如下:

当围岩自身的矩阵为零,上述结果简化如下。

基于方程(5)和(6的应力等值线图),支持螺栓和围岩之间的相互作用可以计算。有三个关键支持预应力锚杆的力学参数:初始预应力, ;锚长度, ;和自由段长度, 。本节计算并分析了不同预应力下的屋顶的受力状态, ,和自由长度, 。锚的测试参数如表所示2。

基于上面的方程(1)和(5),屋顶的压力等值线与不同的预应力, ,可以获得,如图9。为便于分析,压应力的范围大于0.05 MPa的定义是有效压应力区(ECSZ)和范围压力小于0 MPa的定义是特区(深圳)。结果表明,有两种不同的ECSZs(数字9(一个)- - - - - -9 (f),9 (h),9(我),9 (k),9(左),9 (o))。一ECSZ位于锚定部分(这一部分叫做AECSZ),和其他ECSZ位于自由部分(这一部分叫做FECSZ)。此外,还有两种不同的深圳。一个深圳位于锚定以下部分(这一部分叫做ASZ),和其他深圳附近围岩的表面(这一部分叫做SSZ或死区)。其中深圳,SSZ限制围岩内边缘(数字9(一个)- - - - - -9 (o))。自由长度时,L,变得更长,边缘移动或扩大慢慢地向里面的屋顶,和SSZ逐渐变大的范围(数据9(一个)- - - - - -9 (c)(数据9 (g)- - - - - -9(我)等)。当自由长度, ,是恒定的,有趣的是,限制边界的位置和范围的SSZ常数预应力的不管。的预应力锚增加,FECSZ的范围,AECSZ, ASZ逐渐变大,范围FECSZ和AECSZ靠近最后混合(数字9 (g),9 (j),9(米),9 (n))。此外,结果表明,ECSZ的宽度减少的方向和FECSZ的高度增加自由长度方向, ,增加。摘要预应力的预应力锚叫终极FECSZ和AECSZ混合。然后,4米和5米的关键预应力锚大约500 kN 1500 kN,分别为(数字9 (d)和9 (k))。

在这一章中,研究了预应力锚栓的主要支护参数分析方法,它提供了设计依据的支持深,艰难的围岩。不幸的是,剪切应力在锚固区域分析方法是固定的;事实上,剪切应力是可变的工程,尤其是界面剥离的过程。RFPA数值模拟剪切应力变化可以提供的基础螺栓的解析解。深入分析方法的综合分析和数值模拟将继续在未来的工作中,这将为改善分析方法提供参考。

5。结论

大部分的煤矿巷道位于柔软broken-water-rich地层,屋顶和道路很容易开采扰动不稳定和崩溃。本文研究压力的法律进化的过程中围岩断裂和围岩断裂和预应力锚支持之间的关系。同时也分析了预应力锚杆的力学性能分析方法和数值模拟。下面给出一些结论:(1)围岩应力的变化和衰减有一定影响的稳定支持螺栓。围压的存在(水平应力)产生重大影响最终撤军的螺栓。围压越高压力越大,最终撤军的力量。当围岩的围压应力达到1 MPa,与0 MPa条件相比,锚极限承载力的增加约一个时间。作者认为,当围压应力垂直于锚达到1 MPa,锚的锚固性能可以产生(2)有一个关键,最优值的预应力锚。例如,4 m的锚长度(2 m自由长度)约500 kN的临界值。锚支持设计的初始预应力锚建议40%的临界值(3)当围岩的预应力锚的行为,是有限度的边缘,这主要是与锚的自由长度和粘结长度和不相关的预应力锚。这个结果可以预测的程度死区(SSZ)巷道支架(4)随着负载的增加,de-bonded锚固界面裂缝不断扩大从表面到内部。脱胶后,界面剪切应力趋于稳定值较低,这意味着摩擦阻力相对稳定的价值在不同的位置。在数值实验中(成键的长度是300毫米),地脚螺栓的极限拉拔力大约是220 kN(5)界面脱胶后的摩擦阻力是一个重要的条件来维持较高的锚固力的平衡。如果没有摩擦阻力,当地脚螺栓的轴向力达到最初的临界值,该接口揭穿过程将开发灾难性的和无法稳定,直到彻底失败,即使轴向力不再增加

数据可用性

数据只能提供从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财政支持的国家重点实验室的基础的公共大数据(no.PBD2022-18),中国。