不同錨桿錨固方式洞室抗爆性能分析

張向陽，沈　俊，徐景茂，孔福利

(總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023)

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不同錨桿錨固方式洞室抗爆性能分析

張向陽，沈俊，徐景茂，孔福利

(總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023)

[摘要]錨桿根部加強和普通長密錨桿加固洞室抗爆性能對比試驗結果表明，在爆炸條件下，錨桿根部加強加固洞室拱頂與底板發生相背位移，普通長密錨桿加固洞室拱頂與底板發生相向位移，盡管錨桿根部加強洞室的位移峰值較大，由于其塑性變形能力得到提高，塑性變形消耗的爆炸能量增大，其最終破壞程度較輕。在爆炸荷載作用下，錨桿根部加強加固洞室抗爆效果要優于普通長密錨桿加固洞室的抗爆效果。

[關鍵詞]錨固方式；洞室；根部加強；普通長密錨桿；模型試驗

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.027

[引用格式]張向陽，沈俊，徐景茂，等.不同錨桿錨固方式洞室抗爆性能分析[J].煤礦開采，2015，20(5)：101-105.

在我國巖土工程加固領域，靜載條件下的錨桿的加固性能的研究已經比較系統，相關研究成果及錨桿加固技術得到了廣泛應用；而在爆炸荷載條件下，錨桿的抗爆加固效應研究還開展較少，從而影響不同錨固方式錨桿在爆炸荷載條件下的推廣應用。爆炸荷載作用下洞室變形及錨桿受力有何特性等是洞室抗爆性能的重要指標，采用何種錨固技術是合理的值得深入研究[1-4]。目前，采用小比尺模型爆炸試驗是進行該領域研究的主要手段。本文應用模型試驗和數值計算相結合的方法，對集團(即塊狀)裝藥在距拱頂正上方一定距離處爆炸時，比較了普通長密錨桿加固洞室、錨桿根部加強措施加固洞室的抗爆性能，并對洞室圍巖的變形特性及錨桿受力特征進行了研究。

1模型試驗設計

1.1　相似比例系數及模擬材料的選取

1.1.1相似比例系數

本次模型試驗按照Froude(弗洛得)相似理論進行設計和試驗，在該相似準則中，選取的模型材料需要滿足的基本相似關系式為：

Kσ=Kρ·KL

式中，Kσ為模型與原型之間具有應力量綱參數的相似比例系數；Kρ為模型與原型之間密度相似比例系數；KL為模型與原型之間具有幾何長度量綱參數的相似比例系數。

模型試驗是在總參工程兵科研三所新研制的“巖土工程抗爆結構模型試驗裝置”[5]上進行，裝置圍成的內部空間即為模型體的內部尺寸：長×寬×高=1.5m×2.4m×2.3m。選取以下相似比例系數：幾何相似系數KL=0.1；密度相似系數Kρ=0.7；應力相似系數Kσ=Kρ·KL=0.07。

1.1.2模擬材料的選取

(1)原型巖體的選取原巖選取工程中常遇到的Ⅲ類中等強度巖體，洞室形狀選取常見的直墻拱頂形洞室。通過材料配比試驗，選取配比為砂∶水泥∶水=15∶1∶1.6(重量比)的水泥砂漿作為模型材料，原巖及相對應要求的材料參數及選定的模型材料力學參數詳見表1。

表1　Ⅲ類圍巖及模型材料物理力學參數

(2)錨桿及注漿體模擬材料的選取在實際工程中，洞室圍巖加固一般采用直徑為20～25mm的Ⅱ級螺紋鋼筋作為錨桿桿體材料，其彈性模量E=210GPa，抗拉強度極限為σb=350MPa；選用配比為水泥∶砂∶水=2∶1∶0.8的水泥砂漿作為注漿材料，其彈性模量E=15GPa，單軸抗壓強度為Rc=40MPa，泊松比為0.13。錨桿孔孔徑為50mm左右。

依據相似比例要求，待選取的錨桿模擬材料的彈性模量E錨桿模型=14.7GPa，抗拉強度極限為σb錨桿模型=24.5MPa，直徑為2.0～2.5mm；待選取的注漿材料的彈性模量E注漿模型=1.05GPa，抗壓強度Rc注漿模型=2.8MPa，錨桿孔孔徑為5.0mm。

通過材料配比試驗，錨桿模擬材料選用直徑為1.84mm的軟鋁絲來模擬，其彈性模量E鋁絲=50GPa，抗拉強度σb鋁絲=120MPa。

注漿材料用配比為水∶石膏=0.7∶1的石膏漿，其彈性模量E石膏漿=4.0GPa，抗壓強度Rc石膏漿=5.0MPa，模擬錨桿孔的直徑為5mm。

1.2　試驗布置

錨桿根部加強加固洞室(M14)：對洞室采取普通長密錨桿參數加固外，對于洞室拱部，在每2根相鄰長錨桿根部正中位置沿徑向布置1根短錨桿，長度為0.12m，全長粘結型。

普通長密錨桿加固洞室(M15)：錨桿縱、橫間距為0.4m，長度為0.24m，全長粘結型。2個試驗段錨桿布置截面見圖1。

在一塊模型體內沿1.5m短方向布置了2個試驗段，TNT藥包埋放于兩試驗段交結部位正上方，為了避免兩試驗段的相互影響，在爆點正下方的洞壁上設置了隔離槽，在每個試驗段加固洞室內設置了4個加速度測點(a1～a4)，2個位移測點u1，u2， 6個洞壁環向應變測點。試驗段布置見圖2。

圖1　不同錨桿加固方式錨桿布置橫截面

圖2　試驗段布置

2試驗結果

在該模型體上共進行了5炮次的爆炸試驗，限于篇幅，本文選取第2炮及藥量為100g，埋深為700mm(幾何相似比尺為0.1，對應于實際工程，埋深為7.0m)的爆炸試驗情況。

2.1　洞壁加速度對比

測點加速度峰值見表2，兩洞室的加速度對比曲線見圖3(以背離洞室方向運動為正)。

圖3　拱頂、底板加速度對比

位置測點峰值拱頂1(M14)-467.2274.12(M15)-505.6307.9底板3(M14) 71.0-66.24(M15)48.5189.8

從上述曲線及表中數值可以看出：

(1)錨桿之間的間距為40mm，長度為240mm，間距與長度的比例為1/6，而地下坑道常規加固設計方案中錨桿間距和長度的比例一般為1/2，試驗洞室圍巖錨桿布置密度是常規加固設計方案中的錨桿布置密度的3倍，洞室圍巖在高密度錨桿的加固下，巖體性質發生了變化，其整體彈性更明顯，表現在拱頂加速度曲線上就是其向下的峰值與向上的峰值的比值在減小，呈現等幅值震蕩的態勢。在本次試驗中，提高了2個試驗段的錨桿布置密度，錨桿根部加強加固洞室和普通長密錨桿加固洞室拱頂向下、向上加速度峰值的比值降低為1.7倍和1.64倍。

(2)密錨桿的加固使巖體性質發生改變，也表現在拱頂加速度峰值與底板的加速度峰值的比值也在減小。盡管洞室底板下面圍巖沒有錨桿加固，相對于拱部巖體來說，其受力條件較好，承受的爆炸荷載也小，但拱部經密錨桿加固后，彌補了底板的不利受力條件，承擔了較大的爆炸力荷載，相當于提高了拱部巖體的剛度，使洞室周邊圍巖形成了一個似等彈性的巖體圈，降低了拱頂與底板加速度峰值的比值。

(3)錨桿根部加強加固與普通長密錨桿加固洞室拱頂加速度相比，向下運動峰值降低了7.6%，向上運動峰值降低了11%。根據相關判別標準，可以得出：在正常爆炸荷載作用下，錨桿根部加強加固洞室的抗爆效果要優于普通長密錨桿加固洞室的抗爆效果。

2.2　洞室位移對比

以拱頂和底板相向運動為正，試驗曲線見圖4。為便于比較，將位移測點的峰值列于表3。

圖4　兩加固洞室拱頂與底板相對位移曲線

測點號1(M14)2(M15)初始位移值/mm0.123-0.017到達峰值時刻/ms0.4800.880位移峰值/mm1.4201.255到達峰值時刻/ms4.3204.320終止位移值/mm0.1000.100終止位移時刻/ms6.1606.000

從圖4曲線可以看出：

(1)洞室在頂爆條件下，拱頂與底板產生相向運動位移，洞室的高度要減小，峰值相差不大，其中錨桿根部加強加固洞室的位移峰值為：(1.42-0.123)=1.297mm；普通長密錨桿加固洞室的位移峰值為：(1.255+0.017)=1.272mm。

(2)洞室的最終位移不同。當洞室的動力反應結束后，錨桿根部加強加固洞室拱頂與底板間的相對位移為(0.1-0.123)=-0.023mm，兩者發生相背位移，拱頂向上提，洞室高度增高；普通長密錨桿加固洞室拱頂與底板間的相對位移為(0.1+0.017)=0.117mm，兩者發生相向位移，拱頂下移。

(3)M14洞室的相向位移峰值和終止位移值均比M15洞室對應位移值大。對照洞室的破壞(見后面內容)，可以發現，盡管M14的位移值比M15的位移值大，但M14洞室的破壞程度較M15的輕，這說明，M14洞室在錨桿根部采取加強加固措施后，其塑性變形能力得到提高，塑性變形消耗的爆炸能量增大，洞室的破壞程度較輕。

2.3　洞壁應變對比

在2個加固洞室洞壁上分別布置了6個環向應變測點，這6個環向應變測點均布置在爆點下方洞室橫截面上，見圖5。以拉為正。

圖5　洞壁環向應變測點布置

測得的應變對比曲線見圖6。從圖6曲線可以看出：

(1)洞室側墻底部和拱腳部位應變規律變化不大，說明側墻底部和拱腳部位的受力情況受2種加固方法影響較小；而拱頂部位、側墻頂部及側墻中部巖體的受力情況受不同加固方法的影響較大。

圖6　兩加固段洞壁環向應變對比

(2)2個加固洞室洞壁除在拱頂部位產生拉應變外，其他部位均產生壓應變。

(3)錨桿根部加強加固洞室拱頂洞壁處拉應變值小于普通長密錨桿加固洞室該部位的拉應變值。

(4)錨桿根部加強加固洞室洞壁在拱圈中部、側墻頂部及側墻中部部位的壓應變峰值大于普通長密錨桿加固洞室對應位置處洞壁的壓應變峰值。造成這種現象的原因是洞室圍巖經過根部加強錨桿加固后，其巖體力學參數，如彈性模量等得到提高，剛度增大，其承擔的爆炸荷載相應增大，因此，測得的壓應變值較大。

(5)拱部巖體經加固后與錨桿共同形成了一個類似于彈性地基梁的結構體，在靜載條件下，從受彎角度看，該結構體存在著2個最危險截面：一是拱頂截面。該截面正彎矩(截面下緣，即拱頂洞壁處受拉)最大，二是拱頂洞壁的拉應變也最大；拱腳附近截面。該截面負彎矩(截面上緣，即距拱腳洞壁一定深度處受拉，而拱腳洞壁受壓)最大，拱腳洞壁附近的壓應變也最大。在爆炸荷載下，洞壁的應變峰值也呈相似的規律：洞室拱頂巖壁應變為拉應變，但錨桿根部加強措施加固洞室該部位的拉應變小；拱腳巖壁應變為壓應變，且與拱部其他部位比，峰值最大，2種加固洞室在該部位的壓應變幾乎相等；而半拱圈中間部位巖壁應變也為壓應變，但錨桿根部加強措施加固洞室該部位的壓應變大。因此，也可以推知，在爆炸荷載條件下，拱頂結構體也存在著2個與靜載條件下相同的最危險截面，也應最先從這兩個截面發生破壞，2個加固洞室的破壞情況也證明了這點。

(6)由前面的位移曲線可以看出，在相同的爆炸條件下，錨桿根部加強措施加固洞室的拱頂下沉位移小，甚至拱頂被向上提，其矢跨比(洞室拱的高度跨度的比值)比長密錨桿加固洞室的矢跨比大，由此造成錨桿根部加強加固洞室拱頂部位的正彎矩和軸力相應減小，拱頂洞壁的拉應變峰值也減小。

2.4　洞壁破壞形態對比

該炮次試驗完成后，2個加固洞室較為完整，沒有出現明顯的破壞，為此，保持藥量不變，將炸藥的埋置深度增加至850mm(爆點距拱頂距離為480mm)，對洞室進行破壞性試驗。

普通長密錨桿和錨桿根部加強措施加固洞室的拱頂破壞特征見圖7。

圖7　兩加固段拱頂破壞對比

普通長密錨桿和錨桿根部加強措施加固洞室的拱部裂縫破壞特征見圖8。

圖8　兩試驗段拱部裂縫

從圖8可以看出：

(1)普通長密錨桿加固試驗區拱頂部位，產生了掉塊破壞；而在錨桿根部加強措施加固試驗區拱頂部位，僅產生了裂縫。

(2)2種加固洞室均在拱部產生了平行于洞軸線的縱向裂縫，但普通長密錨桿加固試驗區的裂縫寬度明顯大于錨桿根部加強措施加固試驗區的裂縫寬度。

這說明在相同的爆炸條件下，錨桿根部加強措施加固后的洞室的抗爆能力優于普通長密錨桿加固洞室的抗爆能力。

3結論

(1)在一塊模型體內設置消波槽方法，可以有效地消除相鄰試驗段爆炸時的相互影響，達到在1塊模型體內同時1次進行2塊試驗段的對比爆炸試驗，這樣，既節省了試驗費用和試驗周期，又使對比試驗結果在同等條件下進行，便于試驗結果的分析和整理。

(2)當洞室沒有進入破壞狀態，承受一般爆炸荷載時，洞室的最終位移不同。錨桿根部加強加固洞室拱頂與底板發生相背位移，拱頂向上提，洞室高度增高；普通長密錨桿加固洞室拱頂與底板發生相向位移，拱頂下移；盡管錨桿根部加強洞室的位移峰值較大，由于其塑性變形能力得到提高，塑性變形消耗的爆炸能量增大，其最終破壞程度較輕。

(3)在爆點位于拱頂正上方爆炸時，洞室側墻底部和拱腳部位應變規律變化不大，說明側墻底部和拱腳部位的受力情況受2種加固方法影響較小；而拱頂部位、側墻頂部及側墻中部巖體的受力情況受不同加固方法的影響較大。錨桿根部加強加固洞室拱頂洞壁處拉應變值小于普通長密錨桿加固洞室該部位的拉應變值；錨桿根部加強加固洞室洞壁在拱圈中部、側墻頂部及側墻中部部位的壓應變峰值大于普通長密錨桿加固洞室對應位置處洞壁的壓應變峰值。

(4)在相同的爆炸條件下，錨桿根部加強措施加固后的洞室的抗爆能力優于普通長密錨桿加固洞室的抗爆能力。

[參考文獻]

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[責任編輯：王興庫]

Anti-knock Quality Analysis of Cavern with Different Anchorage Styles of Anchored Bolt

ZHANG Xiang-yang，SHEN Jun，XU Jing-mao，KONG Fu-li

(3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China)

Abstract：Anti-knock quality comparison test of root-reinforcement anchored bolt and ordinary anchored bolts showed that under explosion condition，reverse displacement occurred between arch roof and floor in root-reinforcement anchored bolt，but opponent displacement occurred in ordinary anchored bolt.Although displacement peak value of root-reinforcement anchored bolt was larger than that of ordinary bolt，its plastic deformation ability was promoted and explosion energy dissipated for plastic deformation increased，so final failure degree was smaller.Under explosion load，anti-knock effect of root-reinforcement anchored bolt was better than that of ordinary anchored bolt.

Keywords：anchorage style；cavern；root reinforcement；ordinary length and thickness anchored bolt；model test

[作者簡介]張向陽(1973-)，男，河南南陽人，碩士，副研究員，主要從事巖土工程靜載和動載領域的研究工作。

[收稿日期]2015-05-14

[中圖分類號]TD350.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0101-05