不同锚杆锚固方式洞室抗爆性能分析

张向阳，沈　俊，徐景茂，孔福利

(总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023)



不同锚杆锚固方式洞室抗爆性能分析

张向阳，沈俊，徐景茂，孔福利

(总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023)

[摘要]锚杆根部加强和普通长密锚杆加固洞室抗爆性能对比试验结果表明，在爆炸条件下，锚杆根部加强加固洞室拱顶与底板发生相背位移，普通长密锚杆加固洞室拱顶与底板发生相向位移，尽管锚杆根部加强洞室的位移峰值较大，由于其塑性变形能力得到提高，塑性变形消耗的爆炸能量增大，其最终破坏程度较轻。在爆炸荷载作用下，锚杆根部加强加固洞室抗爆效果要优于普通长密锚杆加固洞室的抗爆效果。

[关键词]锚固方式；洞室；根部加强；普通长密锚杆；模型试验

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

[引用格式]张向阳，沈俊，徐景茂，等.不同锚杆锚固方式洞室抗爆性能分析[J].煤矿开采，2015，20(5)：101-105.

在我国岩土工程加固领域，静载条件下的锚杆的加固性能的研究已经比较系统，相关研究成果及锚杆加固技术得到了广泛应用；而在爆炸荷载条件下，锚杆的抗爆加固效应研究还开展较少，从而影响不同锚固方式锚杆在爆炸荷载条件下的推广应用。爆炸荷载作用下洞室变形及锚杆受力有何特性等是洞室抗爆性能的重要指标，采用何种锚固技术是合理的值得深入研究[1-4]。目前，采用小比尺模型爆炸试验是进行该领域研究的主要手段。本文应用模型试验和数值计算相结合的方法，对集团(即块状)装药在距拱顶正上方一定距离处爆炸时，比较了普通长密锚杆加固洞室、锚杆根部加强措施加固洞室的抗爆性能，并对洞室围岩的变形特性及锚杆受力特征进行了研究。

1模型试验设计

1.1　相似比例系数及模拟材料的选取

1.1.1相似比例系数

本次模型试验按照Froude(弗洛得)相似理论进行设计和试验，在该相似准则中，选取的模型材料需要满足的基本相似关系式为：

Kσ=Kρ·KL

式中，Kσ为模型与原型之间具有应力量纲参数的相似比例系数；Kρ为模型与原型之间密度相似比例系数；KL为模型与原型之间具有几何长度量纲参数的相似比例系数。

模型试验是在总参工程兵科研三所新研制的“岩土工程抗爆结构模型试验装置”[5]上进行，装置围成的内部空间即为模型体的内部尺寸：长×宽×高=1.5m×2.4m×2.3m。选取以下相似比例系数：几何相似系数KL=0.1；密度相似系数Kρ=0.7；应力相似系数Kσ=Kρ·KL=0.07。

1.1.2模拟材料的选取

(1)原型岩体的选取原岩选取工程中常遇到的Ⅲ类中等强度岩体，洞室形状选取常见的直墙拱顶形洞室。通过材料配比试验，选取配比为砂∶水泥∶水=15∶1∶1.6(重量比)的水泥砂浆作为模型材料，原岩及相对应要求的材料参数及选定的模型材料力学参数详见表1。

表1　Ⅲ类围岩及模型材料物理力学参数

(2)锚杆及注浆体模拟材料的选取在实际工程中，洞室围岩加固一般采用直径为20～25mm的Ⅱ级螺纹钢筋作为锚杆杆体材料，其弹性模量E=210GPa，抗拉强度极限为σb=350MPa；选用配比为水泥∶砂∶水=2∶1∶0.8的水泥砂浆作为注浆材料，其弹性模量E=15GPa，单轴抗压强度为Rc=40MPa，泊松比为0.13。锚杆孔孔径为50mm左右。

依据相似比例要求，待选取的锚杆模拟材料的弹性模量E锚杆模型=14.7GPa，抗拉强度极限为σb锚杆模型=24.5MPa，直径为2.0～2.5mm；待选取的注浆材料的弹性模量E注浆模型=1.05GPa，抗压强度Rc注浆模型=2.8MPa，锚杆孔孔径为5.0mm。

通过材料配比试验，锚杆模拟材料选用直径为1.84mm的软铝丝来模拟，其弹性模量E铝丝=50GPa，抗拉强度σb铝丝=120MPa。

注浆材料用配比为水∶石膏=0.7∶1的石膏浆，其弹性模量E石膏浆=4.0GPa，抗压强度Rc石膏浆=5.0MPa，模拟锚杆孔的直径为5mm。

1.2　试验布置

锚杆根部加强加固洞室(M14)：对洞室采取普通长密锚杆参数加固外，对于洞室拱部，在每2根相邻长锚杆根部正中位置沿径向布置1根短锚杆，长度为0.12m，全长粘结型。

普通长密锚杆加固洞室(M15)：锚杆纵、横间距为0.4m，长度为0.24m，全长粘结型。2个试验段锚杆布置截面见图1。

在一块模型体内沿1.5m短方向布置了2个试验段，TNT药包埋放于两试验段交结部位正上方，为了避免两试验段的相互影响，在爆点正下方的洞壁上设置了隔离槽，在每个试验段加固洞室内设置了4个加速度测点(a1～a4)，2个位移测点u1，u2， 6个洞壁环向应变测点。试验段布置见图2。

图1　不同锚杆加固方式锚杆布置横截面

图2　试验段布置

2试验结果

在该模型体上共进行了5炮次的爆炸试验，限于篇幅，本文选取第2炮及药量为100g，埋深为700mm(几何相似比尺为0.1，对应于实际工程，埋深为7.0m)的爆炸试验情况。

2.1　洞壁加速度对比

测点加速度峰值见表2，两洞室的加速度对比曲线见图3(以背离洞室方向运动为正)。

图3　拱顶、底板加速度对比

位置测点峰值拱顶1(M14)-467.2274.12(M15)-505.6307.9底板3(M14) 71.0-66.24(M15)48.5189.8

从上述曲线及表中数值可以看出：

(1)锚杆之间的间距为40mm，长度为240mm，间距与长度的比例为1/6，而地下坑道常规加固设计方案中锚杆间距和长度的比例一般为1/2，试验洞室围岩锚杆布置密度是常规加固设计方案中的锚杆布置密度的3倍，洞室围岩在高密度锚杆的加固下，岩体性质发生了变化，其整体弹性更明显，表现在拱顶加速度曲线上就是其向下的峰值与向上的峰值的比值在减小，呈现等幅值震荡的态势。在本次试验中，提高了2个试验段的锚杆布置密度，锚杆根部加强加固洞室和普通长密锚杆加固洞室拱顶向下、向上加速度峰值的比值降低为1.7倍和1.64倍。

(2)密锚杆的加固使岩体性质发生改变，也表现在拱顶加速度峰值与底板的加速度峰值的比值也在减小。尽管洞室底板下面围岩没有锚杆加固，相对于拱部岩体来说，其受力条件较好，承受的爆炸荷载也小，但拱部经密锚杆加固后，弥补了底板的不利受力条件，承担了较大的爆炸力荷载，相当于提高了拱部岩体的刚度，使洞室周边围岩形成了一个似等弹性的岩体圈，降低了拱顶与底板加速度峰值的比值。

(3)锚杆根部加强加固与普通长密锚杆加固洞室拱顶加速度相比，向下运动峰值降低了7.6%，向上运动峰值降低了11%。根据相关判别标准，可以得出：在正常爆炸荷载作用下，锚杆根部加强加固洞室的抗爆效果要优于普通长密锚杆加固洞室的抗爆效果。

2.2　洞室位移对比

以拱顶和底板相向运动为正，试验曲线见图4。为便于比较，将位移测点的峰值列于表3。

图4　两加固洞室拱顶与底板相对位移曲线

测点号1(M14)2(M15)初始位移值/mm0.123-0.017到达峰值时刻/ms0.4800.880位移峰值/mm1.4201.255到达峰值时刻/ms4.3204.320终止位移值/mm0.1000.100终止位移时刻/ms6.1606.000

从图4曲线可以看出：

(1)洞室在顶爆条件下，拱顶与底板产生相向运动位移，洞室的高度要减小，峰值相差不大，其中锚杆根部加强加固洞室的位移峰值为：(1.42-0.123)=1.297mm；普通长密锚杆加固洞室的位移峰值为：(1.255+0.017)=1.272mm。

(2)洞室的最终位移不同。当洞室的动力反应结束后，锚杆根部加强加固洞室拱顶与底板间的相对位移为(0.1-0.123)=-0.023mm，两者发生相背位移，拱顶向上提，洞室高度增高；普通长密锚杆加固洞室拱顶与底板间的相对位移为(0.1+0.017)=0.117mm，两者发生相向位移，拱顶下移。

(3)M14洞室的相向位移峰值和终止位移值均比M15洞室对应位移值大。对照洞室的破坏(见后面内容)，可以发现，尽管M14的位移值比M15的位移值大，但M14洞室的破坏程度较M15的轻，这说明，M14洞室在锚杆根部采取加强加固措施后，其塑性变形能力得到提高，塑性变形消耗的爆炸能量增大，洞室的破坏程度较轻。

2.3　洞壁应变对比

在2个加固洞室洞壁上分别布置了6个环向应变测点，这6个环向应变测点均布置在爆点下方洞室横截面上，见图5。以拉为正。

图5　洞壁环向应变测点布置

测得的应变对比曲线见图6。从图6曲线可以看出：

(1)洞室侧墙底部和拱脚部位应变规律变化不大，说明侧墙底部和拱脚部位的受力情况受2种加固方法影响较小；而拱顶部位、侧墙顶部及侧墙中部岩体的受力情况受不同加固方法的影响较大。

图6　两加固段洞壁环向应变对比

(2)2个加固洞室洞壁除在拱顶部位产生拉应变外，其他部位均产生压应变。

(3)锚杆根部加强加固洞室拱顶洞壁处拉应变值小于普通长密锚杆加固洞室该部位的拉应变值。

(4)锚杆根部加强加固洞室洞壁在拱圈中部、侧墙顶部及侧墙中部部位的压应变峰值大于普通长密锚杆加固洞室对应位置处洞壁的压应变峰值。造成这种现象的原因是洞室围岩经过根部加强锚杆加固后，其岩体力学参数，如弹性模量等得到提高，刚度增大，其承担的爆炸荷载相应增大，因此，测得的压应变值较大。

(5)拱部岩体经加固后与锚杆共同形成了一个类似于弹性地基梁的结构体，在静载条件下，从受弯角度看，该结构体存在着2个最危险截面：一是拱顶截面。该截面正弯矩(截面下缘，即拱顶洞壁处受拉)最大，二是拱顶洞壁的拉应变也最大；拱脚附近截面。该截面负弯矩(截面上缘，即距拱脚洞壁一定深度处受拉，而拱脚洞壁受压)最大，拱脚洞壁附近的压应变也最大。在爆炸荷载下，洞壁的应变峰值也呈相似的规律：洞室拱顶岩壁应变为拉应变，但锚杆根部加强措施加固洞室该部位的拉应变小；拱脚岩壁应变为压应变，且与拱部其他部位比，峰值最大，2种加固洞室在该部位的压应变几乎相等；而半拱圈中间部位岩壁应变也为压应变，但锚杆根部加强措施加固洞室该部位的压应变大。因此，也可以推知，在爆炸荷载条件下，拱顶结构体也存在着2个与静载条件下相同的最危险截面，也应最先从这两个截面发生破坏，2个加固洞室的破坏情况也证明了这点。

(6)由前面的位移曲线可以看出，在相同的爆炸条件下，锚杆根部加强措施加固洞室的拱顶下沉位移小，甚至拱顶被向上提，其矢跨比(洞室拱的高度跨度的比值)比长密锚杆加固洞室的矢跨比大，由此造成锚杆根部加强加固洞室拱顶部位的正弯矩和轴力相应减小，拱顶洞壁的拉应变峰值也减小。

2.4　洞壁破坏形态对比

该炮次试验完成后，2个加固洞室较为完整，没有出现明显的破坏，为此，保持药量不变，将炸药的埋置深度增加至850mm(爆点距拱顶距离为480mm)，对洞室进行破坏性试验。

普通长密锚杆和锚杆根部加强措施加固洞室的拱顶破坏特征见图7。

图7　两加固段拱顶破坏对比

普通长密锚杆和锚杆根部加强措施加固洞室的拱部裂缝破坏特征见图8。

图8　两试验段拱部裂缝

从图8可以看出：

(1)普通长密锚杆加固试验区拱顶部位，产生了掉块破坏；而在锚杆根部加强措施加固试验区拱顶部位，仅产生了裂缝。

(2)2种加固洞室均在拱部产生了平行于洞轴线的纵向裂缝，但普通长密锚杆加固试验区的裂缝宽度明显大于锚杆根部加强措施加固试验区的裂缝宽度。

这说明在相同的爆炸条件下，锚杆根部加强措施加固后的洞室的抗爆能力优于普通长密锚杆加固洞室的抗爆能力。

3结论

(1)在一块模型体内设置消波槽方法，可以有效地消除相邻试验段爆炸时的相互影响，达到在1块模型体内同时1次进行2块试验段的对比爆炸试验，这样，既节省了试验费用和试验周期，又使对比试验结果在同等条件下进行，便于试验结果的分析和整理。

(2)当洞室没有进入破坏状态，承受一般爆炸荷载时，洞室的最终位移不同。锚杆根部加强加固洞室拱顶与底板发生相背位移，拱顶向上提，洞室高度增高；普通长密锚杆加固洞室拱顶与底板发生相向位移，拱顶下移；尽管锚杆根部加强洞室的位移峰值较大，由于其塑性变形能力得到提高，塑性变形消耗的爆炸能量增大，其最终破坏程度较轻。

(3)在爆点位于拱顶正上方爆炸时，洞室侧墙底部和拱脚部位应变规律变化不大，说明侧墙底部和拱脚部位的受力情况受2种加固方法影响较小；而拱顶部位、侧墙顶部及侧墙中部岩体的受力情况受不同加固方法的影响较大。锚杆根部加强加固洞室拱顶洞壁处拉应变值小于普通长密锚杆加固洞室该部位的拉应变值；锚杆根部加强加固洞室洞壁在拱圈中部、侧墙顶部及侧墙中部部位的压应变峰值大于普通长密锚杆加固洞室对应位置处洞壁的压应变峰值。

(4)在相同的爆炸条件下，锚杆根部加强措施加固后的洞室的抗爆能力优于普通长密锚杆加固洞室的抗爆能力。

[参考文献]

[1]沈德义，刘五一.介绍国外几种可用于动载条件的锚杆[R].总参工程兵科研三所，1984.

[2]康天合，薛亚东，靳钟铭.基于围岩条件与动载作用的回采巷道锚杆支护设计原则[J].岩石力学与工程学报，1996，15(S1)：571-576.

[3]黄承贤.在爆炸荷载作用下长锚杆喷锚支护坑道的动态反应[J].岩土力学，1987，8(3)：1-11.

[4]张乐文，李术才.岩土锚固的现状与发展[J].岩石力学与工程学报，2003，22(S1)：2214-2221.

[5]沈俊，顾金才，张向阳.爆炸模型实验装置消波措施及应用[J].防护工程，2010，32(6).

[6]张向阳，顾金才，沈俊，等.爆炸荷载作用下洞室变形与锚杆受力发析[J].地下空间与工程学报，2012，8(4)：678-684.

[7]袁亮，顾金才，薛俊华，等.深部围岩分区破裂化模型试验研究[J].煤炭学报，2014，39(6)：987-993.

[责任编辑：王兴库]

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

[作者简介]张向阳(1973-)，男，河南南阳人，硕士，副研究员，主要从事岩土工程静载和动载领域的研究工作。

[收稿日期]2015-05-14

[中图分类号]TD350.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0101-05