新型復合材料網力學性能數值模擬計算與分析

(國投新集能源股份有限公司設計研究院，安徽合肥 230031)

1 典型巷道計算

取某典型巷道中長度為12 m的部分進行數值模擬。此巷道高3.6 m，寬4.1 m，采用錨網噴支護形式，噴層初噴50 mm混凝土，復噴150 mm，中間鋪設復合材料網，頂部采用高強φ22 mm×2500 mm錨桿，底腳采用高強φ22 mm×3000 mm錨桿。巷道支護材料及規(guī)格如表1所示。

表1 支護材料及規(guī)格

2 計算模型建立

為了模擬巷道實際處于的地應力條件，這里按800 m處土的自重取X，Y，Z向的邊界應力均為21 MPa。在模型的左、右、前、后和底邊界，采用零位移邊界條件。

本次模擬充分考慮了空間效應對巷道圍巖變形的影響，巷道走向長度取12.0 m，分5次開挖完成，模型共計16566個網格節(jié)點，14400個實體單元。圖1為此次計算模型。

圖1 計算模型網格劃分

3 數值模擬結果及分析

本數值模擬，利用FLAC3D程序對所選斷面關鍵點的位移進行監(jiān)測，最后測算出巷道各部分變形量，從而得出穩(wěn)定性總體評價。模擬結果如圖2～圖5所示。

從圖2可以看出，圍巖豎向變形最大的部位是頂部，約7.46 cm，而整個襯砌的豎向變形都大約2 cm，包括頂部。幫部的上半段圍巖位移也較大，約6 cm，這些圍巖位移較大的部位主要對應著襯砌的圓弧部分，襯砌主要承受彎曲及剪切應力。說明襯砌具有較好的抗彎和抗剪能力。當襯砌受力產生下沉的時候，抗彎性能轉化成較好的抗拉性能，能有效的拖住上部圍巖，抵抗圍巖變形。

從圖3可以看出，兩幫直臂部位圍巖的水平位移為最大，約6 cm，而整個襯砌的水平位移約4 cm，小于圍巖的變形。當圍巖產生側向的變形時，襯砌良好的抗拉性能阻止了其繼續(xù)變形，較好的抵抗了圍巖的水平位移。

圖2 豎向位移圖

圖3 水平位移圖

圖4 豎向應力圖

圖5 水平應力圖

從圖4，圖5可以看出，襯砌結構X向的最大變形發(fā)生在模型直墻腿的中上部位，其變形量為6 cm。從整個模型來看，拱部受力較小，為1e7，應力主要集中在直墻腿部，豎向應力最大，為7e7，因此直墻腿是結構的薄弱部位。

4 結語

對典型巷道，采用復合材料網模型結構進行錨網噴支護下的FLAC3D有限元數值模擬，并對其結果進行分析，從數值計算結果中可以看出，直墻腿部分是整個結構的薄弱環(huán)節(jié)，其應力較大，所以，在現場應用時可以根據實際情況，將直墻腿改為曲墻腿，再配合錨桿錨網等支護，有望提高結構的整體承載能力。同時復合材料網的優(yōu)越性在數值模擬過程中得以體現。模擬顯示出，其抗彎承載力、抗拉承載力以及抗剪承載力均能滿足要求。

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