基于應(yīng)力波的巖土工程預(yù)應(yīng)力錨桿錨固支護方法

趙瑾瑛ZHAO Jin-ying

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，太原 030000；中國能源建設(shè)集團廣東電力工程局有限公司，廣州 510000）

0 引言

巖土工程中的錨桿錨固支護是保障工程安全的重要手段，尤其在節(jié)理圍巖巷道中，其支護效果對工程的穩(wěn)定性具有重大影響[1]。然而，傳統(tǒng)的錨桿錨固支護方法在實際應(yīng)用中存在一些問題，如支護效果不穩(wěn)定，對巖土體變形的控制能力有限，錨桿的錨固效果易受地質(zhì)條件影響等[2]。這些問題在一定程度上限制了錨桿錨固支護方法的應(yīng)用效果，也為新方法的探索留下了技術(shù)空白。此次研究以提高錨桿錨固支護的穩(wěn)定性為目標(biāo)，提出了一種基于應(yīng)力波的預(yù)應(yīng)力錨桿錨固支護方法。研究通過對巖土工程中錨桿錨固支護的原理進行深入分析，結(jié)合應(yīng)力波理論，提出了這種新方法。這種方法通過應(yīng)力波的傳播和反射，可以更準(zhǔn)確地掌握錨桿錨固過程中的應(yīng)力變化，從而實現(xiàn)對錨桿錨固支護的精細(xì)化控制，提高其穩(wěn)定性和承載力，控制巖土體的變形和破壞。

1 工程案例

本文以山西某煤巖工程為實驗對象進行研究分析，模擬分析采用該項目的數(shù)據(jù)進行，并得出相應(yīng)的支護方案，并在工程實踐中應(yīng)用該支護方案，取得了不錯的經(jīng)濟效益，解決了傳統(tǒng)的錨桿錨固支護方法在實際應(yīng)用中存在的問題，詳細(xì)研究過程如下：

1.1 基于應(yīng)力波的預(yù)應(yīng)力錨桿錨固受力分析

應(yīng)力波是由于外部作用力引起的介質(zhì)中的應(yīng)力和應(yīng)變的傳播過程[3]。在巖體中，當(dāng)外部力作用于巖體時，巖體內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力波，并通過巖體中的介質(zhì)傳播。應(yīng)力波的傳播速度取決于巖體的物理性質(zhì)，如巖石的彈性模量、密度等，應(yīng)力波傳播速度公式如式（1）所示。

式（1）中，應(yīng)力波傳播速度為v，介質(zhì)彈性模量為E，介質(zhì)密度為ρ。應(yīng)力波在錨桿中的傳播會引起錨桿的應(yīng)力和應(yīng)變變化，進而影響錨桿的錨固效果[4]。節(jié)理巖層是巖石中具有明顯斷裂面的巖層，其力學(xué)性質(zhì)和工程行為與普通巖石有所不同，在巖土工程中需要特殊考慮和處理。節(jié)理張開時，變形錨桿受力示意如圖1 所示。

圖1 錨桿受力示意

當(dāng)節(jié)理面處于錨固段時，錨桿首先通過錨固段與巖體連接，錨桿的錨固段與巖體之間存在摩擦力和錨固力。當(dāng)節(jié)理張開時，巖體受到拉伸力，錨桿通過錨固段傳遞錨固力到巖體，阻止巖體的進一步張開變形。當(dāng)節(jié)理面處于自由端時，錨桿首先通過自由端與巖體連接，自由端與巖體之間存在摩擦力。當(dāng)節(jié)理發(fā)生滑移時，巖體受到剪切力，錨桿通過錨固段傳遞摩擦力和錨固力到巖體，阻止巖體的進一步滑移變形。無論節(jié)理面處于錨固段、自由端還是發(fā)生滑移，變形錨桿都起到了傳遞力的作用，通過錨固段或自由端與巖體連接，將錨固力或摩擦力傳遞到巖體，以阻止巖體的進一步變形。

1.2 錨桿錨固數(shù)值模擬與分析

為了分析錨桿加固節(jié)理巖體的力學(xué)機理，研究采用實體單元和接觸面單元結(jié)合的方法進行模擬。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料對參數(shù)進行設(shè)置，錨桿拉拔試驗材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

在基坑施工過程中，對基坑支護體系進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，實時掌握基坑邊坡巖體與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用及支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，進而對基坑工程的安全性進行評估，為支護體系的優(yōu)化設(shè)計及施工提供科學(xué)依據(jù)。因此，研究結(jié)合節(jié)理變形過程中的受力分析，實驗分別對三種錨固方式的錨固機理進行模擬。節(jié)理受力張開時，施加一個垂直荷載T=20kN 在節(jié)理面位置上方的巖體上；節(jié)理剪切滑移時，將施加一個水平載荷F=20kN 在節(jié)理面上方巖體的左側(cè)，并將預(yù)緊力設(shè)置為40kN。三種錨固方式的錨固長度分別為600mm、1200mm 和2000mm。數(shù)值分析的目標(biāo)是研究不同錨固形式的錨桿，在節(jié)理張開和滑移過程中的受力特征變化，而不考慮錨固體的破壞。為了觀察桿體的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和軸向位移的分布情況，實驗觀察線被設(shè)置在錨桿內(nèi)部沿Z 軸方向上。通過錨桿周圍塑性區(qū)的分析可知，全長錨固下錨桿的延伸受到限制，導(dǎo)致節(jié)理兩側(cè)較大范圍內(nèi)的錨桿發(fā)生塑性破壞。加長錨固錨桿通過預(yù)先施加預(yù)緊力，使其在巖體中形成一種主動約束力。當(dāng)巖體發(fā)生張開變形時，錨桿需要克服其自身的粘結(jié)力和桿體的主動約束力。同時，錨桿桿體內(nèi)部預(yù)施加的預(yù)緊力也會產(chǎn)生一定的反作用力，阻止巖體進一步的張開變形。因此，在加長錨固技術(shù)中，需要合理選擇錨桿的材料、長度和預(yù)緊力等參數(shù)，以提供足夠的粘結(jié)力和主動約束力，以抵抗巖體的張開變形。同時，也需要對巖體的力學(xué)性質(zhì)進行準(zhǔn)確評估和預(yù)測，以確保錨桿能夠有效地支撐和固定巖體，從而保證巖體的穩(wěn)定性和支護效果。端頭錨固劑施加力量時，錨桿的自由段可以吸收一部分的變形和破壞，從而減小了錨固劑產(chǎn)生的變形和破壞的程度。錨桿在不同錨固方式下的應(yīng)力分布和靈敏度如圖2 所示。

圖2 錨桿在不同錨固方式下的應(yīng)力分布

圖2（a）中，端頭錨固時，自由段的軸向應(yīng)力升高至260MPa 并保持不變；加長錨固時，錨桿軸力在節(jié)理面處達到最大值253MPa；全長錨固時，錨桿軸力在節(jié)理面位置達到最大值約235MPa。圖2（b）中，端頭錨固的節(jié)理附近巖體的變形量為12.4mm，加長錨固的節(jié)理附近巖體的變形量為4.2mm，全長錨固的節(jié)理附近巖體的變形量為6.3mm。端錨錨桿的靈敏度較低，錨桿托盤間接對節(jié)理的張開變形產(chǎn)生作用。與之相反的是，全長錨固錨桿的靈敏度較高，錨桿全長存在黏錨力，可以阻止節(jié)理變形。加長錨固的控制效果更好，對節(jié)理張開的控制更為敏感，因為節(jié)理位于錨固區(qū)域存在黏錨力，錨桿處于錨固區(qū)仍有預(yù)緊力，自由段的預(yù)應(yīng)力可以提供有效壓應(yīng)力，從而抑制圍巖變形。

分析節(jié)理滑移時桿體周圍塑性區(qū)可知，端頭錨固在桿體的一端，另一端自由滑移，桿體周圍的塑性區(qū)主要集中在錨固端附近。塑性區(qū)的形狀可能呈現(xiàn)出一個錐形，錨固端附近的應(yīng)變較大，逐漸向桿體的自由滑移端減小。加長錨固在桿體的一端進行錨固，并在另一端加長一段固定長度的桿體。在這種情況下，塑性區(qū)域相對較大，主要分布在錨固端和加長段之間。由于加長段的存在，塑性區(qū)的形狀可能呈現(xiàn)出一個梯形，錨固端和加長段附近的應(yīng)變較大，逐漸向桿體的自由滑移端減小。全長錨固在桿體的兩端都進行錨固，塑性區(qū)域相對均勻地分布在桿體的整個長度上。由于兩端的錨固作用，塑性區(qū)的形狀可能呈現(xiàn)出一個近似矩形的形狀，兩端附近的應(yīng)變較大，逐漸向桿體中間減小。無論是端頭錨固、加長錨固還是全長錨固，桿體周圍的塑性區(qū)都是由于桿體受到外部載荷作用而產(chǎn)生的。不同的錨固方式會導(dǎo)致塑性區(qū)的形狀和大小有所差異，但都是為了增加桿體的穩(wěn)定性和承載能力。滑移時桿體的應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 滑移時桿體的應(yīng)力分布

分析圖3 可知，在距離錨固起始點0.5-0.6m 范圍內(nèi)，軸力從72MPa 增高至215MPa，然后迅速下降。在節(jié)理面處，軸向應(yīng)力降至90MPa。隨后，軸響應(yīng)力在節(jié)理面附近發(fā)生突變增加至最大值310MPa，隨后下降為175MPa，并趨于穩(wěn)定。加長錨固和全長錨固方式下，錨桿索受力過大。錨桿在節(jié)理面兩側(cè)的0.1m 范圍內(nèi)受到拉應(yīng)力21.2MPa 和壓應(yīng)力29.4MPa。加長錨固和全長錨固時，錨桿在節(jié)理面上方0.1m 處的軸力分別達到最大值228MPa 和204MPa。在距離錨固端頭1.1-2.0m 范圍內(nèi)，加長錨固方式的軸力保持129MPa 不變。除了端頭錨固，其余兩種錨固方式的水平應(yīng)力分布呈現(xiàn)對稱的趨勢，主要受到壓應(yīng)力的作用。在端頭錨固時，桿體受力滯后巖層滑移6mm，滑移變形量的最大值為34mm。而其余兩種錨固方式的巖體的最大滑移量分別為8.73mm 和12.1mm。在加長錨固時，黏錨力和預(yù)應(yīng)力一同提供節(jié)理處錨桿的抗剪力，這有效地抑制了錨桿的變形，減弱了巖體沿非連續(xù)面的分離情況。

1.3 錨桿錨固支護方法的工程實踐論證

綜合考慮全長錨固和加長錨固對節(jié)理圍巖的控制作用，為了確保節(jié)理面密布區(qū)域位于錨桿錨固段，可以選擇加長錨固或全長錨固方式。在加長錨固方式中，錨桿的長度可以根據(jù)節(jié)理面密布的區(qū)域進行調(diào)整，以確保錨桿的錨固段覆蓋節(jié)理面密布區(qū)域。而在全長錨固方式中，錨桿的長度與巖體的高度相同，從而保證整個巖體的穩(wěn)定性。另外，為了提升錨桿的抗拉和抗剪性能，需要施加一定的預(yù)緊力。合理的預(yù)緊力可以提高錨桿的工作性能，保證錨桿在巖體受力時能夠發(fā)揮有效的支撐作用，確保整個巖體的穩(wěn)定性和安全性。研究以山西某煤巖工程為實踐背景，通過節(jié)理圍巖巷道分析，得到支護的參數(shù)設(shè)定值。山西某煤巖工程的節(jié)理巷道支護方案如圖4 所示。

圖4 山西某煤巖工程的節(jié)理巷道支護方案

圖4 中，加長錨固支護中，頂板錨桿間排距設(shè)置為800mm×800mm，錨索間排距設(shè)置為2000mm ×1600mm。對于兩幫支護，錨桿間排距設(shè)置為800mm×800mm，實體煤幫和煤柱幫的錨索間排距設(shè)置為1500mm×1600mm。同時，加強施工管理，確保錨桿的預(yù)緊力達到40kN 及以上，支護現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 支護現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

分析圖5 數(shù)據(jù)可知，巷道在掘進初期經(jīng)歷了快速的變形增大，但在巷道掘出30 天左右趨于穩(wěn)定。頂、底板的相對位移穩(wěn)定在168mm，比原支護方案降低了56.5%。煤柱的變形量穩(wěn)定在109mm，實煤體的變形量穩(wěn)定在98mm，比原支護方案降低了55.43%。在回采時期，巷道表面位移在距離工作面80m 時明顯增加，最大變形量為273mm，兩幫的最大變形量為347mm，能夠滿足巷道的正常使用需求。

2 結(jié)論

研究針對巖土工程中錨桿錨固支護的穩(wěn)定性問題，提出了一種基于應(yīng)力波的預(yù)應(yīng)力錨桿錨固支護方法。通過理論分析和實驗研究，研究證實了新方法在提高錨桿支護穩(wěn)定性、承載力和控制巖土體變形破壞方面具有顯著優(yōu)勢。實驗數(shù)據(jù)顯示，相對于原支護方案，新方法使得頂、底板的相對位移和實煤體的變形量分別降低了56.5%和55.43%。這為解決錨桿錨固支護中的問題提供了新的思路和方法，也為巖土工程的安全提供了更為可靠的保障。研究解決了傳統(tǒng)的錨桿錨固支護方法在實際應(yīng)用存在的問題，從而填補了技術(shù)空白。此次研究在理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上，證實了新方法在提高錨桿錨固支護穩(wěn)定性方面的有效性，為今后的巖土工程實踐提供了有益的參考。