巖體錨固失效機理及預(yù)應(yīng)力錨固圍巖承載性能研究.pdf

1、針對深部高地應(yīng)力環(huán)境與極軟弱地層環(huán)境下的巷道開挖，傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護技術(shù)極易產(chǎn)生失效頻繁、可錨性較差、錨固支護強度低或主動支護效果不足等問題，使錨桿、錨索支護潛力難以充分發(fā)揮，支護系統(tǒng)整體強度降低，不利于巷道圍巖控制，增加潛在不安全因素，也會造成巷道復(fù)修率增加，支護成本升高。針對上述問題，明確錨固支護失效機理，優(yōu)化確定高強錨桿安全合理的支護設(shè)計參數(shù)，提出針對性控制措施，對保障上述巷道開挖圍巖穩(wěn)定性及煤炭資源的安全高效開采，具有重要的理

2、論價值及現(xiàn)實意義。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場試驗與現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，明確了軟弱圍巖錨固體界面漸進失效機理及錨固圍巖破裂機理，揭示了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強化機理及承載性能，提出了適用于高地應(yīng)力環(huán)境巷道開挖的高預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法及定量施加技術(shù)。
　　主要研究工作及成果如下:
　　1.軟弱圍巖錨桿錨固體界面力學承載特性分析
　　針對軟弱圍巖錨桿錨固劑與圍巖之間界面粘結(jié)能力較弱、錨固支護構(gòu)件可錨性較差

3、等問題，考慮錨桿錨固體設(shè)計參數(shù)、界面剪脹效應(yīng)、圍巖強度參數(shù)及圍巖應(yīng)力等因素影響，提出了錨固體界面黏結(jié)強度的理論計算分析方法，揭示了錨固體界面力學承載特性。軟弱圍巖錨固體界面抗剪能力與圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角、圍巖應(yīng)力正相關(guān)，與錨固體直徑負相關(guān);通過改善錨固段錨固工藝與采用注漿加固技術(shù)，是提高軟弱圍巖錨固支護構(gòu)件可錨性的有效途徑。
　　2.軟弱圍巖錨桿錨固體界面漸進失效機理研究
　　考慮軟弱圍巖錨桿錨固體界面剪脹

4、效應(yīng)與軟化效應(yīng)，提出了可有效描述界面“彈性-滑移剪脹-塑性軟化-脫黏”特性的本構(gòu)模型，并基于新提出本構(gòu)模型，建立了錨固體界面漸進失效的全歷程分析方法，得到了界面漸進失效過程中錨固體荷載傳遞規(guī)律及對應(yīng)極限拉拔力大小，揭示了軟弱圍巖錨桿錨固體界面的漸進失效機理。
　　3.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機理研究
　　針對預(yù)應(yīng)力錨固圍巖發(fā)生整體剪切破壞工況，考慮巖體破壞的非線性特征，建立了錨固圍巖破裂的力學分析模型，基于系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化平衡原理，確

5、定了錨固圍巖破裂機制與對應(yīng)極限拉拔力大小。當錨固圍巖發(fā)生整體破壞時，錨固體極限拉拔力大小主要取決于巖體質(zhì)量好壞，隨巖體經(jīng)驗參數(shù)A、抗拉強度、抗壓強度與上覆巖體荷載增加，極限拉拔力不斷增大。
　　4.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖力學效應(yīng)研究
　　根據(jù)錨桿作用疊加原理，建立了不同錨固長度下錨桿-圍巖力學作用模型，推導(dǎo)出了錨桿桿體及圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，并考慮錨桿長度、布設(shè)間距、錨固長度、預(yù)應(yīng)力等4大類因素影響，設(shè)計20種對比方案，開展了錨固圍巖數(shù)

6、值對比試驗，結(jié)合理論分析結(jié)果，揭示了不同錨固方式下圍巖支護力學效應(yīng)。研究表明:通過施加高預(yù)應(yīng)力，并留設(shè)一定自由段長度，或增加錨桿長度、減小布設(shè)間距，有利于錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴散，可形成有效的錨固圍巖承載結(jié)構(gòu)，當錨桿布設(shè)間距較大時，可通過提高預(yù)應(yīng)力、適當減少錨固長度來改善圍巖控制效果。
　　5.預(yù)應(yīng)力錨固圍巖強化機理研究
　　將非全長預(yù)應(yīng)力錨桿對圍巖的支護作用，劃分為錨固段圍巖被動強化區(qū)與自由段圍巖主動強化區(qū)，提出了錨固圍巖主

7、動支護強度及被動支護強度的理論計算分析方法，揭示了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖的強化機理。為實現(xiàn)錨桿支護潛力的充分發(fā)揮，最優(yōu)的錨桿錨固方式應(yīng)使自由段桿體與錨固段桿體支護潛力均得到最大程度發(fā)揮，具體可采用全長預(yù)應(yīng)力錨固方式（端部錨固、全長充填）來實現(xiàn)。
　　6.錨固圍巖承載性能模型試驗研究
　　研發(fā)了錨固模擬試驗裝置，考慮無錨桿支護與錨桿支護兩種工況作用，開展了錨固圍巖承載性能模型試驗，明確了預(yù)應(yīng)力錨固圍巖破裂機制及承載性能，驗證了理論分析

8、成果的正確性。研究表明:采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護可有效提高圍巖峰值、峰后承載能力及整體剛度，限制模型體圍巖的劈裂垮落破壞，使圍巖呈現(xiàn)出一定的延性變形破壞特征。
　　7.預(yù)應(yīng)力錨固支護簡化設(shè)計方法研究及應(yīng)用
　　針對現(xiàn)有錨桿預(yù)應(yīng)力缺乏有效設(shè)計理論的現(xiàn)狀，以深部拱形巷道為例，考慮頂板圍巖破壞的非線性特征及圍巖應(yīng)力與錨桿支護作用，構(gòu)造出項板圍巖破裂機制，基于上限分析理論，提出了巷道開挖初期頂板錨桿預(yù)應(yīng)力的一種簡化設(shè)計方法，給出了相應(yīng)工程

9、建議措施，并通過現(xiàn)場應(yīng)用實施，驗證了高強預(yù)應(yīng)力支護對頂板圍巖控制效果的優(yōu)越性。
　　8.不同錨固方式下圍巖控制效果現(xiàn)場試驗研究
　　考慮不同錨桿錨固長度及預(yù)應(yīng)力影響，設(shè)計系列對比試驗方案，開展了不同錨固方式下圍巖控制效果現(xiàn)場試驗，通過對各方案圍巖變形破壞特征、錨桿受力特性進行監(jiān)測分析，明確了不同錨固方式下巷道錨桿力學性能與圍巖控制效果。研究表明:提高預(yù)應(yīng)力是改善圍巖控制效果的有效途徑，在一定條件下，可適當縮減錨桿錨固長度，并