锚索预应力在巷道围岩中形成的应力分布特征

锚索预应力在巷道围岩中形成的应力分布特征

锚索具有最大的锚固固厚、强度高、设计能力强等特点，在岩石加固工程中得到广泛应用。自1996年以来，中国在小直径树脂英杆断裂的适应性锚索后，该条约在煤路中得到了广泛应用，显著扩大了桩杆保护的应用范围，提高了道路的安全可靠性，是解决深层和复杂道路维护问题的主要方法。丁秀全采用三维有限差分法进行了预测波前锚固效应的模拟试验。一致认为，由于锚索数量和预测金额的增加，岩体表面的压缩效应随着锚索数量和预测金额的增加而增加。丁安敏等人通过物理模型试验分析了毛羽固体周围岩石横向带的长度和预测价值的影响：一般来说，随着锚索长度的增加，岩芯的坍塌高度随预算的增加而减小。然而，当预算器到达一定值时，增加预紧器的浮力，岩石的水位和落差高度不仅随预算器的增加而减小。然而，当预算器达到一定值时，预紧器的坍塌沉降高度不仅随预算的增加而减小，而且随着位移的增加而减小。福涛和泰勒使用不同的固体速度不同的树脂对整体固定杆的预紧力进行了研究。预紧力可以减小0.5.80m直接上部区域内的岩石离子和滑动滑动，改善围岩条件。采用该方法对整体定位在井中的预紧力进行试验。为了更全面、深入地研究锚索的支护作用机理,分析锚索的传力机制,以及在巷道围岩中形成的应力场-锚索预应力场分布特征,本文采用三维有限差分软件FLAC3D进行锚索支护作用的数值模拟,研究锚索长度、间距、排距、安装角度及预应力大小等因素对锚索预应力场分布的影响.1锚杆支护应力场分布特征一般分析锚杆与锚索支护作用的模型是在原岩应力状态下开挖巷道,然后安装锚杆与锚索,巷道周围应力状态重新分布,围岩发生变形与破坏,锚杆与锚索受力、变形.但是,由于围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大得多,因此,锚杆与锚索支护在围岩中产生的应力场被完全覆盖,无法进行分析与研究.为此,本文在不考虑原岩应力,即在零原岩应力场条件下,分析锚索预应力引起的应力场分布特征与影响因素.1.1数值模型的建立锚固体计算采用FLAC3D建立三维数值模型.三维模型的外形尺寸为长×宽×高=11.0m×5.0m×14.6m,巷道宽×高=5.0m×3.6m,共划分89125个六面体单元.巷道顶板为泥岩,单轴抗压强度40MPa.其它力学参数:弹性模量7.5GPa,泊松比0.3,黏聚力1.5MPa,内摩擦角30°.锚索采用Cable单元模拟,其物理力学参数:弹性模量200GPa,直径18mm,拉断力350kN,每米锚索的黏结刚度为0.2GN/m,黏结强度350kN/m,树脂锚固,锚固长度1.5m.锚索布置的基本模型:预应力200kN,锚索长度7m,排距2.0m,每排布置2根锚索,间距2.0m,垂直顶板布置.然后,在基本模型的基础上,改变各个参数,分析应力场分布特征与变化规律.1.2模拟方案(1)锚预测预测的影响将锚索预应力分别设为50,100,150,200,250,300kN进行计算.(2)提交长度的影响长度分别为4,5,6,7,8,10m时的应力分布状态.(3)锚索根数的影响模拟每排锚索数为1,2,3,4根时的应力分布状态.(4)锚定距离的影响排距分别为1.0,1.5,2.0,2.5,3.0m的应力分布状态.(5)锚距离的影响模拟锚索与垂线的角度为0,5,10,15,20,30°的应力分布状态.2锚索支护的应力分布模拟锚索预应力从50~300kN(间隔50kN)形成的预应力场分布.图1(a)为预应力50kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了明显的应力集中现象,最大压应力达0.18MPa.随着深入顶板远离锚索尾部,压应力迅速减小.至锚索长度的1/6处,压应力减小到0.02MPa.在锚索长度一半的范围内形成了应力值大于0.01MPa的压应力区,之上为应力很小的近零应力区.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,但应力集中程度与范围都比较小.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,但应力值很小.图1(b)为预应力50kN,平行于巷道轴线、在距顶板0.4m高度水平截面垂直应力分布.锚索附近出现了应力集中,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小,很快降低到0.01MPa.两根锚索之间有效压应力区(压应力大于0.02MPa的区域)小,而且相互独立,没有连成整体.两根锚索之间中部应力值很小,出现较大范围的近零应力区,在此区域,锚索几乎无支护作用.在巷道顶角附近出现了一定范围的拉应力区,但应力值很小.可见,由于锚索预应力低,导致锚索预应力场应力值小,形成的压应力区范围小,有效压应力区孤立分布,没有连成整体.近零应力区范围大,锚索支护在近零应力区几乎没有加固围岩的作用.图1(c)为预应力200kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了很大的应力集中现象,最大压应力达0.72MPa.随着深入顶板远离锚索尾部,压应力逐渐减小.至锚索长度的1/5处,压应力减小到0.06MPa.在锚索长度一半左右的范围内形成了应力值大于0.04MPa的压应力区,有效压应力区覆盖了锚索自由段作用的整个范围,近零应力区大幅度缩小.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,应力集中程度与范围比预应力50kN时明显增大.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,应力值有所增加,但总体较小.图1(d)为预应力200kN,平行于巷道轴线、在距顶板0.4m高度水平截面垂直应力分布.锚索附近应力集中明显,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小.但每根锚索产生的有效压应力区明显扩大,相互靠近.即使在两根锚索中部,也出现了一定数值的压应力,对锚索之间的围岩起到一定的支护作用.3锚索参数对预测场的影响3.1锚索长度对锚索支护作用的影响图2为不同锚索长度形成的预应力场分布(锚索预应力为200kN).由图2可看出:①随着锚索长度增加,有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加,表明锚索主动支护作用的范围不断扩大;但在宽度方向上变化不明显,而且随着锚索长度增加有减小的趋势.②随着锚索长度增加,锚索长度中部及以上部分的压应力逐步减小,表明锚索对中部及上部围岩的支护作用不断减小.③随着锚索长度增加,两锚索之间中部围岩的压应力逐步减小,表明锚索对其间围岩的支护作用不断减小.可见,在预应力一定的条件下,锚索越长,锚索预应力的作用越不明显,主动支护性越差.因此,可得出以下结论:①当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索.②锚索越长,施加的预应力应越大,才能充分发挥锚索的支护作用.③通过提高锚索的预应力,可适当减少锚索长度.④根据目前锚索预应力水平(80~150kN),锚索不宜过长,选择在4~6m比较合理.3.2锚索抗应力分析图3为每排1,3,4根锚索时形成的预应力场分布(锚索预应力为200kN),2根锚索时预应力场分布如图1(c)所示.由图3可看出:①在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似“心”形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小.②随着每排锚索根数增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并连成一体,近零应力区逐渐消失,形成类似“鼓”形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.③当每排锚索数增加到一定程度,再增加密度,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.3.3单根锚索合理排距图4为不同排距锚索形成的预应力场分布(预应力为200kN),由图4可看出:①当锚索排距较大时,每根锚索形成的有效压应力区彼此孤立,锚索之间及锚索长度中部的压应力值较小,锚索的主动支护作用不明显.②随着锚索排距缩小,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并沿巷道轴线方向连成一体.③当锚索排距缩小到一定程度,再缩小排距,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.3.4锚索预应力概述当预应力为200kN,锚索与垂线呈5,15,30°时,预应力场分布如图5所示.锚索垂直布置时的应力分布如图1(c)所示.由图5可看出:(1)当锚索垂直布置时,两根锚索形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大的压应力区,锚索预应力扩散与叠加效果最好.(2)随着锚索角度增加,每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离,叠加区域越来越小.锚索长度中上部、锚索之间的压应力变得很小.当锚索角度达到10°时,两根锚索尾部形成的高压应力区明显分离.继续加大锚索角度,高压应力区分开的更远,且锚索角度达到15°时顶板表面中部出现了拉应力区.(3)当锚索角度达到30°时,锚索形成的有效压应力区变得很小,而且彼此孤立,拉应力区进一步扩大,锚索的主动支护作用大大削弱.可见,在考虑锚索预应力的条件下,在近水平煤层巷道中,顶板锚索最好垂直布置.如考虑施工需要一定的角度,最大角度不应超过10°.3.5锚索组合构建的优点两根锚索采用钢梁组合在一起时的应力分布如图6所示.与无组合构件相比(图1(c)),可发现以下特点:(1)无组合构件时,锚索形成的有效压应力区在锚索尾部是彼此独立的.在顶板表面附近,有效压应力区呈圆形分布,相互不连接,锚索之间的压应力很小,预应力扩散范围小,锚索不能有效支护其间的围岩.(2)有组合构件时,锚索形成的有效压应力区在沿组合构件长度方向上显著扩大.在顶板表面附近,有效压应力区呈椭圆形分布,彼此相互连接,形成连续的有效压应力带,预应力扩散范围大,锚索能有效支护其间的围岩.(3)组合构件实现了锚索预应力的有效扩散,显著提高了对锚索之间围岩的支护作用,整体支护效果明显改善.4锚索的选择、支护作用(1)提出锚索预应力场的概念.基于零原岩应力场的锚索预应力场模拟分析方法,可清楚地计算分析锚索预应力及其它参数对预应力场的影响、分布特征与规律.(2)锚索预应力比较小时,锚索引起的压应力小,有效压应力区小,分布孤立;锚索预应力比较大时,锚索产生的应力大,在锚索自由段长度范围内,形成了相互连接成一片的、叠加的有效压应力区.(3)当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索;通过提高锚索预应力,可适当减小锚索长度;锚索越长,施加的预应力应越大.根据目前锚索预应力水平,锚索不宜过长,选择在4~6m比较合理.(4)单根锚索在其周围形成了类似“心”形的压应力分布区域.随着锚索密度增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,