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粘结刚度对预应力锚杆支护效用的数值分析

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-10 16:42
tags:

-

2021年2月10日发(作者:corresponding)


粘结刚度对预应力锚杆支护效用的数值分析


?



王晓卿


1,2


,康红普


2


,赵科


2


,刘跃东


2




1


中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京



100083



2

< br>天地科技股份有限公司


开采设计事业部,北京



100013



摘要:


层状顶板是煤巷的典型赋存特征。


为明确粘结刚度对 层状顶板锚杆支护效用


的影响,本文首先介绍了粘结刚度的概念及在

FLAC3D


中的实现方式,然后利用


FLAC3D



interface


单元建立了层状顶板巷 道模型,综合


pile



liner< /p>


结构单元构


建了仿真锚杆模型,


并实现了 预紧力施加功能,


在原岩应力条件下分析了不同粘结


刚度对层状 顶板的支护效用。


研究结果表明:


粘结刚度控制锚杆的增阻特性 ,


随粘


结刚度增大,


锚杆的增阻特性由 缓转急;


锚杆支护可显著控制层状顶板离层,


粘结


刚度越大,


控制效果越好;


锚杆支护应力场可显著改 善巷道围岩的应力状态,


减小


乃至消除拉应力分布,

< p>
粘结刚度越大改善效果越明显;


锚杆杆体受层理层间滑动影


响会发生弯曲变形,


但随粘结刚度增大,


变形程度得到 缓解。


鉴于粘结刚度的重要


性,


提出了 提高锚杆粘结刚度的技术途径:


优化杆体外表形状、


改善围岩接 触条件、


增强锚固剂粘结性能及提高锚固剂安装质量。



关键词:


锚杆;粘结刚度;层状顶板;离层;数值模拟



中图分类号


: TD353





文献标识码


: A


Numerical analysis of bonding stiffness for support


effectiveness of prestressed bolts


WANG Xiaoqing


1,2


, KANG Hongpu


2


, ZHAO Ke


2


, LIU Yuedong


2



(1 Faculty of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083; 2 Coal Mining


and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co. , Ltd. , Beijing 100013)


Abstract:


Stratified roof is typical occurrence characteristic for coal roadway. To clarify impacts


of bonding stiffness on bolts support effectiveness for stratified roof, concept of bonding stiffness


and


its


realization


way


in


software


FLAC3D


were


firstly


introduced,


then


roadway


model


with


stratified roof was established using interface elements of FLAC3D,and emulational bolts model


was


constructed


by


means


of


integrating


pile


structural


elements


with


liner


structural


elements,


whose pretension imposing method was also put forward. Based on these, support effectiveness of


different bonding stiffnessfor stratified roof were analyzed simulatively under condition of in-situ


stress.


The


results


show


that:


(a)Thebonding


stiffness


determines


resistance-increasing


characteristics


of


bolts,


which


vary


from


slowness


to


rapidness


with


the


increase


of


bonding


stiffness. (b)Bolts support has definite control effectiveness for separation of stratified roof. The



?


收稿日期:



基金项目:国家自然科学基金资助项目(


U1261211



51434006




作者简介:王晓卿(


1988-


,男,河北高邑人,在读博士。


Tel:



E-mail: 84028372@


greater


the


bonding


stiffness,


the


better


the


control


effectiveness.


(c)


Supporting


stress


field


of


bolts can improve stress state distinctly, diminishing even eliminating the distribution of tension


stress. The improving effect would get better if the bonding stiffness increases. (d)The bolts body


would experience bending deformation under the influence of interlayer sliding of beddings, but


the deformation degree would be relieved with the increase of bonding stiffness. In consideration


of the importance of bonding stiffness, technical approaches of improving the bonding stiffness


were


put


forward,


including


optimizing


shape


of


bolts


body,


improving


contact


condition


of


surrounding rock, strengthening bonding behavior of anchor agent, enhancing installation quality


of anchor agent.


Keywords:


bolts, bonding stiffness; stratified roof; separation; numerical simulation


< p>
层间滑动。相应的,


锚杆不仅在轴向方向具


煤系地 层具有典型的层状特征


[1]


,层状


有 对岩体的悬挂夹持作用,


在横向方向还具


赋存巷道易出现离层破 坏,


而锚杆支护已被


有对结构面的抗剪抗滑作用。


Grasselli


[12]


证实在控制离层方面具有显著作用


[2,3]


。针


Jalalifar



[13]


分别针对加锚结构面进行研究,


对锚杆支护机理,康红普提出了以高强度、


研究结果表明锚杆杆体在结构面处出现弯


高刚度、

< br>高可靠性及低支护密度为理念的预


曲变形,


随着结构面剪 切位移增加,锚杆弯


应力强力支护理论


[4]

< br>,该理论也得到了国内


曲屈服直至拉断。


因此在研究锚杆 对层状顶


外学者的支持。


高可靠性及低支护密度是以

< p>
板的控制效用时必须兼顾锚杆轴向及横向


锚杆支护的高强度和高刚度为基础 的,


目前


加固作用。



通过改良锚杆材质及加工工艺基本实现了


锚杆的高强度


[5]


,而高刚度的实现依赖于支


护系统整体,


包括锚固粘结刚度、


托盘围岩


接触刚度、


杆体自身刚度以及支护构件之间


的组合刚度,见图


1


。在杆体自身刚度以及


托盘围岩接触刚度难以显著改良的前提下 ,


增大粘结刚度及预紧力对于提高支护系统


刚度尤为重要。


高预紧力仅使锚杆受力在支


护初始时处于高值,

而拉拔试验表明粘结刚


度控制锚杆后续的增阻特性


[6]< /p>


,直接影响锚


杆支护性能的发挥。


目前对 于粘结刚度的研


究相对较少,


大多集中在锚固界面力学特性


分析方面


[7,8]


,粘结刚度与巷道支护 效果关


系方面的研究基本没有涉及。



托盘围岩接触刚度




2


锚杆的弯曲变形实照



Fig.2



Field photos of bending deformation of bolts


锚固粘结刚度


杆体刚度


构件组


合刚度< /p>




1


锚杆支护系统刚度组成



Fig.1



Stiffness composition of bolts support system


层状顶板破坏不仅包括离层还包括层


间滑动,


Peng


[9]

< br>给出了层状顶板层间滑动的


实例,


吴拥政


[10]


和王子越


[11]


分 别在挑顶后提


取了变形破坏的锚杆,


发现层理面附近的锚


杆弯曲变形最为剧烈,见图


2


,间接证实了< /p>


由于成熟的岩土本构模型及丰富的结


构单元,

巷道锚杆支护模拟较多采用有限差


分软件


FLAC3D



但在以往的锚杆支护模拟


案例中


[14,15]


往往缺乏对岩层层理的考虑,



过多聚焦于锚杆的轴向作用,


忽略锚杆的横

向作用,不能反映锚杆的真实工况。此外,


将锚杆尾部与单元体刚性连接或者赋予较


高的锚固参数用于模拟锚杆托盘,


既不能反

映托盘与围岩的相互作用关系,


也不能反映


托盘尺寸的影响 。


为克服上述弊端,本文首


先基于


FL AC3D



interface


单元建 立层状


顶板巷道模型,其次结合


pile



liner


结构


单元构建仿真锚杆 模型,


在此基础上研究不


同粘结刚度对层状顶板的支护效用。< /p>



1


粘结刚度及


FLAC3D


实现



1.1


粘结刚度的概念



在锚杆支护系统中, 将锚杆与锚固剂、


锚固剂与围岩之间的粘结质量概化为锚固


质量 。


锚固质量直接影响锚杆力学特性的发


挥,

同时也是锚杆支护系统中最为薄弱的环


节,


因此必须进行锚 杆锚固质量检测。


拉拔


试验是进行锚杆锚固质量检测的传统方法 ,


文献


[16]


对拉拔试验做了明确的 规定。



3



直径为


30.4mm



锚固长度为


500mm


锚杆经


拉拔试验所得的荷载位移 曲线


[17]



纵坐标为


拉拔力与锚固长度的比值,


横坐标为锚杆的


剪切滑移 位移,


可以看出荷载位移曲线近似


为直线,

其受斜率


k


s


及最大值

< p>
?


s max


控制,


k< /p>


s


为粘结刚度,


?


s max


为最大粘结力,因此常


将粘结刚度和最大粘结力作 为衡量锚固质


量的指标。最大粘结力表征锚固力的大小,


而粘结 刚度表征锚固力对锚杆剪切位移的


敏感程度。



30


25


1


-


m


20


σ


s max


为最大粘结力


·


N


/< /p>


s


σ


15





10


斜率


k


s


为粘结刚度


5


0


0


5


10< /p>


15


20


25


3 0


剪切位移


u


s


/mm




3


锚杆拉拔试验荷载位移曲线



Fig.3



Load-displacement curve of bolt pullout test


锚杆锚固材料由水泥砂浆发展到树脂

< p>
锚固剂,


锚固性能得到了极大提升,在拉拔


试验中 甚至拉断杆体也不会出现脱锚现象,


表明当前的锚杆支护体系已经可以实现高

< p>
粘结力。


但在煤矿巷道锚杆支护实践中,存


在锚固 力大巷道变形仍大或者锚固力始终


处于低值的典型情况,


主要原 因在于锚杆增


阻较慢。


粘结刚度可显著改善锚杆的增阻特


性,


使锚杆在较小剪切位移的情况下实现高


锚 固力,


因此研究粘结刚度对提高锚杆支护


效果具有重要意义。< /p>



1.2


粘结刚度在

< br>FLAC3D


中的实现



FLA C3D


中的


cable



pile


结构单元均


可模拟锚杆,其中


cable


结构单元将锚杆与


围岩的粘结界面抽象为 弹簧


-


滑块系统


[17]



在每个锚杆单元节点配置一个带有滑块的


弹簧组件 ,


用数个弹簧滑块组件代表锚固剂


及其粘结作用,


其中滑块表征锚固剂的最大


粘结力,


弹簧表征锚固剂 的粘结刚度,


见图


4



Pile


结构单元与围岩的作用机理与


cable


结构单元是一致的,


只不过由耦合弹簧参数


代替水泥浆参数


[17]



FLAC3 D


表达锚固质量


的方式较为丰富,


在< /p>


pile


结构单元参数表中,










< br>度








cs_scoh



cs_sk



仅定义这两 个参数粘结界




< br>学














cs_sctable



cs_sftab le


分别定义最大粘结力


与摩擦角随剪切位移的变化关系,


四个参数


共同定义将使粘结界面的力学特性表现出

< br>峰后软化特性。



加固锚杆单元


锚固环


开挖面


m


锚杆轴向刚度


m


滑块


锚杆单元节点


m


锚固剂粘结力


弹簧


锚固剂剪切刚度




4


弹簧


-


滑块系统



Fig.4



The spring-slider system


2


层状顶板巷道模型构建


< p>
某矿存在一断面为


5m×


3m

的矩形煤巷,


顶板依次为煤、砂质泥岩和砂岩,


岩层之间< /p>


层理显著,底板依次为煤及砂质泥岩。


根据


钻孔窥视结果,岩层中的显著层理共计


11


个,


位于顶板


10


个,


分别距离 巷道顶面


0.2m



0.5m



0.7m



1.0m



1.3m



1.7m



2.0m



2.2m



2.6m



3.0m


;位于底板


1


个,距离巷道底



1.0m


。据此构 建包含层理的


FLAC3D



值计算模 型,模型尺寸为


35m×


20m×


1. 0m



侧面固定水平方向位移,


底面固 定水平及竖


直方向位移。根据地应力资料,顶面施加


15.0M Pa


的上覆岩层压力,


X


方向原岩应力


侧压系数为


1.3


< br>Y


方向为


0.8


。单元尺寸由< /p>


外及里逐渐减小,在巷道周围


1m


范围内 单


元尺寸为


0.1m×


0.1m×


0.1m



共计


1 17000



单元。数值模型见图


5


Z


35


15.0MPa


11#


10#


9#


8#


7#


6#


锚杆


1#< /p>


2#


3#


4#


5 #


6#


2


1


砂 岩


砂质泥岩


2


1


5#


4#


3#


2#

< br>1#


巷道



岩层层理

< p>
砂质泥岩


X



FLAC3 D


中的


interface


单元可模拟 地层


中节理、断层及层理等结构面的力学特性,


实现结构面的滑 动和张开


[17]


,因此使用


inte rface


单元模拟岩层层理,模型中各岩层


采用


Mohr-Coulomb


本构模型。


结合文献


[18]


中的经验参数及现场岩体特征,


将 数值模型


中的岩体及


interface


单元参数取值如下:





5


层状顶板巷道数值模型



Fig.5



Numerical model of roadway with


stratified roof



1


数值模型中岩体参数



Table 1



Rock parameters in


numerical model



体积模量



煤岩层



/GPa


砂岩





砂质泥岩


1


砂质泥岩


2


12.74


1.27


3.60


4.00


/GPa


9.35


0.43


1.89


2.10


/MPa


5.15


1.70


2.35


2.52




39


21


28


29


/MPa


2.51


0.50


1.25


1.30


剪切模量



内聚力



内摩擦角



抗拉强度



密度



/kg·


m


-3



2750


1400


2500


2550



2


数值模型中

interface


单元参数



Table 2



The interface elements parameters in


numerical model



分界面



1#


2#


3#


4#


5#


6#


7#


8#


9#


10#


11#


法向刚度


/GPa·


m


-1



14


12


10


11


8


12


10


15


11


11


12


切向刚度


/GPa·

< p>
m


-1



11


10


8


10


7


9


10


12


9


10


11


抗拉强度


/kPa


50


120


100


150


70


150


150


220


200


250


50


粘聚力


/kPa


0


10


6


10


0


13


10


18


16


20


0


摩擦角




34


25


25


25


28


25


25


31


25


25


34


剪胀角




2


3


2


2


2


3


2


2


2


2


5


6


5


2


7


3


仿真锚 杆模型构建



3.1


杆体与托盘的模拟



FLAC3D


模拟锚杆通常采用


cable


结构


单元,但


cable


结构单元只能承受轴向荷载


而不能抵抗弯矩,与锚杆的实际工况不符,


为克服上述缺陷,< /p>


本文采用


pile


结构单元模

< p>
拟锚杆杆体。此外,采用


liner


结构单元模< /p>


拟托盘,


liner


结构单元可反映托盘 与围岩的


相互作用。将


pile


结构单 元代表的杆体与


liner


结构单元代表的托盘刚性连接,


构仿真


建锚杆模型,


模型中锚杆通过托盘与 围岩作


用,


与真实锚杆作用机理相符。仿真锚杆模


型不但能反映托盘与围岩的相互作用,


而且


能模拟锚 杆杆体的弯曲变形效果,


体现锚杆


的横向加固作用,仿真锚杆模 型见图


6.



6


仿真锚杆模型



Fig.6



Emulational bolts model




仿


< p>




Φ


22mm×


2.4m



BHR B600


型螺纹钢锚杆,


pile


结构 单元分段


数为


24


个,采用端锚方式, 锚固段长度为


0.8m


,锚杆最大受力设定为

< br>220kN



托盘仿


真对象为规 格


200mm×


200mm




10mm



平托盘。 仿真锚杆模型参数取值见表


3






3


仿真锚 杆模型参数



Fig.3



The parameters of emulational bolts model


pile


结构单元



弹性模量


泊松比



/Pa


200e9


0.2


横截面积


/m


2



3.8e-4


周长



/m


0.0942


屈服力


/N


2.47e5


惯性矩


I


y


/m


4



1.15e-8


惯性矩


I

< p>
z


/m


4



1.15e-8


极惯性矩


/m


4



2.3e-8


粘结力


/N·


m


-1

< br>


4.37e5


粘结刚度


/N ·


m


-2



---


liner


结构单元



弹性模量


/Pa


200e9


泊松比



0.25


厚度


/m


0.01


接触面法向刚度


/ N·


m


-3



8e8


接触面剪切刚度


/ N·


m


-3



8e8


3.2


预紧力施加方法



pile

< p>
结构单元较


cable


结构单元更符合

< p>
锚杆的实际工况,



pile

结构单元自身不具


备预紧力施加功能,


参照文献

< p>
[11]


提出的方法


实现


pile


结构单元预紧力的施加:


A


在 网格


指定位置生成托盘及锚杆的上下分段,


并在


上分段赋予锚固参数;


B


在锚杆上下分段分

< p>
别施加一对与预紧力大小相同的节点力,



定网格 ,计算平衡;


C


建立锚杆的中分段,


移 除节点力,固定网格,计算平衡;


D


释放


网格,实现预应力扩散。


现以承受自重应力


的模型为例,模拟 预紧力为


60kN


时锚杆的


预应力场, 见图


7.


A


建立上下分段


赋予锚固参数


B


施加节点力,固定网


格,计算平衡


C


建立中分段,移除节点


力,固定网格,计算


D


释放网格


计算平衡


实现预应力扩散


锚固段


锚固 段


锚固段


锚固段


上分段


3


m


3


m

3


m


上分段


上分段


节点力


中分段


下分段


托盘


托盘


下分段


托盘


下 分段


托盘


2m



2m



2m


3


m



0


2m



Z< /p>


Y


X


rame


0 01


?


17


Feb

2016


?


FLAC3D


Mesh


to


Tecplot


by


Sun


Kai,


QQ:3057286!

< p>
-


0


.


0


6


-


0


.

0


2


0


2


-


0


.


-


0< /p>


.


0


4


-


0


.


0


4

< p>
-


0


.


0


6


4


.


2

0


0


.


0


2


0


4


0


.< /p>


-


0


.


1


-


0



建立锚杆上下分段



锚杆轴力最大值


60kN



轴力最大值略小于


60kN



-


0


.


0

< p>
2


-0


.1


-0


.0


2


0


预应力场(< /p>


MPa




-< /p>


0


.


4




7


仿真锚杆模型预紧力施加方法

< p>


Fig.7



The pretension imposing method of emulational bolts model


4


数值模拟试验



4.1


模拟方案与步骤


< p>
模型


Y


方向厚度为


1m< /p>


,采用构建的仿

-


-


-


-


-


-


-


-



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