巷道圍巖錨固結構變形破壞特征研究

王志國

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

在巷道工程中，巷道圍巖容易變形破壞，形成松散破碎結構，發生裂隙[1]，圍巖結構的變形會影響巷道的正常運行，甚至會造成底鼓、肋片、落頂等災害。錨桿錨索支護技術是對深部巷道圍巖進行主動錨固，與圍巖相互作用，構成高強度錨固加載結構，有效控制圍巖變形[2-3]。因此，研究圍巖錨固結構的承載能力，對于控制圍巖變形，保證結構穩定十分重要。文獻[4-7]對圍巖錨固結構承載能力的研究，仍然集中在錨固強度和內應力演化方面，對錨固結構變形破壞特征的分析較少，事實上巷道圍巖的局部破壞并不等于錨固結構的整體破壞，而結構的失穩往往是由局部變形的累積引起的。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

為了研究錨固結構的變形和破壞特性,需要根據原始巖體的物理力學性質準備類似的材料,制備12種相似材料以砂、水泥、石膏的質量比例為100∶4∶4（圖1-1），100∶5∶3，100∶6∶2，100∶5∶5，100∶6∶4，100∶7∶3，100∶7∶8，100∶8∶7，100∶9∶6，100∶10∶10，100∶11∶9和100∶12∶8。

對類似材料進行單軸壓縮、劈裂和剪切試驗。在壓縮試驗中（圖1-2），尺寸為Φ50 mm×100 mm。將試件以0.05 mm/min準靜態速率進行軸向位移加載，得到類似材料的單軸抗壓強度和彈性模量。在劈裂試驗中（圖1-3），尺寸為Φ50 mm×25 mm。將試樣以0.05 mm/min的加載速率放置在劈裂加載板之間，測量類似材料的抗拉強度。在剪切試驗中（圖1-4），尺寸為Φ50 mm×50 mm。單軸壓縮36個試件、劈裂36個試件、剪切108個試件的試驗結果中，只有砂、水泥、石膏質量比為100∶12∶8的相似材料滿足上述相似比。表1為原巖體及類似材料的物理力學參數，圍巖錨固結構模型力學參數如下頁表2所示。

表2 巷道錨桿和模型錨桿的力學參數

圖1 類似材料的力學實驗

表1 原始巖體及類似材料的物理力學性質

1.2 實驗系統

圍巖錨固結構模型試驗系統主要由加載系統和數據采集系統兩部分組成。該測試系統可實現水平方向和垂直方向的獨立加載（位移或力控制）。測試系統的框架采用Q345B鋼，以保證足夠的剛性，總質量為34 t。數據采集系統包括TST3826E靜態應變測試分析系統和數字攝影位移測量系統。

1.3 實驗模型

建立錨固結構模型是本研究的基礎。根據表2所示參數，設計錨固結構模型尺寸。根據錨固結構模型尺寸圖2，設計了3種設計方案制備錨固結構模具（見表3）。錨固結構準備過程中，在該模型的內外壁上鉆1.2 mm大小的孔以固定錨桿。錨固結構制作完成后，對整個圍巖模型進行澆筑。厚度為300 mm。在頂部、肩部和側面均裝有應變計，以測量變形。根據模型中某一點的變形可以得到該點的應力。

圖2 錨固結構模型尺寸（mm）

表3 試驗方案

2 實驗結果與分析

2.1 錨固結構的全應力-位移

圖3為錨桿間距對應力-位移整個錨固結構特性圖。顯然，錨桿間距的減小增強了整個錨固結構的承載能力。峰值強度和峰值位移隨錨桿間距的減小而增大（見表4）；相同應力條件下結構變形也隨著錨桿間距的增大而顯著減小。

圖3 整個錨固結構應力-位移曲線

表4 整個錨力學參數

2.2 錨固結構的應力演化

為了進一步了解圍巖錨固結構的應力演化規律，如下頁圖4所示為徑向應力（σr）和錨固結構頂部、肩部和側面的切向應力（στ）。結果表明:錨固結構頂部、肩部和側部的徑向應力和切向應力均與錨桿間距呈負相關關系，說明錨桿、巖土之間的相互作用對錨固區域內的受力結構有很大的增強作用。錨固結構頂部σr>στ；錨固結構的肩部和側面，στ>σr。側邊錨固結構的徑向應力最大，其次是頂部錨固結構，肩部錨固結構的徑向應力最小。錨固結構在側部的切向應力最大，其次是肩部，頂部的切向應力最小。可以得出，錨固結構在其側部的承載能力要高于頂部和肩部的承載能力。在結構的頂部和肩部，更容易發生由于支撐強度不足而引起的拉伸或剪切損傷。

圖4 錨固結構應力演化

2.3 錨固結構變形

圖5顯示錨固結構在完全加載過程中的變形演化規律,錨固結構頂部均先發生變形下降，肩部沿徑向逐漸發生變形，最終整個結構依靠其兩側受力。錨固結構受壓剪作用產生變形后，圍巖應力開始在錨固結構底板顯現，從而導致結構底板發生局部變形。因此，在頂部和錨固結構的肩部總是最大的，其次是側部和樓板。

圖5 錨固結構位移向量

2.4 錨固結構的破壞特征

圖6所示局部開裂和輕微剝落首先發生在錨桿-側邊，然后逐漸向肩發展。拉剪裂縫易在錨固結構肩部萌生，并沿荷載方向向頂部發展。隨著變形量的增加，局部剝落逐漸演變為整體剝落，并因多裂縫融合而向肩部方向發展。

圖6 錨固結構特定破壞點應力-位移曲線

錨桿間距對錨固結構極限破壞特征的影響如圖7所示。模型結構在沒有錨桿支護的情況下巷道破壞段幾乎為橢圓形，原拱完全破壞。各邊表現出嚴重的壓剪破壞導致的肋片剝落，其拱肩和頂面變形嚴重，導致頂板大面積塌落（圖7-1）。貫通裂縫主要起源于錨固結構的肩部和側部，并沿荷載方向向頂部擴展，裂縫擴展明顯。雖然由于壓剪破壞，兩側暴露出明顯的肋片剝落，但頂部仍然保留完整的肋片構造時，只發生沉降變形。裂縫主要產生在肩部和側面，然后沿著加載方向向頂部發展。從破壞程度來看，錨桿間距為50 mm×50 mm比30 mm×30 mm右側出現大量巖塊擠壓。錨桿間距為30 mm×30 mm僅出現左側肋骨剝落，右側肋骨剝落傾向于肩部。

圖7 錨桿間距對錨固結構最小主應力的影響

3 結論

由以上試驗過程及測試結果得出以下結論：

1）錨固結構側部承載能力高于頂部和肩部承載能力。在結構的頂部和肩部，更有可能由于支撐強度不足而產生拉或剪損傷發生。錨固結構的頂部和肩部變形最大，其次是側部和樓板。

2）不加錨桿支護的模型結構巷道破壞段幾乎為橢圓形，原拱完全破壞。各邊出現嚴重的壓剪破壞導致的肋片剝落，其拱肩和頂部變形嚴重，大面積發生頂板塌落。錨桿支護巷道模型結構在間距為50 mm×50 mm和30 mm×30 mm。雖然兩側暴露出明顯的壓剪破壞導致的肋片剝落，但頂部仍然保持完整的結構，只發生下沉變形。