錨桿支護金屬網力學性能及傳力機制試驗研究

原貴陽，高富強，婁金福，李建忠,3，王曉卿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

原巖應力狀態的巖體由于受到巷道開挖的影響，在巷道表面形成塑性圈，塑性圈內破碎巖體的易冒落特征嚴重制約巷道的安全可靠性。高預緊力錨桿支護技術在有效抑制圍巖變形的同時，由于其簡單的點支護特征導致支護系統無法對巷道表面破碎圍巖進行支護，金屬網作為錨桿支護系統中的重要護表構件，可將錨桿的點支護轉化為面支護，有效抑制破碎圍巖的冒落，確保巷道的安全可靠。護表構件在發揮支護效應的同時，自身受力極其復雜，破壞形式多種多樣，井下金屬網的變形破壞隨處可見，卻沒有引起足夠的重視，存在巨大的安全隱患。

鑒于金屬網變形破壞引發支護失效的嚴重問題，國內外較多學者針對金屬網力學性能進行了大量的研究工作。孫志勇等采用液壓千斤頂針對3種不同種類金屬網進行垂直載荷測試，得到了3類金屬網在垂直載荷作用下的載荷位移曲線，研究結果表明鋼筋網相比于其他兩類金屬網具有高強度及高剛度支護特征；原貴陽等分析了不同種類組合構件對鋼筋網強度及剛度的加固作用，并提出邊界網絲的概念進一步分析了組合構件對鋼筋網的加固機理；葛鳳忠分析了金屬網網孔大小、網絲直徑對支護系統力學性能的影響規律。國外以澳大利亞、加拿大及美國為代表的學者針對金屬網進行了較為系統的研究，ORTLEPP等對礦用鋼筋網進行了實驗室試驗，研究結果表明鋼筋網的支護薄弱區為焊接部位，焊點開裂及焊熱影響區剪切破壞是造成鋼筋網支護效果急劇下降的主要原因。PAKALNIS和AMES研發了金屬網原位強度測試裝置，并分別針對鋼筋網與菱形網2種不同結構金屬網進行現場原位強度測試，研究結果表明金屬網網孔結構是影響其強度的主要因素，網孔結構包括焊接或鏈接方式，菱形網相比于鋼筋網具有更大的承載能力與變形位移；PLAYER等研究了不同加載角度對金屬網力學性能的作用規律，研究結果表明當加載盤與金屬網成45°時，金屬網的承載能力大幅度提高，試驗過程中鋼筋網的變形呈現出“邊界保持平行、頂角處扭曲變形”的變化趨勢；NEMCIK等通過對鋼筋網單一網格進行單向拉伸測試，結果表明鋼筋網網格在45°方向施加載荷時，網格的極限承載能力約為鋼筋網網絲抗拉強度的40%，當鋼筋網網格變形量達到極限變形量的60%時，焊點開始發生剪切破壞，焊點的破壞將嚴重制約鋼筋網網格的承載能力；TIMOTHY等進行了大尺度鋼筋網力學性能測試，6個加載點同時加載模擬金屬網在圍巖載荷作用下出現的多點鼓包變形，研究結果表明鋼筋網在多點同時加載時，金屬網的承載能力明顯低于單個載荷加載，多點加載時鋼筋網的傳力機制與單點加載類似；DOLINAR測試了不同尺寸、不同材質托盤條件下金屬網的力學性能差異，并研究了鋼筋網的屈服、失效機制，結果表明托盤面積大小、接觸面材質等是影響金屬網支護剛度的重要構件，位于托盤底部的網絲滑移是降低支護剛度的重要因素。

以上學者對金屬網進行了較為系統的研究工作，所得成果對進一步認識金屬網支護作用起到了一定的推動作用。但是針對不同結構金屬網在垂直載荷作用下曲線變化分析、傳力機制及應用研究成果較少。為此筆者以錨桿支護金屬網力學性能試驗機開發為基礎，創新性地采用了一種“搭接加雙邊綁絲連接”的邊界固定方式對3類金屬網進行了實驗室試驗，進一步采用數值模擬及理論分析的方法得到了3類金屬網的應力分布特征及傳力機制問題，并緊密圍繞研究成果針對3類金屬網分別提出了應用建議，以期為巷道錨桿支護設計中金屬網選型及安裝提供一定的參考。

1 金屬網分類及變形破壞特征

井下使用的金屬網主要包括鋼筋網、經緯網及菱形網3種類型，鋼筋網由冷拔鋼筋相互焊接而成，網孔強度及剛度較高，網絲直徑一般為6～8 mm，網孔邊長為100 mm；經緯網由八號鐵絲互相編制而成，正交網絲接觸部位無約束作用，導致其在支護過程中相互正交的網絲容易產生滑動，網絲直徑一般為4 mm，網孔邊長為40～50 mm；菱形網由扁螺旋狀的網絲相互纏繞而成，網絲之間形成環扣連接，網絲直徑為4 mm，網孔為邊長50 mm的菱形結構。

井下支護所用金屬網的破壞方式主要分為2類：強度失效和剛度失效，強度失效主要是指金屬網在上部破碎圍巖載荷作用下，因自身強度不足導致金屬網結構發生破壞。井下較為典型的破壞方式主要分為網絲拉伸破壞、網絲剪切破壞及邊界綁絲破斷3類，金屬網強度失效破壞方式如圖1(a)所示；剛度失效是指支護所用的金屬網由于自身剛度不足，導致其在外部載荷作用下網絲發生大量的變形，但自身結構沒有發生明顯的破壞，致使金屬網在巷道空間內產生較大的網兜變形，嚴重影響巷道空間的運輸及通風安全問題，人為判定為支護失效。金屬網典型的剛度失效方式如圖1(b)所示。

圖1 金屬網支護失效模式Fig.1 Failure mode of metal mesh support

2 金屬網力學性能試驗

金屬網的強度及剛度是決定支護是否失效的重要指標，為了明確金屬網在真實邊界條件下的力學性能，針對3類金屬網進行了實驗室試驗。

2.1 金屬網力學性能實驗室測試

錨桿支護金屬網靜載力學性能試驗主機情況如圖2所示，其中法向油缸加載能力300 kN，油缸最大位移量550 mm，油缸底部分別布置壓力及位移傳感器，用于監測載荷-位移曲線。新研發設備相比于原有的測試儀器，對測試金屬網的邊界固定系統進行了進一步優化。試驗過程中共涉及到5張金屬網，包括1張測試金屬網、4張邊界金屬網，測試金屬網與邊界金屬網分別進行搭接100 mm，并采用綁絲(14號鐵絲)進行雙邊連接，邊界金屬網與試驗機之間采用U型卡頭進行固定連接，U型卡頭可在鉸接部位進行小范圍旋轉，有效降低邊界應力集中程度，邊界條件約束情況如圖3所示。

圖2 錨桿支護金屬網靜載力學性能試驗臺Fig.2 Static load mechanical performance test bench of metal mesh supported by bolt

圖3 金屬網邊界固定連接示意Fig.3 Schematic diagram of metal mesh boundary fixed connection

試驗所用鋼筋網網絲直徑6 mm、網孔邊長100 mm，經緯網及菱形網網絲直徑4 mm，經緯網網孔邊長40 mm，菱形網網孔邊長50 mm。3組試驗中測試金屬網尺寸均為1.2 m×1.2 m的方形試樣，四周與邊界金屬網搭接100 mm，采用綁絲(14號鐵絲)進行雙邊孔孔相連，其中綁絲間距為100 mm。支護系統中錨桿間排距為1 000 mm，錨桿預緊力為80 kN。測試過程中，以10 mm/min的位移控制方式對金屬網進行加載，加載面積為直徑300 mm的圓形區域。

2.2 試驗結果及曲線分析

試驗所得3類金屬網在垂直載荷作用下的載荷-位移曲線如圖4所示，對曲線變化的分析是明確其受力特點的重要途經。

圖4 3類金屬網載荷-位移曲線Fig.4 Load displacement curves of three kinds of metal mesh

不同結構的金屬網在垂直載荷作用下力學響應特征差別較大。3類金屬網載荷-位移曲線以峰值載荷為分界線，可將曲線分為峰前區域與峰后區域。在峰前區域內，3類曲線均呈現出下凹并逐漸增加的變化趨勢。峰后階段由于金屬網結構發生了破壞，導致曲線出現不同幅度的上下波動。不同的破壞方式，曲線波動幅度及頻率也不一致，但總體上金屬網支護系統的載荷-位移曲線變化趨勢可分為以下3個階段：

(1)載荷傳遞階段。金屬網承載過程中，直接位于壓力盤下部的網絲最先受力，隨后載荷通過網絲、網絲節點、邊界連接部位逐漸向其他不受力網絲進行傳遞。最初載荷僅由少數受力網絲向周邊傳遞，曲線上升速度較慢，隨著受力網絲數目逐漸增加，載荷傳遞速度逐漸加快，該階段內曲線上升形態呈現出“下凹”的變化趨勢。

(2)網絲變形階段。當金屬網所有網絲在水平方向上被張緊并受力之后，隨著上部載荷的持續施加，鋼筋網、菱形網的載荷-位移曲線呈現出近似直線的上升趨勢，經緯網由于在此期間內出現了網絲的相對滑移，曲線表現出小幅度的上下波動趨勢，但整體上升速度較為一致。

(3)結構破壞階段。在經歷過網絲變形階段之后，載荷達到金屬網支護系統的屈服載荷，并開始出現不同程度的破壞。金屬網每出現一次明顯的破壞，曲線都會呈現不同幅度的上下波動特征。破壞階段內，曲線總體呈現逐步降低的趨勢，其中菱形網支護系統的載荷-位移曲線降低幅度遠高于鋼筋網及經緯網支護系統。

通過提取3類曲線中的峰值載荷、屈服載荷、綁絲破斷載荷及對應位移量，統計結果見表1。其中屈服載荷是指金屬網首次發生結構破壞時對應的承載能力，該值代表支護系統在未發生大規模結構破壞的情況下能承受的最大載荷，用以評判支護系統在峰前區域內的承載穩定性。

表1 3種金屬網試驗結果統計

2.3 支護強度及破壞分析

由測試結果可知，3類金屬網在垂直載荷作用下的峰值載荷分別為37.2，38.2，52.6 kN。其中鋼筋網與經緯網峰值載荷相差不大，菱形網峰值載荷高于鋼筋網及經緯網41.4%，37.7%。3類金屬網在垂直載荷作用下主要由于錨桿固定位置處網絲破壞導致支護失效，其中鋼筋網及菱形網的網絲發生剪切破斷，經緯網網絲發生拉伸破斷。由此表明菱形網相比于其他2類金屬網具有高強度支護特征，且3類金屬網在支護過程中位于錨桿托盤位置處的網絲是主要的強度薄弱區，試驗過程中3類金屬網的破壞失效方式如圖5所示。

圖5 金屬網支護系統變形破壞Fig.5 Deformation and failure of metal mesh support system

井下金屬網的固定主要由錨桿及邊界綁絲連接強度決定，現場對錨桿施加高預緊力，通過托盤將金屬網緊壓于巷道頂板及兩幫。鋼筋網由于網孔較大，直接位于錨桿托盤下部的網絲數量較少，試驗過程中，當位于托盤下部的網絲發生破斷時，支護系統承載能力迅速下降。經緯網及菱形網網孔較小，直接位于托盤下部的網絲較多，可有效提高金屬網在托盤處的抗剪切能力以及抗滑移能力，充分發揮錨桿托盤的固定作用。文獻[15]中分析不同的托盤尺寸對鋼筋網力學性能的影響規律，結果表明托盤尺寸越大(在本質上也屬于直接位于托盤底部的網絲越多)，鋼筋網強度越高，測試數據可為本文分析內容提供理論支撐。關于邊界綁絲連接，由表1數據可得，菱形網邊界綁絲破斷位移及破斷載荷遠高于經緯網及鋼筋形網，表明邊界綁絲對菱形網的約束能力更強；從金屬網結構及金屬材料用量進行分析，鋼筋網相比于經緯網及菱形網，網絲直徑較粗、網孔較大，菱形網網孔較小，且具有一定的厚度，在相同面積金屬網前提下，菱形網金屬材料用量更高；菱形網特殊的網孔結構及高柔性，使其在承載過程中受力更加均勻。當上部圍巖變形產生載荷時，菱形網的高柔性使得支護系統對變形圍巖具有更好的包裹性，外部載荷可均勻地分配到每一根網絲上，更有利于發揮自身的材料及結構優勢。

以上內容分別從錨桿托盤固定作用、邊界綁絲連接強度、金屬網材料用量及金屬網自身結構4方面闡述了菱形網具有高強度支護特征的原因。

2.4 支護剛度及變形分析

支護剛度是指金屬網在上部載荷作用下的抗變形能力，也是判別井下網兜變形量的重要指標。為了便于分析，參考文獻[15]中金屬網支護剛度計算方法將其量化，支護剛度計算方法如圖6及式(1)所示，計算結果見表2。

圖6 金屬網剛度計算方法(改自文獻[15])Fig.6 Stiffness method of metal mesh(Modified from Reference[15])

=(-)(-)

(1)

式中，為金屬網的支護剛度；為金屬網支護系統的峰值載荷；為金屬網支護系統20%峰值載荷；為金屬網支護系統峰值載荷對應位移量；為金屬網支護系統20%峰值載荷對應位移量。

表2 金屬網支護系統支護剛度統計

若單獨從金屬網結構進行分析，不考慮邊界搭接方式及水平張緊力對支護剛度的影響，3類金屬網支護剛度由高到低依次為鋼筋網、經緯網、菱形網，該結論在文獻[19]中得到了試驗驗證，但金屬網結構剛度并不能代表井下金屬網支護系統的支護剛度。通過實驗室測試，認為金屬網邊界搭接方式對支護系統的剛度影響較大。在經緯網的搭接部位，由于縱向網絲與橫向網絲之間無連接關系，在綁絲未發生變形破斷的情況下，搭接區域內網絲隨著中心載荷的施加逐漸向中心區域聚集，最終形成一股由4～5根網絲組成的高柔性、高強度加固筋，該加固筋同時在水平及垂直方向上產生較大的位移，由此大幅度降低了經緯網支護系統的支護剛度。經緯網支護系統在加載過程中，自身網絲不斷產生滑移，導致曲線出現一定幅度的上下振動現象，該特性也會大幅度降低經緯網支護系統的支護剛度。菱形網在水平方向張緊的前提下(即網絲與網絲之間無明顯間隙)，由于邊界部位網絲相互鏈接以及孔孔相連的綁絲連接方式，有效約束了邊界網絲的位移量。因此在水平方向上施加足夠張緊力的前提下，菱形網支護系統的剛度高于經緯網支護系統。鋼筋網自身結構剛度較高，且網絲之間通過焊點連接，網絲及網孔抗變形能力顯著高于經緯網及菱形網；鋼筋網邊界約束部位剛度高、網孔難變形，在加載過程中邊界鋼筋在水平方向上位移量較小，因此鋼筋網支護系統具有高剛度支護特征。

綜上所述，在同時考慮金屬網結構與邊界連接強度的情況下，3種支護系統的支護剛度依次為：鋼筋網支護系統、菱形網支護系統、經緯網支護系統。

3 金屬網應力分布數值模擬研究

前文通過實驗室試驗的方法得到3類金屬網在垂直載荷作用下的力學性能，但限于監測手段的欠缺，無法對其應力分布特征進行監測，通過有限元分析軟件對金屬網進行模擬計算，以期得到其應力分布規律，為傳力機制理論分析提供基礎。

3.1 數值模型材料參數

數值模型參數設置中，金屬網及托盤等材料均設置為各向同性，彈性模量200 GPa，切線模量10 GPa，泊松比0.3，強度參數與Q235結構鋼一致，屈服強度為235 MPa，其余模型幾何參數均與試驗參數一致。采用非線性大變形靜態分析方法進行計算，本構模型選取為雙線性等強硬化彈塑性模型，屈服準則設置為Von Mises準則。加載設置中，以中心直徑為300 mm的圓形區域為加載區域，載荷分別施加于“梁”單元節點位置，加載能力設置為35 kN。

3.2 金屬網抗變形能力分析

圖7為3類金屬網在35 kN載荷作用下的位移云圖，由圖7可知，支護系統以加載區域為變形最大值，向四周擴散過程中，位移值逐漸減小，在整體區域內形成網兜狀變形。其中3類金屬網由于網絲直徑、網孔大小及形狀具有一定的差異，在相同載荷作用下表現出不同的變形量。由模擬結果可知，相同載荷作用下，最大變形量依次為經緯網、菱形網及鋼筋網支護系統。

圖7 金屬網支護系統位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of metal mesh support system

3.3 “梁”單元應力分析

數值模擬過程中，金屬網所用單元為“梁”單元，根據“梁”單元的軸向及徑向應力分布特征可以得到金屬網支護系統在垂直載荷作用下的應力分布規律。以鋼筋網為例，將其應力分布規律分別與試驗結果進行比對，數值模擬中鋼筋網以中心“十”字區域內的網絲承受軸向應力對應試驗中邊界綁絲破斷首先從中心開始，并逐漸向兩側擴展延伸；徑向應力分布規律中以錨桿托盤位置及加載邊緣部位受到剪切應力集中，且加載中心與托盤之間的網格受到較為嚴重的水平扭曲作用，數值模擬計算結果與實驗室試驗結果具有較高的一致性，兩者對比情況如圖8所示。

圖8 應力分布規律與試驗對比情況Fig.8 Stress distribution and test comparison

由圖9，10三類金屬網軸向及徑向應力分布結果可知，鋼筋網及經緯網由于數值模型較為類似，其主要以中心“十”字區域內的網絲承受較高的軸向應力，以加載邊緣處及托盤固定位置承受較高的剪切作用，在加載區域與托盤固定位置之間的網絲受到一定量的剪切作用，試驗中表現出輕微的水平扭曲變形。菱形網支護系統由于網孔結構及形狀的不同，在垂直載荷作用下表現出不同的應力分布規律，其主要以中心“X”字型區域內的網絲承受軸向應力，以加載邊緣部位及邊界約束位置承受較高的剪切作用。

方案優點：在10G GPON標準尚未成熟商用的階段，采用的一種過渡的方案。GPON網絡下行有效帶寬為2250M；按照64的分光比，控制實際承載用戶數后，同等條件下用戶忙時平均帶寬能達到35M，足以滿足未來視頻業務的發展需求；

圖9 網絲軸向應力Fig.9 Axial stress of mesh

圖10 網絲徑向應力Fig.10 Radial stress of mesh

4 理論分析

從金屬網載荷-位移曲線變化3個階段出發，以實驗室試驗及數值模擬結果為基礎，分析金屬網支護系統的傳力機制及受載變形趨勢，并分別提出了防止破壞失效的改進建議。

4.1 金屬網傳力機制分析

在金屬網支護系統的載荷傳遞階段，壓力由受力網絲逐漸向其余網絲進行傳遞，不同結構的金屬網，載荷傳遞方式差異較大。

鋼筋網支護系統在加載過程中，直接與壓力盤接觸的網絲為主要傳力鋼筋，外部載荷通過中心“十”字區域內的網絲進行傳遞，當傳遞到邊界綁絲約束部位時，邊界連接中心首先出現綁絲破斷，隨后沿著邊界中心部位開始向兩側進行傳遞。在4個頂點處由于錨桿的固定作用，鋼筋網在施載壓力盤與錨桿之間的網格由矩形變為菱形結構，表明此處的鋼筋網焊點受到了較大的扭曲剪切作用，而中心“十”字區域內的鋼筋在邊界綁絲的約束作用下受到較大的拉伸作用。

經緯網網絲之間無約束作用，相互接觸呈正交狀態的橫向及縱向網絲可以相互沿著金屬表面進行滑移。經緯網支護系統在承載過程中，錨桿托盤固定處及壓力盤邊緣位置為主要應力集中部位。試驗過程中，位于錨桿托盤固定處與壓力盤邊緣部位的網絲開始在外力作用下逐漸向中心區域滑移聚集，網絲聚集區域如圖11(b)所示。經緯網中網絲聚集區域是整個金屬網支護系統中應力降低區，表明經緯網在加載過程中，網絲為了避免受到較大的應力，會由高應力區向低應力區滑移，最終造成網兜底部及錨桿固定位置處只有若干根網絲在單獨承載，這樣的受力狀態導致主要承受載荷的網絲極易發生拉伸破斷，其中某根網絲的破壞，對經緯網支護系統的承載性能影響較大，不利于經緯網支護系統整體結構性能的發揮。

菱形網由螺旋狀網絲相互纏繞而成，在菱形網未被水平張緊的情況下，橫向剛度與縱向剛度差異較大。金屬網在橫向方向為單一螺旋狀網絲結構，縱向方向為網絲鉸接可錯動狀態，此時縱向剛度低于橫向剛度。將菱形網在水平方向上進行張緊之后，縱向方向上的網絲鉸接可錯動狀態轉變為點接觸，由于四周錨桿的固定作用，使其在加載部位與錨桿固定區域之間的金屬網抗變形能力增強。在橫向方向，由于菱形網螺旋狀結構網絲以及邊界綁絲連接的存在，使其在加載過程中首先出現螺旋狀網絲被拉直，其次邊界綁絲連接位置朝著變形區域產生一定量的水平位移。在縱向方向上，由于邊界連接部位具有較高的柔性，允許金屬網進行一定量的變形，該變形量對載荷傳遞起到一定的阻礙作用。由此分析可得，菱形網支護系統中載荷主要沿著中心“X”型區域進行傳遞。該傳力方式分析結果與試驗中菱形網橫向邊界綁絲破斷及“X”型區域內網絲的剪切破斷結果具有一致性。

3類金屬網的傳力機制如圖11，12所示。

圖11 金屬網傳力機制Fig.11 Force transmission mechanism of metal mesh

圖12 金屬網變形破壞對比Fig.12 Comparison of deformation and failure of metal mesh

4.2 金屬網受載變形分析

在網絲變形階段，3類金屬網均在外部載荷作用下產生較大的變形量，此階段內金屬網的強度薄弱區是第3階段最容易發生破壞的位置。通過尋求金屬網的強度薄弱區及受力方式并進行改進可有效提高其結構強度。

在不考慮金屬網網孔形狀及結構的前提下，以單根網絲為對象建立金屬網在錨桿托盤固定作用下，中心受垂直載荷工況的力學模型如圖13所示。

圖13 網絲變形模型Fig.13 Mesh deformation model

在垂直于金屬網平面側進行觀測，其整體結構如圖13所示，值得注意的是，直接位于托盤底部的網絲是固定其整體結構的主要網絲，外部載荷作用下，隨著金屬網網兜結構的形成，其直接位于托盤底部的網絲成為“Z”字形結構，“Z”形結構中間段為主要的拉伸變形段，而托盤及網兜底部由于具有較大的摩擦力，整體變形量較小。在拉伸段兩側，由于錨桿托盤及加載壓力盤的應力集中效應，此處產生了較為嚴重的剪切作用，同時也容易發生破壞進一步導致支護失效。實驗室測試中發現，在這2處發生剪切破壞時，金屬網的承載能力將持續下降。

圖14 金屬網平面變形Fig.14 Plane deformation of metal mesh

由此可得，變形階段內決定金屬網是否能有效支護的邊界網絲同時在垂直及水平方向上受到剪切作用以及扭曲作用。在水平方向上，綁絲的強度直接決定位于邊界網絲的扭曲程度，且該2處作用方式在應力上均表現為剪切作用。

4.3 防止金屬網支護失效的改進方法分析

金屬網的結構破壞階段內曲線出現了較高幅度的上下波動現象，嚴重制約金屬網的支護性能。根據以上2個階段分析結果，分別從金屬網傳力機制及受載變形2個角度針對金屬網進行結構優化，提出了防止金屬網支護失效的改進建議。

..鋼筋網局部綁絲加固優化

鋼筋網相比于經緯網及菱形網，由冷拔鋼筋通過焊點連接而成，網絲材料脆性較強，且抗剪切能力較差。文獻[20]中表明鋼筋網網絲的抗剪切能力為單向拉伸強度的50%左右，因此在使用鋼筋網進行支護的過程中，要盡量避免鋼筋網出現剪切作用。從鋼筋網的“十”字型傳力機制出發，針對“十”字區域邊界進行綁絲加固，鋼筋網在承載過程中，載荷沿著中心區域進行傳遞，當中心綁絲不產生明顯破壞的前提下，邊界網絲不會在水平方向上產生水平收縮，從而可有效避免鋼筋網邊界網絲的水平剪切作用，從而提高鋼筋網支護系統的支護強度。

..經緯網節點約束防滑優化

經緯網實驗室測試結果表明經緯網在支護過程中有以下2點弊端：① 經緯網的網絲相互錯動是降低自身支護強度及剛度的重要原因；② 垂直載荷作用下網絲由高應力區向低應力區滑移，最后導致網兜底部及托盤固定位置只由若干根網絲在單獨承載，這樣的承載方式極不利于經緯網整體結構的發揮。

因此抑制網絲的相互錯動是解決經緯網支護效率低下的重要途徑。美國學者DALE曾于2016年使用過一種新型“打結”類金屬網，該類金屬網是在網絲節點處采用一種特殊的“打結”方式處理，其節點結構及實物如圖15所示。該節點結構可使得金屬網在承載過程中網絲相互調整，并使得其支護強度及支護剛度提高幅度達到50%左右。因此，針對國內常用的經緯網，抑制網絲的自由錯動狀態是解決經緯網支護效率低下的重要途徑。

圖15 新型金屬網結構Fig.15 New metal mesh structure

..菱形網配套錨桿間排距優化

根據菱形網的“X”字型傳力機制可用來優化錨桿間排距，或根據現有的錨桿間排距選擇合適的菱形網網孔角度及邊長。

由菱形網數值模擬及理論分析結果可知，菱形網以中心“X”字型區域內的網絲承受軸向應力，且應力傳遞也主要以中心“X”字形區域內的網絲為主，表明在外部載荷作用下，菱形網以中心“X”字形區域內的網格整體承受拉伸作用。現場的菱形網固定方式主要有托盤及邊界綁絲約束，若托盤布置在菱形網“X”字形區域之外，則菱形網在外部載荷作用下容易在“X”字形區域內的綁絲發生破斷進而造成支護失效。因此現場在使用菱形網的過程中，應該按照菱形網網孔的邊長及角度，將托盤放置在“X”字形區域內部，這樣可以更好的發揮托盤的固定作用，與菱形網相互匹配的錨桿間排距布置方式如圖16所示。實際情況中，由于菱形網特殊的傳力方式使其更容易發揮錨桿托盤的固定作用，因此菱形網相比于鋼筋網及經緯網具有高強度支護特征。

圖16 錨桿間排距布置方式Fig.16 Arrangement of row spacing between anchors

5 討 論

現場情況中由于對金屬網上部施加載荷的方式不確定，導致金屬網上部由破碎圍巖自重加巖體大變形產生的載荷大小、載荷作用方向以及圍巖與金屬網界面的接觸方式3類重要機理問題仍然不清晰。本次試驗中，以直徑為300 mm的圓盤模擬破碎圍巖，其兩者之間的接觸方式為平面結構，是一種理想化的受力模型。實驗室選取的接觸方式相比于現場，使得金屬網受力不均勻，且加載圓盤周邊的應力集中更容易導致金屬網發生局部破壞進一步造成支護失效。后期針對金屬網支護性能的研究主要可分為2個方面：① 通過數值模擬手段明確金屬網上部破碎圍巖產生載荷的大小及作用方式；② 實驗室試驗中，以真實巖石代表外部載荷，通過還原圍巖與金屬網的接觸面解決金屬網的受力方式問題，以此補充完善金屬網支護系統方面的系統研究。

6 結 論

(1)金屬網支護系統在垂直載荷作用下的載荷-位移曲線變化分為載荷傳遞階段、網絲變形階段及結構破壞階段3部分。

(2)菱形網由于網孔較小，直接位于托盤下部的網絲較多，且因其自身特有的網孔結構，具有高強度支護特征；鋼筋網由于網絲剛度較高，且網格抗變形能力較強，具有高剛度支護特征；經緯網在外部載荷作用下的網絲相互錯動特征降低了經緯網支護系統的支護強度及剛度。

(3)數值模擬研究表明鋼筋網以及經緯網以中心“十”字型區域內的網絲承受軸向應力，菱形網以中心“X”字型區域內的網絲承受軸向應力。

(4)鋼筋網支護系統在承載過程中呈現出中心“十”字型傳力方式，菱形網支護系統呈現出中心“X”字型傳力方式，經緯網網絲在外部載荷作用下由高應力區向低應力區滑移。

(5)直接決定金屬網支護作用的邊界網絲，在垂直及水平方向上分別受到剪切及水平扭曲作用，且綁絲強度對邊界網絲的水平扭曲作用影響較大。

(6)3類金屬網是否能進行有效支護，應圍繞傳力機制問題分別進行局部綁絲加固、節點約束防滑及配套錨桿間排距優化3種加固措施，以此來提高支護系統的支護穩定性。