新型復(fù)合材料網(wǎng)力學(xué)性能數(shù)值模擬計算與分析

(國投新集能源股份有限公司設(shè)計研究院，安徽合肥 230031)

1 典型巷道計算

取某典型巷道中長度為12 m的部分進(jìn)行數(shù)值模擬。此巷道高3.6 m，寬4.1 m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)形式，噴層初噴50 mm混凝土，復(fù)噴150 mm，中間鋪設(shè)復(fù)合材料網(wǎng)，頂部采用高強(qiáng)φ22 mm×2500 mm錨桿，底腳采用高強(qiáng)φ22 mm×3000 mm錨桿。巷道支護(hù)材料及規(guī)格如表1所示。

表1 支護(hù)材料及規(guī)格

2 計算模型建立

為了模擬巷道實際處于的地應(yīng)力條件，這里按800 m處土的自重取X，Y，Z向的邊界應(yīng)力均為21 MPa。在模型的左、右、前、后和底邊界，采用零位移邊界條件。

本次模擬充分考慮了空間效應(yīng)對巷道圍巖變形的影響，巷道走向長度取12.0 m，分5次開挖完成，模型共計16566個網(wǎng)格節(jié)點，14400個實體單元。圖1為此次計算模型。

圖1 計算模型網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本數(shù)值模擬，利用FLAC3D程序?qū)λx斷面關(guān)鍵點的位移進(jìn)行監(jiān)測，最后測算出巷道各部分變形量，從而得出穩(wěn)定性總體評價。模擬結(jié)果如圖2～圖5所示。

從圖2可以看出，圍巖豎向變形最大的部位是頂部，約7.46 cm，而整個襯砌的豎向變形都大約2 cm，包括頂部。幫部的上半段圍巖位移也較大，約6 cm，這些圍巖位移較大的部位主要對應(yīng)著襯砌的圓弧部分，襯砌主要承受彎曲及剪切應(yīng)力。說明襯砌具有較好的抗彎和抗剪能力。當(dāng)襯砌受力產(chǎn)生下沉的時候，抗彎性能轉(zhuǎn)化成較好的抗拉性能，能有效的拖住上部圍巖，抵抗圍巖變形。

從圖3可以看出，兩幫直臂部位圍巖的水平位移為最大，約6 cm，而整個襯砌的水平位移約4 cm，小于圍巖的變形。當(dāng)圍巖產(chǎn)生側(cè)向的變形時，襯砌良好的抗拉性能阻止了其繼續(xù)變形，較好的抵抗了圍巖的水平位移。

圖2 豎向位移圖

圖3 水平位移圖

圖4 豎向應(yīng)力圖

圖5 水平應(yīng)力圖

從圖4，圖5可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)X向的最大變形發(fā)生在模型直墻腿的中上部位，其變形量為6 cm。從整個模型來看，拱部受力較小，為1e7，應(yīng)力主要集中在直墻腿部，豎向應(yīng)力最大，為7e7，因此直墻腿是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

4 結(jié)語

對典型巷道，采用復(fù)合材料網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)下的FLAC3D有限元數(shù)值模擬，并對其結(jié)果進(jìn)行分析，從數(shù)值計算結(jié)果中可以看出，直墻腿部分是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，其應(yīng)力較大，所以，在現(xiàn)場應(yīng)用時可以根據(jù)實際情況，將直墻腿改為曲墻腿，再配合錨桿錨網(wǎng)等支護(hù)，有望提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力。同時復(fù)合材料網(wǎng)的優(yōu)越性在數(shù)值模擬過程中得以體現(xiàn)。模擬顯示出，其抗彎承載力、抗拉承載力以及抗剪承載力均能滿足要求。

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