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1、第19卷第3期岩石力学与工程学报19(3):342～3452000年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay,20003巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究侯朝炯勾攀峰(中国矿业大学徐州221008)(焦作工学院资源材料系焦作454159)摘要通过实验室试验和理论分析,研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后E,c,U值等力学参数的改善,分析了锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度。关键词锚杆支护,围岩强度强化,残余强度分类号TD353.6文献标识码A文章编号100026915(200
2、0)03203422042.1模型设计1引言模拟试验的原型相当于从巷道一侧或顶板“取出”的,其尺寸的大小应能代表锚固体的一般状态,巷道围岩的稳定性除了支护的作用外,主要取[4]考虑锚杆布置方式及岩体的尺寸效应,原型尺寸决于围岩的强度和应力状况。从提高围岩的强度出为2.0m×2.0m×2.0m,锚固分离体所处位置、形状发,近几年开展了经锚杆锚固后围岩力学性能改善及尺寸如图1所示。的研究。这些研究主要是针对浅埋深不受采动影响模型的几何相似比为1ö10,容重相似比为的水利、隧道、边坡等工程,探讨了锚杆加固后岩石0.75,则应力相似比为0.075,锚固试体的尺寸为20峰前区内聚力c,内摩擦角U,弹性
3、模量E的改善情cm×20cm×20cm。巷道围岩为中硬岩层,岩石单轴[1～3]况。对于煤矿巷道,由于围岩松软,加之埋藏深,抗压强度为16.50MPa。岩石相似材料由砂、水泥和受采动、构造应力的影响,地应力很大,巷道围岩破石膏组成,配比号为737,含水量为10%,缓凝剂硼坏严重,因而其周围存在着破碎区、塑性区和弹性砂含量为水量的1%。锚杆相似材料选用15A保险区,锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述丝,粘结剂采用1÷1的石膏浆。两个或三个区域中,相应锚固区域的岩石强度处于试验采用平面应变加载(R1方向),非加载面(R2峰前、峰后或残余强度阶段。因此,只有掌握围岩峰方向)采用刚性约束,在锚杆
4、轴向留设一个自由面模后强度和变形的特点以及锚杆对提高围岩峰值强度拟巷道围岩表面。按照锚杆布置常用的间排距大小,和残余强度以及改善岩石力学性质的作用才能从根依次选用锚杆的间排距为1.4,1.2,1.0,0.9,0.8,本上揭示锚杆支护的作用机理。0.7m(间、排距相等)进行模拟,锚固试件中相应的锚杆的根数分别为2,3,4,5,6,8根,分别测定锚2锚固体强度强化的相似材料模拟试固体的强度。验为便于分析,又做了无约束情况下锚固试体的单向加载试验。在巷道周边取一非锚固或锚固分离体进行相似试验结果根据单向加载和平面应变加载分别整材料模拟试验,在平面应变情况下,研究无锚杆及锚理,并取每组试件(每组3个
5、试件)测试结果的平均值杆作用下全长锚固锚杆作用机理,分析锚固体在不作为标准值,每组试验的重复性较好,平均离散系数同锚杆支护强度(密度、锚固力)下的强度变化,特别小于8%。对每一种锚杆布置方式,分别绘出其全程是分析锚固体的破坏过程及破坏后锚杆的支护效果。应力2应变曲线。限于篇幅,试验数据及这组曲线在试验中假设围岩为均质体。此未列出。1999年1月10日收到初稿,1999年3月1日收到修改稿。3国家自然科学基金重点(59734090)资助项目。作者侯朝炯简介:男,66岁,1955年毕业于北京矿业学院,现任教授,博士生导师,主要从事矿山压力、岩石力学、巷道支护、开采方法等方面的研究。第19卷第3期
6、侯朝炯等.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究·343·(a)(b)图1锚固分离体的形状及尺寸Fig.1Shapeanddimensionofseparatedrockbodysupportedbybolt2.2锚固体力学参数的改善(2)假设锚固体的破坏服从莫尔2库仑准则,则2.2.1弹性模量E及软化模量M锚固体的单向抗压强度为从锚固体弹性变形阶段的数据及曲线可求出E2ccosURc=(5)1-sinU值。联立式(4)和(5),可得到不同锚杆布置时锚固软化模量M反映极限强度后曲线斜率的变化,体破坏以前的c,U值。规定锚固体峰值强度点到残余强度点连结直线的斜(3)从大量抗剪和抗摩擦试验中知道,岩体
7、强率为锚固体的软化模量。33度随变形发展而衰减主要是由于内聚力变化的结果,2.2.2内聚力c,c及内摩擦角U,U因此,在锚固体变形破坏后的阶段,设内摩擦角U与锚固体破坏前的内聚力和内摩擦角分别以c,U333U相符。这样处理是安全的,工程上是允许的。在锚表示,破坏后的残余强度指标则分别以c,U表示。[5]固体变形至残余强度时仍按莫尔2库仑准则考虑,则全长锚固锚杆的现场应用表明,锚杆既受到锚固体的残余强度为轴向力
