不同速率樹脂錨固劑組合的拉拔力學(xué)性能試驗(yàn)

郭東明，韓 笑，楊 俊，候天宇，吳層層，丁瑩瑩

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

錨桿錨固技術(shù)是應(yīng)用錨桿或錨索對巖體進(jìn)行加固的一種主動(dòng)支護(hù)手段，廣泛應(yīng)用于巖土工程等領(lǐng)域，尤其在我國煤礦領(lǐng)域，使用率更是達(dá)到100%[1-6]。樹脂錨固劑強(qiáng)度發(fā)揮時(shí)間和程度直接影響現(xiàn)代礦井煤巷快速掘進(jìn)的錨桿支護(hù)效果和施工進(jìn)度[7-9]。使用單一錨固劑，或凝固太快造成錨桿沒有攪拌旋進(jìn)到孔底導(dǎo)致施工質(zhì)量下降，或凝固太慢影響施工速度，為平衡這一矛盾，現(xiàn)場常用快速與中速樹脂錨固劑組合的方式進(jìn)行錨桿支護(hù)[10-12]。近幾十年來，學(xué)者就錨固劑錨固力影響因素進(jìn)行了大量研究，就錨固劑本身組成成分方面，王忠榮和黃乃炯等人從樹脂錨固劑本身制作出發(fā)，分別對不同型號樹脂錨固劑的峰值強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增長規(guī)律做了重要研究[13-16]；就影響錨固力的外界因素方面，康紅普等人通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及動(dòng)態(tài)拉拔試驗(yàn)等多方面分析錨固力影響因素，從圍巖巖性，錨固長度，孔壁質(zhì)量，增加孔壁粗糙度等方面給出了合理化建議[17-25]；就全長錨固錨桿受力分析方面，“中性點(diǎn)”，“錨固長度”“應(yīng)力波”的提出，以及“錨桿受力模型”的建立，為錨固力的研究提出新的計(jì)算方向和量化計(jì)算模式[26-31]。不同樹脂錨固劑凝固時(shí)間的差異也會(huì)導(dǎo)致在組合時(shí)其強(qiáng)度的發(fā)揮有先后之分，進(jìn)而影響錨桿整體的錨固力[32-33]。合適的錨固劑組合比例能在滿足施工便利的同時(shí)，更有利于錨固劑的強(qiáng)度盡早發(fā)揮，從而確保錨桿在短時(shí)間內(nèi)有較強(qiáng)的錨固力[34-36]。為了滿足現(xiàn)代礦井煤巷快速掘進(jìn)的較高要求，在以往學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，在中等強(qiáng)度圍巖條件下，從組合比例方面考慮，利用FLAC3D軟件模擬錨桿拉拔試驗(yàn)，得到樹脂錨固劑的不同組合比例下錨桿拉拔力隨時(shí)間的增長規(guī)律，進(jìn)而得出不同速率樹脂錨固劑合適的組合比例。

1 組合比例及拉拔時(shí)間確定

1.1 樹脂錨固劑組合比例

以三維空間小范圍內(nèi)錨固的單根錨桿作為模擬對象，錨桿錨固段長1 m，不同樹脂錨固劑沿著錨桿錨固段分段使用，各錨固劑間獨(dú)立發(fā)揮作用，不考慮2種錨固劑接觸處可能會(huì)發(fā)生的反應(yīng)。錨固段里端選用快速K型或超快速CK型樹脂錨固劑，外端選用中速Z型樹脂錨固劑，組合樹脂錨固劑錨固位置如圖1。組合時(shí)考慮以下5種比例：K型與Z型錨固劑以 1∶1、2∶3、3∶2、3∶7 組合，CK 型與 Z 型錨固劑以 1∶4 組合。

圖1 組合樹脂錨固劑錨固位置示意圖

1.2 拉拔時(shí)間選取

結(jié)合黃乃炯[15]研究結(jié)果：對不同型號樹脂錨固劑，其抗壓強(qiáng)度的增長區(qū)間主要在前 40 min，40 min之后各型號錨固劑強(qiáng)度基本一樣，不同型號樹脂錨固劑的強(qiáng)度增長如圖2。故試驗(yàn)在錨固劑凝結(jié)的前40 min內(nèi)考慮。選取拉拔時(shí)刻為第2、第10、第20、第 30、第 40 min。

2 FLAC3D數(shù)值建模

基于FLAC3D的諸多優(yōu)勢，可充分模擬不同速率樹脂錨固劑組合作用下錨桿拉拔試驗(yàn)，得到在不同組合比例下錨固力隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)而尋求樹脂錨固劑組合的最佳比例。因此，選用FLAC3D進(jìn)行模擬研究。

2.1 模擬試驗(yàn)假定

數(shù)值模擬對象為三維空間小范圍（圍巖尺寸長×寬×高=0.5 m×0.5 m×1.5 m）內(nèi)錨固的單根錨桿。對試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^桿、錨固劑及圍巖的力學(xué)模型進(jìn)行如下定義。

圖2 不同型號樹脂錨固劑的強(qiáng)度增長圖（24℃）[15]

1）不考慮初始地應(yīng)力作用效果。

2）錨桿選取各向同性彈性體本構(gòu)模型。

3）錨固劑、圍巖看作Mohr-Coulomb本構(gòu)模型且圍巖體視為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性單一材料介質(zhì)。

4）錨固劑和圍巖體接觸密實(shí)，接觸面采用庫侖摩擦接觸面單元模擬。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型圍巖尺寸為長×寬×高=0.5 m×0.5 m×1.5 m，錨桿位于模型中央，錨固長度1 m，外露段長0.2 m，錨桿直徑22 mm，錨桿和圍巖體間為環(huán)形錨固單元，厚度4 mm。計(jì)算模型邊界條件如圖3，四周固定水平位移，底部同時(shí)固定水平位移和垂直位移，巖體頂部為自由邊界，只在模型錨桿頂端施加拉拔荷載。在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，對錨桿周圍網(wǎng)格適當(dāng)加密，離錨桿較遠(yuǎn)的網(wǎng)格可適當(dāng)稀疏，網(wǎng)格劃分如圖4。

圖3 計(jì)算模型邊界條件

2.3 物理力學(xué)參數(shù)選取

2.3.1 錨固劑強(qiáng)度增長率

在模擬錨固劑凝結(jié)過程中，認(rèn)為錨固劑各力學(xué)參數(shù)均隨時(shí)間逐漸增長且增長規(guī)律與抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律趨同。由此確定的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角及內(nèi)摩擦角的增長率均按圖2的強(qiáng)度增長率取值。默認(rèn)拉拔過程瞬間完成，不考慮拉拔過程中錨固劑強(qiáng)度的變化，各時(shí)刻下不同類型樹脂錨固劑強(qiáng)度增長率見表1。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 各時(shí)刻下樹脂錨固劑強(qiáng)度增長率表

2.3.2 錨固劑峰值強(qiáng)度參數(shù)

對于合格的礦用樹脂錨固劑，在完全凝固后，要求其抗壓強(qiáng)度大于等于70 MPa，抗剪強(qiáng)度大于等于40 MPa，抗拉強(qiáng)度大于等于18 MPa[14]。據(jù)此確定模擬時(shí)峰值抗壓強(qiáng)度取70 MPa，峰值抗剪強(qiáng)度40 MPa，峰值抗拉強(qiáng)度取18.2 MPa，摩擦角峰值30°。根據(jù)摩爾-庫倫公式，由峰值抗壓及抗剪強(qiáng)度粗略的估計(jì)出樹脂錨固劑的峰值黏聚力約等于7 MPa，為峰值抗壓強(qiáng)度的 1/10，各材料力學(xué)參數(shù)見表2。實(shí)際模擬時(shí)，各時(shí)刻下錨固劑力學(xué)參數(shù)的取值依照上述峰值強(qiáng)度及錨固劑強(qiáng)度增長率，按對應(yīng)比例取值。錨桿-錨固劑界面以及錨固劑-巖石界面黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗拉強(qiáng)度分別按照此刻錨固劑強(qiáng)度對應(yīng)大小相應(yīng)取值，即錨桿-錨固劑界面以及錨固劑-巖石界面強(qiáng)度隨錨固劑強(qiáng)度同步變化。

表2 模擬材料力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

各時(shí)刻下不同類型樹脂錨固劑組合作用下錨桿拉拔力的模擬結(jié)果見表3。從錨桿拉拔力大小與錨固劑組合比例的關(guān)系及錨桿拉拔力隨時(shí)間的增長規(guī)律2個(gè)方面分析。

表3 不同組合樹脂錨固劑在各時(shí)刻下的錨桿拉拔力

3.1 錨桿拉拔力與錨固劑組合比例的關(guān)系

快速K型與中速Z型樹脂錨固劑組合使用時(shí)，組合比例為3∶2時(shí)，各個(gè)時(shí)刻下的錨桿拉拔力均為最大，組合比例為3∶7時(shí)，各個(gè)時(shí)刻下的錨桿拉拔力均為最小。當(dāng)快速K型樹脂錨固劑成分占比越多的時(shí)候，相同時(shí)間下，錨桿的拉拔力為最大。不同組合樹脂錨固劑作用下錨桿拉拔力折線圖如圖5。

在30 min拉拔時(shí)，K型與Z型樹脂錨固劑以比例2∶3、3∶7組合時(shí)的錨桿拉拔力已達(dá)到同一水平；40 min時(shí)，超快速CK型與中速Z型樹脂錨固劑以比例2∶8組合時(shí)，其錨桿拉拔力最大，K型與Z型組合比例為1∶1、3∶2時(shí)的錨桿拉拔力相等。在40 min拉拔時(shí)各組合情況下錨桿拉拔力相差不大，按照此趨勢，可認(rèn)為40 min以后不論組合比例如何，錨桿錨固力不再存在差別。

圖5 不同組合樹脂錨固劑作用下錨桿拉拔力折線圖

3.2 錨桿拉拔力隨時(shí)間的增長規(guī)律

在前20 min，各組合比例下錨桿拉拔力之間有明顯區(qū)別，隨著時(shí)間的增長，同一組合比例下，折線斜率依次變小，拉拔力隨時(shí)間增大的幅度越來越小。快速K型與中速Z型組合比例為3∶2時(shí)，不同時(shí)刻之間拉拔力增長了 59.893、38.963、29.337、18.071 kN，增長率分別為 66%、26%、16%、9%，拉拔力增長速率最慢；快速K型與中速Z型組合比例為3∶7時(shí)，不同時(shí)刻之間拉拔力增長了 78.998、57.335、44.443、27.042 kN，增長率分別為 367%、57%、28%、13%，拉拔力增長速率最快。錨桿拉拔力的增長主要是在前30 min內(nèi)。錨桿拉拔力隨時(shí)間增長折線圖如圖6。

圖6 錨桿拉拔力隨時(shí)間增長折線圖

4 結(jié)論

1）當(dāng)快速K型與中速Z型樹脂錨固劑以比例3∶2組合時(shí)，各個(gè)時(shí)刻下的錨桿拉拔力均為最大，但是拉拔力增長速率為最慢；當(dāng)快速K型與中速Z型樹脂錨固劑以3∶7比例組合時(shí)，各個(gè)時(shí)間下的錨桿拉拔力均為最小，但是拉拔力增長速率為最快。

2）不同錨固劑組合比例下拉拔力大小的區(qū)別主要集中在前20 min之內(nèi)，前30 min是拉拔力增長的主要時(shí)間段，30 min之后，拉拔力增幅相比較之明顯趨于平緩。而40 min以后，可認(rèn)為無論不同錨固劑以何種比例組合，錨桿拉拔力已基本無差別。

3）快速與中速錨固劑應(yīng)以3∶2組合，在錨固初期的0～30 min內(nèi)錨桿錨固力最大，而凝結(jié)速度最慢，既滿足了初期錨桿錨固力要求，也避免了錨固劑過快凝結(jié)保證錨桿安裝質(zhì)量，為最優(yōu)組合比例，滿足快速掘進(jìn)要求的錨桿支護(hù)質(zhì)量以及施工速度。