APP下载

深部层状围岩巷道物理模型试验研究

2019-04-01

山西建筑 2019年10期
关键词:层状径向锚索

张 力 王 华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550081)

0 引言

围岩稳定控制一直是巷道开挖的重点。在复杂高应力、特殊构造应力的影响下,深部高应力巷道围岩具有十分复杂的力学特性。

层状岩体是一种典型的复杂岩体,受内部层理、节理、裂隙等结构面的影响,其表现出非连续性、非均质性、非线性等特征,层状岩体的破坏机理及失稳模式也明显不同于均质岩体。现有的深部巷道物理试验,大都将围岩简化为完整的均质岩体,而缺乏对深部层状围岩巷道的相关研究。因此,研究深部巷道层状围岩的变形破坏特征和应力演化规律对实际工程具有一定的理论意义和工程应用价值。

1 试验系统及相似材料

物理试验采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室WYQ1000—Ⅰ型地下工程综合试验模拟系统。试验系统如图1所示,主要由试验台架、计算机控制系统、伺服系统、开挖系统和测量系统五部分组成。

根据GB/T 50218—2014工程岩体分级标准,层状岩体分为巨厚层状结构、厚层状结构、中厚层状结构、互层结构、薄层结构5种结构,基于此,试验以水平产状的中厚层状砂岩围岩巷道为基础展开物理试验。考虑砂岩是由骨料及胶结材料构成,因此采用河砂为骨料及水泥和石膏为胶结材料配制的相似材料模拟巷道围岩。

2 物理模型试验

试验研究880 m埋深的层状围岩巷道。试验机加压板尺寸为:长×宽=0.9 m×0.25 m,通过计算得出对模型施加的水平力Fx=0.9×0.25×0.52×106/103≈120.00 kN,垂直力Fz=1.2,Fx=144 kN(深部侧压力系数取1.2),围岩初始应力采用阶梯加载的方式,共分10次加载完成,其中垂直应力每次加载12 kN,水平应力每次加载14.4 kN,为保证模型受力均匀,每次加载至设计应力后稳定15 min,直至加载至围岩垂直应力设计值0.52 MPa,水平应力设计值0.63 MPa,相当于880 m埋深的围岩垂直应力和水平应力分别达到21.9 MPa及26.3 MPa。加载过程如图2所示。

当加载至围岩初始应力后,稳定试验系统油压,保持围岩应力不变,稳压约1.5 h~2 h,随后对巷道进行开挖,开挖分两次进行。为了对试验过程进行更好的监测,采用数字照相系统记录试验过程中围岩的变形破坏过程,围岩的应力数据则采用应变砖进行采集。

3 试验结果分析

3.1 变形破坏特征分析

不同支护方式下层状围岩巷道的最终破坏效果及数字照相量测系统分析的结果如图3所示。

由图3a)可知,无支护层状围岩巷道开挖后,顶板左右两侧形成的裂隙不断地贯通、扩展,导致顶板围岩逐层剥落,最终形成了“倒V型”尖角状破碎带,引发顶板的大面积失稳垮落。在此过程中,围岩的破坏是循序渐进的,并具有损伤破碎后再破碎的特点,围岩的变形主要以剪切滑移破坏为主。

由图3b)可知,锚杆起到了加固浅部层状围岩的作用,锚杆通过锚固力把浅部破碎带内的小块围岩岩体组合成大块岩体,并与顶板层状岩体形成了组合梁结构共同受力,从而提升了围岩的承载力,其破坏的形式为顶板的“梁结构”受力弯曲,导致顶板出现离层及带动围岩垮落,从而导致巷道失稳变形。

由图3c)可知,锚索的作用是把锚杆与浅部层状围岩形成的组合梁结构悬吊于深部更加稳定的围岩中,锚索提供的轴向力在一定程度上遏制了顶板层状岩体间的离层,有效增大岩层之间的摩擦力,并提供一定的抗剪能力,相较于单一锚杆支护有效地控制了顶板围岩的垮落和水平方向的错动。

由图3a)~图3c)的数字分析结果可知,无支护层状围岩破坏严重,巷道顶板、肩部、帮部、底板均有较大变形,围岩的最大位移数值达到38.18 mm;采用锚杆支护后围岩的变形得到了一定的控制,围岩变形主要发生于巷道顶、底板,围岩的最大位移数值为28.26 mm,相较无支护方式减小了25.98%;锚杆、锚索支护对于围岩变形的控制效果明显,围岩的最大位移数值为24.12 mm,相较单一锚杆支护减少了14.65%。

3.2 应力演化特征分析

采用应变砖对试验过程中的围岩应力数据进行采集(不同位置应变砖均距开挖自由面3 cm),分析围岩不同位置的径向应力、切向应力的演化特征及规律。

为便于对比分析,将不同支护方案的应力进行归一化处理,定义零时刻(第一次开挖时刻)的围岩应力为单位1的应力,开挖后各测点应力都除以零时刻应力数值,得到归一化处理后的围岩径向应力和切向应力分别如图4,图5所示。

由图4和图5a),图5c)可知,巷道开挖引起了围岩的应力重分布,在此过程中,围岩强度会不断衰减,巷道开挖后围岩的径向应力和切向应力的演化规律大致相同,在巷道第一次开挖后不同方案围岩的径向应力和切向应力均出现了大幅下降,随后径向应力和切向应力逐渐稳定;第二次开挖对围岩径向应力和切向应力的影响不大,径向应力和切向应力曲线只产生了少许波动,说明围岩应力重分布基本完成,最终径向应力和切向应力曲线随时间逐渐趋于稳定。

由图5b)可知,不同支护方案肩部围岩的切向应力在巷道第一次开挖后出现下降,随后又有一定的上升,第二次开挖则导致了切向应力大幅衰减。第一次开挖时肩部应变砖埋设位置处围岩依旧处于弹性区,围岩切向应力在弹性区内出现上升,在第二次开挖后则处于塑性区。第一次开挖后顶板及帮部围岩在切向应力快速跌落,而肩部围岩切向应力则是先减小后增大,说明肩部围岩抵抗变形的能力更强。

不同支护方案在相同测点处围岩的径向应力和切向应力的变化规律为:锚杆、锚索支护>锚杆支护>无支护,说明在3种支护方案中,采用锚杆、锚索支护方式的围岩应力衰减最少,围岩的承载性最好。

4 结语

通过物理模型试验对三种不同支护形式下深部层状围岩巷道的变形破坏特征及应力演化规律进行了研究,主要得出以下几个结论:

1)在无支护作用的情况下,深部巷道层状围岩的破坏模式具有循序渐进的特点,巷道开挖后,顶板最先产生变形并不断产生贯通裂隙,围岩逐层剥落,最终引发巷道的整体破坏。

2)在深部层状围岩巷道中,锚杆主要起到加固浅部围岩的作用,在锚杆的支护作用下,顶板层状围岩与锚杆形成了组合梁结构共同受力,提升了围岩的承载性;锚索的作用则是将组合梁悬挂于深处的稳定围岩中,起到了加强巩固组合梁结构的作用。

3)巷道开挖后顶板、帮部围岩强度快速衰减,相较而言,肩部围岩抵抗变形的能力更强。

猜你喜欢

层状径向锚索
赵庄煤业13102巷围岩补强支护技术研究与应用
试论预应力锚索抗滑桩在滑坡治理中的应用
浅探径向连接体的圆周运动
RN上一类Kirchhoff型方程径向对称正解的存在性
k-Hessian方程径向解的存在性与多解性
一种新型扩体锚索在软土地区复杂深基坑中的应用
火星上的漩涡层状砂岩
基于PID+前馈的3MN径向锻造机控制系统的研究
让压锚索力学特性及支护机理探讨
轧制复合制备TA1/AZ31B/TA1层状复合材料组织与性能研究