預(yù)應(yīng)力錨索不同錨固長度對(duì)錨索及巖體的影響

鐘連江

(貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550025)

預(yù)應(yīng)力錨索是巷道支護(hù)常用的形式，但預(yù)應(yīng)力錨索取的參數(shù)不同會(huì)達(dá)到不同的支護(hù)效果。為了研究預(yù)應(yīng)力錨索在自由段長度不變的情況下，不同錨固段長度對(duì)巷道支護(hù)效果的影響，本文采用Flac3D模擬研究了不同錨固長度對(duì)圍巖和錨索本身的變化規(guī)律。本文采取在自由段長度不變的情況下，改變錨固段的長度的方法研究預(yù)應(yīng)力錨索長度對(duì)支護(hù)的影響。其中自由段長度為現(xiàn)場使用錨索時(shí)的自由段長度;錨固段長度的變化規(guī)律為：從0.2m開始以0.2m的步距增加至3.0m共15種，即需要做15次運(yùn)算，總結(jié)出自由段長度不變的情況下，錨索、錨固劑及周圍巖體隨著錨固段長度的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型

為了研究在自由段長度不變的情況下，錨索、錨固劑及周圍巖體隨著錨固段長度的變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建立如下模型：尺寸：66 ×10 ×1m，巷道斷面：3.2m ×2.4m，巷道位于模型中心位置。錨桿長 L=2.0m，直徑 Φ18mm，間排距0.7m，錨索長度 L=6m，直徑 Φ15.24mm，間排距為2.1m。

模型的底邊界固定，即水平位移u=0，垂直位移v=0，w=0;左右邊界 u=0，v≠0，w≠0;前后邊界 u≠0，v=0，w≠0;上邊界不約束位移，為自由邊界。模型上部邊界以上的巖層的重量以外載荷的形式施加在模型的上邊界。

數(shù)值模擬采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2 不同的錨固長度對(duì)錨索及巖體的影響

本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了預(yù)應(yīng)力錨索軸力、錨索軸向應(yīng)力、錨固劑應(yīng)力、錨固劑位移以及錨索周圍巖體的力學(xué)特征在不同錨固段長度下的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果如圖1～8所示。

圖1 不同錨固長度下的錨索軸力

圖2 錨索軸力隨著錨固段長度的變化曲線

圖1為預(yù)應(yīng)力錨索在錨固段長度不同的條件下，從錨固起始點(diǎn)開始至錨索端點(diǎn)內(nèi)各測點(diǎn)的錨索軸力值。由圖可知，在不同的錨固段長度下，錨索軸力變化趨勢基本一致，均從錨固起始點(diǎn)開始隨著至錨索端點(diǎn)距離的增加逐漸減小。

圖2為預(yù)應(yīng)力錨索錨固起始點(diǎn)的錨索軸力、錨索內(nèi)端點(diǎn)錨索軸力在不同的錨固段長度下的變化曲線。由圖可知，錨固起始點(diǎn)錨索軸力隨著錨固段長度的增加呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的變化規(guī)律。當(dāng)錨固段長度增加至0.6～0.8 m時(shí)，錨固起始點(diǎn)錨索軸力不再隨錨固段長度的增加而增加;錨索內(nèi)端點(diǎn)錨索軸力隨著錨固段長度的增加呈現(xiàn)先減小后趨近于0的變化規(guī)律。當(dāng)錨固段長度增加至0.8～1 m時(shí)，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨索軸力基本不變化，隨著錨固段長度的增加，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨索軸力趨近于0。

圖3 不同錨固長度下錨固劑應(yīng)力

圖4 錨固劑應(yīng)力隨錨固段長度的變化曲線

圖3為在不同的錨固長度下各測點(diǎn)的錨固劑應(yīng)力變化曲線。由圖可知，在不同的錨固段長度下，各測點(diǎn)的錨固劑應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。從錨固起始點(diǎn)開始增加至一峰值，然后逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

圖4是在不同錨固段長度下，錨固劑應(yīng)力的變化曲線。由圖可知，隨著錨固段長度的增加，錨固起始點(diǎn)錨固劑應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錨固段長度大于0.8～1 m時(shí)，錨固起始點(diǎn)錨固劑應(yīng)力基本無變化;隨著錨固段長度的增加，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨固劑應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錨固段長度大于1 m小于1.8 m時(shí)，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨固劑應(yīng)力趨于一穩(wěn)定值，當(dāng)錨固段長度為1.8～2 m時(shí)，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨固劑應(yīng)力明顯減小，隨著錨固段長度的增加，錨索內(nèi)端點(diǎn)錨固劑應(yīng)力趨于穩(wěn)定并逐漸減至0;隨著錨固段長度的增加，錨固劑應(yīng)力峰值點(diǎn)的應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錨固段長度大于1 m小于1.8 m時(shí)，峰值點(diǎn)的應(yīng)力變化很小，當(dāng)錨固段長度為1.8m～2 m時(shí)，峰值點(diǎn)的應(yīng)力減小明顯，之后隨著錨固段長度的增加，峰值點(diǎn)的應(yīng)力基本無變化。

圖5 不同錨固長度下錨固劑位移

圖6 錨固劑位移隨錨固段長度的變化曲線

圖5為不同錨固段長度下，各錨固段內(nèi)錨固劑位移變化曲線，由圖可知，各錨固段內(nèi)錨固劑位移在不同的錨固長度下變化規(guī)律基本一致。從錨固起始點(diǎn)開始隨著距錨固起始點(diǎn)距離的增加逐漸減小，減小至一穩(wěn)定值時(shí)趨于穩(wěn)定，變化很小。

圖6為不同錨固段長度下，錨固劑位移變化曲線。由圖可知，錨固劑位移隨著錨固段長度的增加呈現(xiàn)逐漸減小，隨后趨于一穩(wěn)定值的變化規(guī)律。不同之處是錨固起始點(diǎn)錨固劑位移隨著錨固段長度的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而錨索內(nèi)端點(diǎn)錨固劑位移隨著錨固段長度的增加出現(xiàn)2次減小并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，當(dāng)錨固段長度大于1 m小于1.8 m時(shí)，錨固劑位移基本無變化，當(dāng)錨固段長度為1.8～2 m時(shí)，錨固劑位移減小較大，隨著錨固段長度的繼續(xù)增加，錨固劑位移基本無變化，趨近于0。

圖7 不同錨固長度下錨索周圍巖體軸向應(yīng)變曲線

圖8 錨索周圍巖體軸向應(yīng)變隨錨固段長度的變化曲線

圖7為不同錨索錨固段長度下，錨索周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變曲線。由圖可知，錨索周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變?cè)诓煌腻^固段情況下，周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變具有一致的變化趨勢，均隨著距孔口距離的增加逐漸減小，并趨于一穩(wěn)定值。各測點(diǎn)在Z方向上的應(yīng)變基本不受錨固段長度變化的影響。

圖8為不同錨索錨固段長度下，孔口處周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變曲線，由圖可知，孔口處周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變變化很小，不同錨固段長度下的變化值相差不大，說明了錨索錨固段長度的變化對(duì)錨索周圍巖體在Z方向上的應(yīng)變影響不明顯。

3 結(jié)論

(1)在不同的錨固段長度下，錨固段錨索軸力從錨固起始點(diǎn)開始逐漸減小，各測點(diǎn)間的錨索軸力變化值隨著錨固長度的增加而變緩。

(2)在不同的錨固段長度下，各測點(diǎn)的錨固劑應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。從錨固起始點(diǎn)開始增加至一峰值，然后逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

(3)各錨固段內(nèi)錨固劑位移在不同的錨固長度下變化規(guī)律基本一致。從錨固起始點(diǎn)開始隨著距錨固起始點(diǎn)距離的增加逐漸減小，減小至一穩(wěn)定值時(shí)趨于穩(wěn)定，變化很小。

(4)在不同的錨固段情況下，錨索周圍巖體Z向應(yīng)變變化趨勢相似，從孔口處向孔口內(nèi)方向應(yīng)變?cè)谥饾u減小。

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