本文摘要：摘要:錨桿是地下工程硐室的主體支護方式,為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。本文從吸能錨桿的研發(fā)歷程、性能試驗與現(xiàn)場應(yīng)用3個方面進行了總結(jié)和分析。吸能錨桿通過結(jié)構(gòu)滑移和材料變形2種方式吸收
摘要:錨桿是地下工程硐室的主體支護方式,為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。本文從吸能錨桿的研發(fā)歷程、性能試驗與現(xiàn)場應(yīng)用3個方面進行了總結(jié)和分析。吸能錨桿通過結(jié)構(gòu)滑移和材料變形2種方式吸收能量,按工作原理可分為結(jié)構(gòu)型與材料型2種吸能錨桿。兩者相比,材料型吸能錨桿結(jié)構(gòu)相對簡單,能夠充分發(fā)揮材料力學性能。筆者團隊研發(fā)了恒阻吸能新材料錨桿,開展了靜力拉伸與動力沖擊試驗,結(jié)果表明該錨桿具備高強、高延伸率和高吸能特性,能夠滿足復雜條件下的圍巖控制要求。未來應(yīng)制定恒阻吸能錨桿的試驗、設(shè)計、施工與驗收標準,實現(xiàn)其在礦山、交通、市政、水利等不同領(lǐng)域地下工程中的推廣和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:地下工程;吸能錨桿;工作原理;力學性能;現(xiàn)場應(yīng)用
隨著地下工程的迅速發(fā)展,工程建設(shè)過程中經(jīng)常面臨高應(yīng)力、極軟巖、強采動等復雜條件[1-3],極易出現(xiàn)軟巖緩慢大變形、巖爆與沖擊地壓瞬時大變形等破壞現(xiàn)象[4-5]。緩慢和瞬時大變形是圍巖能量積聚和釋放的結(jié)果,解決上述問題的關(guān)鍵是利用支護體系吸收圍巖釋放的能量,減少能量積聚[6]。
錨桿作為錨網(wǎng)索、錨網(wǎng)噴等支護體系的核心[7-11],被廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)中。傳統(tǒng)錨桿在復雜條件下易出現(xiàn)桿體破斷等現(xiàn)象[12],難以滿足復雜條件下的吸能支護要求。因此,研發(fā)具有良好吸能效果的錨桿對于圍巖大變形控制具有重要意義。相關(guān)研究表明,吸能錨桿應(yīng)具備高恒阻力和大變形能力,一方面能夠改善圍巖本身的力學狀態(tài),提高圍巖強度,另一方面吸收巖體變形能,使圍巖中的能量得到釋放[13]。
同時,必須對開挖后的圍巖施加盡可能高的預(yù)應(yīng)力補償支護,最大限度地恢復圍巖強度,保持巷道圍巖穩(wěn)定[14]。國內(nèi)外學者對吸能錨桿進行了大量研究,研發(fā)了不同種類的吸能錨桿。根據(jù)工作機理吸能錨桿可分為結(jié)構(gòu)型和材料型2種。其中,結(jié)構(gòu)型錨桿又可分為桿體結(jié)構(gòu)型和機械結(jié)構(gòu)型。
桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過桿體-錨固劑摩擦或桿體-圍巖摩擦來實現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Swellex錨桿[15]、Cone錨桿[15-17]、ModifiedCone錨桿[18-19]、J型錨桿[20]等。機械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過桿體在機械結(jié)構(gòu)中摩擦來實現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Garford錨桿[21,22]、Roofex錨桿[23]、恒阻大變形錨桿[24-25]等。材料型吸能錨桿是指通過桿體自身變形,吸收圍巖變形能量的錨桿,如D型錨桿[26]、BHRB錨桿[27]、PAR1錨桿[28]等。
本文總結(jié)了吸能錨桿的構(gòu)件組成、工作原理、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場應(yīng)用等研究內(nèi)容,同時對吸能錨桿試驗、設(shè)計、施工與驗收標準以及在不同領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用進行展望。
1吸能錨桿研發(fā)歷程
自20世紀80年代吸能錨桿問世以來,眾多學者不斷對吸能錨桿進行優(yōu)化與創(chuàng)新,取得了一系列成果。
1.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
1982年,瑞典AtlasCopco公司的Hoek等[15]研發(fā)了一種水脹式錨桿———Swellex錨桿,由帶有凹槽的無縫鋼管桿體和托盤等組成,高壓注水使桿體膨脹,從而利用桿體和圍巖之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;1987年,ChamberofMinesResearchOrganization[15-17]研發(fā)了Cone錨桿,由金屬桿體和錐形端頭等組成,在錨桿尾部添加錐形體,利用錐形體與錨固劑之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;2000年,Noranda公司在Cone錨桿的基礎(chǔ)上增加了樹脂錨固劑攪拌裝置,研發(fā)了ModifiedCone錨桿[18-19]。
此后,針對桿體結(jié)構(gòu)型錨桿的研究多以Cone錨桿為基礎(chǔ)進行改進,2020年,趙興東等[20]研發(fā)了具有多點錨固作用和整體滑移釋能能力的J型錨桿,由攪拌模塊、變形模塊和錨固模塊等組成,能夠同時利用錨桿錐形體-錨固劑的摩擦做功和桿體變形吸收圍巖變形能量。
1.2機械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
1995年,澳大利亞GarfordPty公司[21-22]研發(fā)了Garford錨桿,由光滑桿柄、錨箍和樹脂攪拌器等組成,利用錨桿桿體與錨箍之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。此后,針對機械結(jié)構(gòu)型錨桿的研究較少,直至2009年,AtlasCopco公司Plouffe等[23]研發(fā)了Roofex錨桿,由桿體、能量吸收部件以及彈性套筒等組成,利用能量吸收部件中銷釘與桿體的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。同年,何滿潮等[24-25]研發(fā)了具有負泊松比效應(yīng)的恒阻大變形(Constantresistancelargedeformation,CRLD)錨桿,由錐體、桿體、套管、托盤等組成,利用錐體與套管之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量,具有高恒阻力和大變形能力。
1.3桿體材料型吸能錨桿
2006年,Li等[26]研發(fā)了D型錨桿,由多個分布不均勻的錨固結(jié)構(gòu)和桿體等組成,利用錨固結(jié)構(gòu)間桿體的伸長來吸收圍巖變形能,部分桿體破斷并不會導致整個錨桿的失效;2010年,康紅普等[27]研發(fā)了BHRB錨桿,由桿體、托盤、減摩墊圈、螺母等組成,通過優(yōu)化桿體材料提高了錨桿桿體物理力學性能,從而提高了錨桿的吸能能力;2018年,NewConceptMining公司[28]研發(fā)了PAR1錨桿,由桿體、槳形錨固結(jié)構(gòu)、托盤等組成,利用槳形錨固結(jié)構(gòu)間桿體的變形來吸收圍巖變形能。
2吸能錨桿力學性能研究
為研究吸能錨桿在圍巖緩慢變形和瞬時變形時的力學性能,眾多學者開展了吸能錨桿的靜力拉伸與動力沖擊試驗。
2.1吸能錨桿靜力試驗研究進展
2.1.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
XuS等[29]對Swellex錨桿進行了靜力學試驗,得到其極限荷載為235kN,伸長量為153mm;OrtleppWD[17]開展了Cone錨桿的靜力學試驗,得到其屈服荷載為181~253kN,伸長量大于30mm;CaiMing等[30]對ModifiedCone錨桿進行了靜力學試驗,得到其極限荷載約為150kN,伸長量大于150mm;趙興東等[20]利用靜力拉伸試驗機對J型錨桿進行了靜力拉伸試驗,得到其屈服荷載為172kN,極限荷載為196kN,伸長量為15mm。
2.1.2機械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
SenganiF[31]對Garford錨桿進行了靜力學試驗,得到其屈服荷載為153~165kN,極限荷載為184~233kN,伸長量為252~280mm;OzbayU等[23]對Roofex錨桿進行了靜力拉伸試驗,得到其屈服荷載為80kN,極限荷載為100kN,伸長量為300mm;何滿潮等[13]利用錨桿靜力拉伸試驗機對恒阻大變形錨桿進行了靜力學試驗,得到其屈服荷載約為150kN,極限荷載為160kN,伸長量為627mm。
2.1.3桿體材料型吸能錨桿
Li[26]利用靜力拉伸試驗機對D型錨桿進行了靜力學試驗,得到其屈服荷載為51kN,極限荷載為69kN,伸長量為22mm;王愛文等[32]對BHRB錨桿進行了靜力學試驗,得到其屈服荷載為200~210kN,極限荷載為360~370kN,伸長量為360~370mm;NewConceptMining公司[33]對PAR1錨桿進行了靜力學試驗,得到其極限荷載為210kN,伸長量為185mm。
2.2吸能錨桿動力試驗研究進展
2.2.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
Charette[34]開展了Swellex錨桿的動力沖擊試驗,得到其伸長量為80mm,吸收的能量為2.9×104J;Ortlepp[35]開展了Cone錨桿的爆炸沖擊試驗,炸藥質(zhì)量為1.0kg,得到其吸收的能量為3.9×104J;St-Pierre等[36]開展了ModifiedCone錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為0.5m,落錘質(zhì)量為1016kg,得到其伸長量為250mm,吸收的能量為3.0×104J;趙興東等[20]開展了J型錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2006kg,得到其伸長量為184mm,吸收的能量為4.7×104J。
2.2.2機械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
Varden等[37]開展了Garford錨桿的落錘沖擊試驗,沖擊速度分別為6m/s和8m/s,得到其伸長量為180mm,吸收的能量為(6.5~7.0)×104J;Charette等[38]開展了Roofex錨桿的動力沖擊試驗,得到其伸長量為200mm,吸收的能量為2.7×104J;何滿潮等[13,39]開展了恒阻大變形錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為700~1000mm,落錘質(zhì)量為1000kg,得到其伸長量為580mm,吸收的能量為5.4×104J。
2.2.3桿體材料型吸能錨桿
Li等[26,40]開展了D型錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2006kg,得到其伸長量為140mm,吸收的能量為(2.0~3.7)×104J;王愛文等[32]對BHRB錨桿開展了高能量一次沖擊加載方式下的動力沖擊研究,得到其伸長量為385mm,吸收的能量為6.0×104J;Knox等[41]開展了PAR1錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2071kg,得到其伸長量為254mm,吸收的能量為(9.8~10.2)×104J。桿體材料型吸能錨桿試驗結(jié)果見表3序號3-1~3-3。
3吸能錨桿現(xiàn)場應(yīng)用
1999年,Turner等[45]將Cone錨桿在具有高應(yīng)力和強沖擊傾向性的DigBell礦中應(yīng)用,在等級M=1.7(里氏震級)的微震影響下,該類錨桿支護區(qū)域圍巖最大變形為500mm,保證了巷道穩(wěn)定;2000年,Simser等[19]將ModifiedCone錨桿在具有高應(yīng)力和強沖擊傾向性的Brunswick礦中應(yīng)用,該類錨桿最大變形量為180mm,有效吸收了圍巖變形釋放的能量;2008年,Yao等[18]將ModifiedCone錨桿在ValeIncoCopperCliffNorth礦中應(yīng)用,在等級Mn=2.9(納特里震級)的微震影響下,該類錨桿未發(fā)生破斷失效。上述錨桿施工工藝[18,19,45]為圍巖鉆孔、桿體潤滑材料涂抹、錨固劑裝填、桿體旋轉(zhuǎn)安裝、托盤及螺母安裝。上述錨桿在施工時圍巖鉆孔直徑較大,旋轉(zhuǎn)安裝錨桿時潤滑涂層極易剝離桿體。
巖土工程論文范例：巖土工程中水文地質(zhì)勘查技術(shù)的應(yīng)用
4總結(jié)與展望
(1)傳統(tǒng)支護體系在圍巖大變形時易發(fā)生破斷失效,導致冒頂、塌方、沖擊地壓等事故頻發(fā)。為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。
(2)吸能錨桿按工作機理可分為結(jié)構(gòu)型吸能錨桿與材料型吸能錨桿,相比前者,材料型吸能錨桿結(jié)構(gòu)相對簡單,能夠充分地發(fā)揮材料力學性能。筆者團隊研發(fā)了恒阻吸能新材料錨桿,同時具備高強、高延伸率和高吸能特性,初步滿足了復雜條件圍巖控制要求。隨著地下工程圍巖條件越來越復雜,研發(fā)具有更高強度、高延伸率和高吸能特性的材料型吸能錨桿成為未來錨桿的發(fā)展趨勢。
(3)吸能錨桿的力學性能主要通過單軸拉伸試驗和落錘沖擊試驗開展研究。由于錨桿在支護過程中受到拉、剪、扭、彎及高速沖擊等多種載荷作用,現(xiàn)有試驗難以模擬錨桿實際受力狀態(tài),下一步應(yīng)開展吸能錨桿在多種載荷作用下的靜力學性能研究和高應(yīng)變率下的動力學性能研究。
(4)吸能錨桿目前主要應(yīng)用于礦山工程領(lǐng)域,形成了相應(yīng)的施工工藝。但是已有文獻對吸能錨桿現(xiàn)場應(yīng)用的研究較少,下一步應(yīng)對吸能錨桿在現(xiàn)場應(yīng)用時的力學性能和圍巖控制效果進行研究,制定吸能錨桿的設(shè)計、施工和驗收標準,推廣吸能錨桿在交通、市政、水利等不同領(lǐng)域地下工程中的應(yīng)用。
參考文獻：
[1]何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.HeManchao,XieHeping,PengSuping,etal.Studyonrockmechanicsindeepminingengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(16):2803-2813.
[2]WangQ,HeMC,YangJ,etal.Studyofano-pillarminingtechniquewithautomaticallyformedgob-sideentryretainingforlongwallminingincoalmines[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2018,110:1-8.
[3]王琦,高紅科,蔣振華,等.地下工程圍巖數(shù)字鉆探測試系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].巖石力學與工程學報,2020,39(2):301-310.WangQi,GaoHongke,JiangZhenhua,etal.Developmentandapplicationofasurroundingrockdigitaldrillingtestsystemofundergroundengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2020,39(2):301-310.
作者：江貝1,王琦1,2,3,魏華勇1,2,辛忠欣3,何滿潮1,吳文瑞1,2,馬鳳林1,2,許碩1,2,王業(yè)泰
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