本文摘要：摘要:錨桿是地下工程硐室的主體支護(hù)方式,為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。本文從吸能錨桿的研發(fā)歷程、性能試驗與現(xiàn)場應(yīng)用3個方面進(jìn)行了總結(jié)和分析。吸能錨桿通過結(jié)構(gòu)滑移和材料變形2種方式吸收
摘要:錨桿是地下工程硐室的主體支護(hù)方式,為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。本文從吸能錨桿的研發(fā)歷程、性能試驗與現(xiàn)場應(yīng)用3個方面進(jìn)行了總結(jié)和分析。吸能錨桿通過結(jié)構(gòu)滑移和材料變形2種方式吸收能量,按工作原理可分為結(jié)構(gòu)型與材料型2種吸能錨桿。兩者相比,材料型吸能錨桿結(jié)構(gòu)相對簡單,能夠充分發(fā)揮材料力學(xué)性能。筆者團(tuán)隊研發(fā)了恒阻吸能新材料錨桿,開展了靜力拉伸與動力沖擊試驗,結(jié)果表明該錨桿具備高強(qiáng)、高延伸率和高吸能特性,能夠滿足復(fù)雜條件下的圍巖控制要求。未來應(yīng)制定恒阻吸能錨桿的試驗、設(shè)計、施工與驗收標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)其在礦山、交通、市政、水利等不同領(lǐng)域地下工程中的推廣和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:地下工程;吸能錨桿;工作原理;力學(xué)性能;現(xiàn)場應(yīng)用
隨著地下工程的迅速發(fā)展,工程建設(shè)過程中經(jīng)常面臨高應(yīng)力、極軟巖、強(qiáng)采動等復(fù)雜條件[1-3],極易出現(xiàn)軟巖緩慢大變形、巖爆與沖擊地壓瞬時大變形等破壞現(xiàn)象[4-5]。緩慢和瞬時大變形是圍巖能量積聚和釋放的結(jié)果,解決上述問題的關(guān)鍵是利用支護(hù)體系吸收圍巖釋放的能量,減少能量積聚[6]。
錨桿作為錨網(wǎng)索、錨網(wǎng)噴等支護(hù)體系的核心[7-11],被廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)中。傳統(tǒng)錨桿在復(fù)雜條件下易出現(xiàn)桿體破斷等現(xiàn)象[12],難以滿足復(fù)雜條件下的吸能支護(hù)要求。因此,研發(fā)具有良好吸能效果的錨桿對于圍巖大變形控制具有重要意義。相關(guān)研究表明,吸能錨桿應(yīng)具備高恒阻力和大變形能力,一方面能夠改善圍巖本身的力學(xué)狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度,另一方面吸收巖體變形能,使圍巖中的能量得到釋放[13]。
同時,必須對開挖后的圍巖施加盡可能高的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù),最大限度地恢復(fù)圍巖強(qiáng)度,保持巷道圍巖穩(wěn)定[14]。國內(nèi)外學(xué)者對吸能錨桿進(jìn)行了大量研究,研發(fā)了不同種類的吸能錨桿。根據(jù)工作機(jī)理吸能錨桿可分為結(jié)構(gòu)型和材料型2種。其中,結(jié)構(gòu)型錨桿又可分為桿體結(jié)構(gòu)型和機(jī)械結(jié)構(gòu)型。
桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過桿體-錨固劑摩擦或桿體-圍巖摩擦來實(shí)現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Swellex錨桿[15]、Cone錨桿[15-17]、ModifiedCone錨桿[18-19]、J型錨桿[20]等。機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過桿體在機(jī)械結(jié)構(gòu)中摩擦來實(shí)現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Garford錨桿[21,22]、Roofex錨桿[23]、恒阻大變形錨桿[24-25]等。材料型吸能錨桿是指通過桿體自身變形,吸收圍巖變形能量的錨桿,如D型錨桿[26]、BHRB錨桿[27]、PAR1錨桿[28]等。
本文總結(jié)了吸能錨桿的構(gòu)件組成、工作原理、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場應(yīng)用等研究內(nèi)容,同時對吸能錨桿試驗、設(shè)計、施工與驗收標(biāo)準(zhǔn)以及在不同領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用進(jìn)行展望。
1吸能錨桿研發(fā)歷程
自20世紀(jì)80年代吸能錨桿問世以來,眾多學(xué)者不斷對吸能錨桿進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新,取得了一系列成果。
1.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
1982年,瑞典AtlasCopco公司的Hoek等[15]研發(fā)了一種水脹式錨桿———Swellex錨桿,由帶有凹槽的無縫鋼管桿體和托盤等組成,高壓注水使桿體膨脹,從而利用桿體和圍巖之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;1987年,ChamberofMinesResearchOrganization[15-17]研發(fā)了Cone錨桿,由金屬桿體和錐形端頭等組成,在錨桿尾部添加錐形體,利用錐形體與錨固劑之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;2000年,Noranda公司在Cone錨桿的基礎(chǔ)上增加了樹脂錨固劑攪拌裝置,研發(fā)了ModifiedCone錨桿[18-19]。
此后,針對桿體結(jié)構(gòu)型錨桿的研究多以Cone錨桿為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),2020年,趙興東等[20]研發(fā)了具有多點(diǎn)錨固作用和整體滑移釋能能力的J型錨桿,由攪拌模塊、變形模塊和錨固模塊等組成,能夠同時利用錨桿錐形體-錨固劑的摩擦做功和桿體變形吸收圍巖變形能量。
1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
1995年,澳大利亞GarfordPty公司[21-22]研發(fā)了Garford錨桿,由光滑桿柄、錨箍和樹脂攪拌器等組成,利用錨桿桿體與錨箍之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。此后,針對機(jī)械結(jié)構(gòu)型錨桿的研究較少,直至2009年,AtlasCopco公司Plouffe等[23]研發(fā)了Roofex錨桿,由桿體、能量吸收部件以及彈性套筒等組成,利用能量吸收部件中銷釘與桿體的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。同年,何滿潮等[24-25]研發(fā)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形(Constantresistancelargedeformation,CRLD)錨桿,由錐體、桿體、套管、托盤等組成,利用錐體與套管之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量,具有高恒阻力和大變形能力。
1.3桿體材料型吸能錨桿
2006年,Li等[26]研發(fā)了D型錨桿,由多個分布不均勻的錨固結(jié)構(gòu)和桿體等組成,利用錨固結(jié)構(gòu)間桿體的伸長來吸收圍巖變形能,部分桿體破斷并不會導(dǎo)致整個錨桿的失效;2010年,康紅普等[27]研發(fā)了BHRB錨桿,由桿體、托盤、減摩墊圈、螺母等組成,通過優(yōu)化桿體材料提高了錨桿桿體物理力學(xué)性能,從而提高了錨桿的吸能能力;2018年,NewConceptMining公司[28]研發(fā)了PAR1錨桿,由桿體、槳形錨固結(jié)構(gòu)、托盤等組成,利用槳形錨固結(jié)構(gòu)間桿體的變形來吸收圍巖變形能。
2吸能錨桿力學(xué)性能研究
為研究吸能錨桿在圍巖緩慢變形和瞬時變形時的力學(xué)性能,眾多學(xué)者開展了吸能錨桿的靜力拉伸與動力沖擊試驗。
2.1吸能錨桿靜力試驗研究進(jìn)展
2.1.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
XuS等[29]對Swellex錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其極限荷載為235kN,伸長量為153mm;OrtleppWD[17]開展了Cone錨桿的靜力學(xué)試驗,得到其屈服荷載為181~253kN,伸長量大于30mm;CaiMing等[30]對ModifiedCone錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其極限荷載約為150kN,伸長量大于150mm;趙興東等[20]利用靜力拉伸試驗機(jī)對J型錨桿進(jìn)行了靜力拉伸試驗,得到其屈服荷載為172kN,極限荷載為196kN,伸長量為15mm。
2.1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
SenganiF[31]對Garford錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其屈服荷載為153~165kN,極限荷載為184~233kN,伸長量為252~280mm;OzbayU等[23]對Roofex錨桿進(jìn)行了靜力拉伸試驗,得到其屈服荷載為80kN,極限荷載為100kN,伸長量為300mm;何滿潮等[13]利用錨桿靜力拉伸試驗機(jī)對恒阻大變形錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其屈服荷載約為150kN,極限荷載為160kN,伸長量為627mm。
2.1.3桿體材料型吸能錨桿
Li[26]利用靜力拉伸試驗機(jī)對D型錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其屈服荷載為51kN,極限荷載為69kN,伸長量為22mm;王愛文等[32]對BHRB錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其屈服荷載為200~210kN,極限荷載為360~370kN,伸長量為360~370mm;NewConceptMining公司[33]對PAR1錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗,得到其極限荷載為210kN,伸長量為185mm。
2.2吸能錨桿動力試驗研究進(jìn)展
2.2.1桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
Charette[34]開展了Swellex錨桿的動力沖擊試驗,得到其伸長量為80mm,吸收的能量為2.9×104J;Ortlepp[35]開展了Cone錨桿的爆炸沖擊試驗,炸藥質(zhì)量為1.0kg,得到其吸收的能量為3.9×104J;St-Pierre等[36]開展了ModifiedCone錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為0.5m,落錘質(zhì)量為1016kg,得到其伸長量為250mm,吸收的能量為3.0×104J;趙興東等[20]開展了J型錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2006kg,得到其伸長量為184mm,吸收的能量為4.7×104J。
2.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿
Varden等[37]開展了Garford錨桿的落錘沖擊試驗,沖擊速度分別為6m/s和8m/s,得到其伸長量為180mm,吸收的能量為(6.5~7.0)×104J;Charette等[38]開展了Roofex錨桿的動力沖擊試驗,得到其伸長量為200mm,吸收的能量為2.7×104J;何滿潮等[13,39]開展了恒阻大變形錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為700~1000mm,落錘質(zhì)量為1000kg,得到其伸長量為580mm,吸收的能量為5.4×104J。
2.2.3桿體材料型吸能錨桿
Li等[26,40]開展了D型錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2006kg,得到其伸長量為140mm,吸收的能量為(2.0~3.7)×104J;王愛文等[32]對BHRB錨桿開展了高能量一次沖擊加載方式下的動力沖擊研究,得到其伸長量為385mm,吸收的能量為6.0×104J;Knox等[41]開展了PAR1錨桿的落錘沖擊試驗,落錘高度為1.5m,落錘質(zhì)量為2071kg,得到其伸長量為254mm,吸收的能量為(9.8~10.2)×104J。桿體材料型吸能錨桿試驗結(jié)果見表3序號3-1~3-3。
3吸能錨桿現(xiàn)場應(yīng)用
1999年,Turner等[45]將Cone錨桿在具有高應(yīng)力和強(qiáng)沖擊傾向性的DigBell礦中應(yīng)用,在等級M=1.7(里氏震級)的微震影響下,該類錨桿支護(hù)區(qū)域圍巖最大變形為500mm,保證了巷道穩(wěn)定;2000年,Simser等[19]將ModifiedCone錨桿在具有高應(yīng)力和強(qiáng)沖擊傾向性的Brunswick礦中應(yīng)用,該類錨桿最大變形量為180mm,有效吸收了圍巖變形釋放的能量;2008年,Yao等[18]將ModifiedCone錨桿在ValeIncoCopperCliffNorth礦中應(yīng)用,在等級Mn=2.9(納特里震級)的微震影響下,該類錨桿未發(fā)生破斷失效。上述錨桿施工工藝[18,19,45]為圍巖鉆孔、桿體潤滑材料涂抹、錨固劑裝填、桿體旋轉(zhuǎn)安裝、托盤及螺母安裝。上述錨桿在施工時圍巖鉆孔直徑較大,旋轉(zhuǎn)安裝錨桿時潤滑涂層極易剝離桿體。
巖土工程論文范例：巖土工程中水文地質(zhì)勘查技術(shù)的應(yīng)用
4總結(jié)與展望
(1)傳統(tǒng)支護(hù)體系在圍巖大變形時易發(fā)生破斷失效,導(dǎo)致冒頂、塌方、沖擊地壓等事故頻發(fā)。為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。
(2)吸能錨桿按工作機(jī)理可分為結(jié)構(gòu)型吸能錨桿與材料型吸能錨桿,相比前者,材料型吸能錨桿結(jié)構(gòu)相對簡單,能夠充分地發(fā)揮材料力學(xué)性能。筆者團(tuán)隊研發(fā)了恒阻吸能新材料錨桿,同時具備高強(qiáng)、高延伸率和高吸能特性,初步滿足了復(fù)雜條件圍巖控制要求。隨著地下工程圍巖條件越來越復(fù)雜,研發(fā)具有更高強(qiáng)度、高延伸率和高吸能特性的材料型吸能錨桿成為未來錨桿的發(fā)展趨勢。
(3)吸能錨桿的力學(xué)性能主要通過單軸拉伸試驗和落錘沖擊試驗開展研究。由于錨桿在支護(hù)過程中受到拉、剪、扭、彎及高速沖擊等多種載荷作用,現(xiàn)有試驗難以模擬錨桿實(shí)際受力狀態(tài),下一步應(yīng)開展吸能錨桿在多種載荷作用下的靜力學(xué)性能研究和高應(yīng)變率下的動力學(xué)性能研究。
(4)吸能錨桿目前主要應(yīng)用于礦山工程領(lǐng)域,形成了相應(yīng)的施工工藝。但是已有文獻(xiàn)對吸能錨桿現(xiàn)場應(yīng)用的研究較少,下一步應(yīng)對吸能錨桿在現(xiàn)場應(yīng)用時的力學(xué)性能和圍巖控制效果進(jìn)行研究,制定吸能錨桿的設(shè)計、施工和驗收標(biāo)準(zhǔn),推廣吸能錨桿在交通、市政、水利等不同領(lǐng)域地下工程中的應(yīng)用。
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作者：江貝1,王琦1,2,3,魏華勇1,2,辛忠欣3,何滿潮1,吳文瑞1,2,馬鳳林1,2,許碩1,2,王業(yè)泰
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