破裂岩体注浆加锚特性模拟数值试验研究.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N O ．4 J u l ．2 0 0 5 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 1 8 0 5 破裂岩体注浆加锚特性模拟数值试验研究 韩立军，贺永年 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要应用R F P A 软件系统对破裂岩体注浆加锚后的力学特性进行了试验研究．验证了注浆加 锚岩体在承载过程中具有应力强化特性；反映了注浆加锚岩体破裂和变形的发展过程；揭示了锚 杆对岩体提供应力和位移约束机理．从而为深部不稳定巷道的支护设计与稳定性分析提供了依 据． 关键词应力强化；锚注支护；位移约束；破裂岩体；数值试验 中圈分类号T D3 1 3文献标识码A N u m e r i c a lE x p e r i m e n t a lS t u d yo nM e c h a n i c a lC h a r a c t e r i s t i c s o fC r a c k e dR o c kM a s sR e i n f o r c e db yB o l t i n ga n dG r o u t i n g H A NL i j u n ，H EY o n g n i a n S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t U s i n gR F P At os t u d yo nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc r a c k e dr o c km a s sr e i n f o r c e db y b o l t i n ga n dg r o u t i n g ，i ti so b t a i n e dt h a tt h es t r e s sh a r d e n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a c k e dr o c k m a s si nu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sw e r ev a l i d a t e d ．a n dt h ee v o l u t i v ep r o c e s so fc r a c k i n ga n d d e f o r m a t i o no ft h er o c km a s sr e i n f o r c e db yb o l t i n ga n dg r o u t i n gw a sr e f l e c t e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tb o l t sc a no f f e rb o t hs t r e s sc o n s t r a i n ta n dd i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n tt or o c km a s s ，a n dp r o v i d ea b a s i sf o rs u p p o r td e s i g na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fu n s t a b l ed r i f t si nd e e pu n d e r g r o u n d ． K e yw o r d s s t r e s sh a r d e n i n g ；s u p p o r tb yb o l t i n ga n dg r o u t i n g ；d i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n t ；c r a c k e d r o c km a s s ；n u m e r i c a le x p e r i m e n t 研究表明，破裂岩体具有承载能力，且在有效 支护约束下趋于稳定[ 1 。2 ] ．而对实际深部地下工程 围岩来说，如何形成有效支护结构，以对破裂岩体 形成有效约束，发挥结构效应，对巷道围岩和支护 结构的稳定均具有重要意义．实践证明，对不稳定 巷道围岩实施锚固和注浆，形成锚注加固结构，能 满足多种复杂条件下的支护要求．初步试验研究表 明[ 3 ] ，破裂岩体经注浆加锚后可呈现应力强化特 性．本文旨在运用R F P A 2 D 对破裂岩体实施锚注加 固后力学特性进行数值试验研究，以揭示注浆加锚 岩体的承载机理，指导深部不稳定巷道的支护设计 与稳定性分析． 1数值试验模型与参数 R F P A 2 D 系统能较好模拟岩石介质渐进破坏的 过程，和其他已有的渐进破坏模型一样H ‘5 ] ， R F P A 2 D 包括两个方面功能应力分析和破坏分析． 应力分析采用有限元法，破坏分析则根据莫尔一库 仑准则检查材料中是否有单元破坏，对破坏单元采 用刚度特性退化 处理分离 和刚度重建 处理接 触 的方法进行处理．运用R F P A 2 D 可进行岩石试 件加载试验过程的模拟，较好反映岩石破裂及演化 收稿日期2 0 0 4 1 2 一0 9 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 3 I 国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 6 3 作者简介；韩立军 1 9 6 6 一 ，男，江苏省阜宁县人。副教授，工学博士。从事岩石力学与工程稳定方面的研究． E - m a l llh l i c u m t 1 6 3 ．c o r n 万方数据 第4 期韩立军等破裂岩体注浆加锚特性模拟数值试验研究4 1 9 过程[ 6 。7 ] ．这里利用R F P A 2 D 功能进行注浆加锚岩体 力学性能的试验研究． 破裂岩体经注浆加锚后具有复合材料的性质， 由浆液、岩块和金属锚杆等介质组成．采用平面应 变模型，首先以浆液介质参数建立模型，再在其中 充填不同粒径的岩块，然后布置锚杆、约束挡板等． 挡板和试件接触面为软弱单元，再设置加载方式和 加载步距等，从而完成建模． 模型中岩石、浆液、锚杆、约束板等材料参数的 选择均以实际工程围岩特性和支护特性为依据，并 结合R F P A 模拟特点确定。其中岩块采用随机分 布颗粒，规格2 ～3 0m m ，充填率9 0 ％；岩石弹模 6 ～8G P a ，单轴抗压强度4 0 ～6 0M P a ，泊松比 0 ．2 5 ，均质度2 ．0 ；浆液弹模1G P a ，单轴抗压强度 1 0 ．- 一1 2M P a ，泊松比0 ．4 0 ，均质度1 ．5 ；软弱单元 弹模1 4 0M P a ，单轴抗压强度0 ．6 5M P a ，泊松比 0 ．4 0 ，均质度1 ．5 ；约束板弹模2 0 0G P a ，屈服强度 3 5 0M P a ，泊松比0 ．2 9 ，锚杆屈服强度5 4 0M P a ，弹 模和泊松比与约束板相同，均质度均为1 0 ．采用轴 向位移加载，加载步距0 ．0 3m m ． 2 单轴注浆模型试验与分析 2 ．1破坏特征及其演化 岩体变形破坏特征及演化过程如图1 所示．因 浆液弹模和强度值较岩块小，造成浆液与岩块间接 触单元首先破坏，破坏单元逐步连通，形成宏观裂 纹，并发展成较大的贯通裂隙，但试件内岩块间存 在相互嵌制作用，岩块承载能力逐步发挥，试件不 发生脆性破坏，出现应力软化．声发射结果较好反 映了每步破坏单元数量及其所释放的能量值大小， 反映了单元破坏的规模． a 剪应力 b 弹性模量 c 声发射 图1单轴平面应变模型破坏模式及演化过程 试件Z J D Z 一4 F i g ．1T h ed e s t r u c t i v em o d e sa n dt h ee v o l u t i v ep r o c e s s o fr o c ks a m p l ei nu n i a x i a la n dp l a n es t r a i n c o n d i t i o n s s a m p l eZ J D Z 一4 2 ．2 峰值强度与应变 部分试验的轴向应力一应变关系如图2 所示， 主要参数见表1 ． 3 0 芒2 5 薹2 0 营1 5 厦1 0 暴5 03691 21 51 8 应变／1 0 。 图2 单轴平面应变模型试验应力一应变曲线 F i g ．2T e s t i n gc u r v e so fr o c km o d e l si nu n i a x i a lc o n d i t i o n 衰1单轴平面应变模型加载试验结果 T a b l e1 T e s t i n gr e s u l t so fm o d e l si nu n i a x i a la n dp l a n es t r a i nc o n d i t i o n su n d e rl o a d i n g 由图2 知，试验曲线上均存在线弹性段、弹塑 性段、峰值段、峰后软化段及残余强度段．组成试件 介质性质不同，其力学特性也有较大的差异．由试 件4 和1 的试验结果可知，岩块性质相同，仅提高 浆液强度，可使峰值强度提高1 2 ．1 ％，且达到峰值 后迅速破坏进入软化段；但试件1 峰前弹塑性段变 形相对较大，而弹模值变化不明显．由试件3 与试 件1 试验结果可知，浆液性质相同，而岩块强度由 6 0M P a 降至4 0M P a 后，试件3 峰值强度降低 2 2 ．4 ％，弹模值降低1 9 ．2 ％． 万方数据 4 2 0 中国矿业大学学报第3 4 卷 2 ．3 加载垫板对试验 结果的影响由试件2 与试件4 试验结果 图 3 可知，当岩块和浆液参数均相同，仅在试件2 上 下加设垫板，而试件4 未加，其峰值强度无显著差 异，但加设垫板后，易在加载端面形成“环箍效应”， 对试件的弹模和峰值及软化段特性影响较大，弹塑 性特点更加明显，弹模值降低，峰值应力状态持续 范围大，峰后应力缓慢降低，残余强度较高，具有较 好的承载特性． 3 0 芒2 5 量2 0 餐1 5 萎1 0 5 0 51 01 52 02 5 应变／1 0 ’3 图3 垫板对试验结果的影响 F i g ．3 E f f e c t so fp l a t e st ot e s t i n gr e s u l t s 3 单轴注浆加锚模型试验与分析 3 ．1试件破坏特征及其演化 单轴条件下，注浆加锚平面应变模型的破坏特 征及其演化过程如图4 所示． 试件内裂纹的形成与发展与单轴注浆平面应 变模型相似，但锚杆约束作用逐步发挥，控制了试 件的侧向变形，使其不丧失结构性；随试件内部单 元破坏的发展，形成较多宏观破裂面，但岩块问的 相互嵌制和锚杆的约束作用，使试件峰后出现明显 的应力强化段 一些试件表现为应力软化 ，显现出 较好的结构性．在相同加载条件下，加载垫板的使 用，可减轻试件内部单元的破坏程度，有利于试件 结构维持较高的承载能力．锚杆断裂可导致试件承 载力的丧失，使试件整体结构失稳，丧失承载能力． 剪应力声发射 a 试件Z J J M 一4 剪应力声发射 b 试件Z J - J M 一5 图4 单轴注浆加锚平面应变模型 试件破坏模式及演化过程 F i g ．4T h ed e s t r u c t i v em o d e sa n dt h ee v o l u t i v ep r o c e s s o fr o c ks a m p l e si nu n i a x i a la n dp l a n e - s t r a i n c o n d i t i o n sr e i n f o r c e db yb o l t i n ga n dg r o u t i n g 3 ．2 峰值强度与应变 平面应变模型加载试验结果见表2 ，图5 为试 验的轴向应力一应变关系．不同介质和锚杆约束参 数，造成试验结果有较大的差异．如试件5 存在线 弹性、弹塑性和应力强化段，无峰值段和软化段，而 试件2 ，3 和4 在应力强化段后还形成峰后软化段 或残余强度段． 衰2 注浆加锚平面皮变模型加载试验结果 T a b I e2 T e s t i n gr e s u l t so fr o c km o d e l si nu n l a x l a la n dp l a n es t r a i nc o n d i t i o n sr e i n f o r c e d b yb o l t i n ga n dg r o u t i n gu n d e rl o a d i n g 岩块26 0 ．o8 Z J J M - 5 浆液 1 ．59 ．71 锚杆l O 4 9 81 5 ．6 注。试验中，试件2 ，3 ，4 加载面上未加垫板，试件5 加载面上下均加设垫板 万方数据 第4 期韩立军等破裂岩体注浆加锚特性模拟数值试验研究4 2 1 - - ●r - Z J - J M 一2- - - - N - - - - Z J J M - 3 3691 21 5 轴向应变／1 0 。3 图5 注浆加锚平面应变模型试验轴向应力一应变曲线 F i g ．5 F u l ls t r e s s s t r a i nc u r v e so fr o c ks a m p l e si nu n i a x i a l a n dp l a n e s t r a i nc o n d i t i o n sr e i n f o r c e db yb o l t i n ga n dg r o u t i n g 3 ．3 加载垫板对试验结果的影响 试件4 和5 试验结果表明，垫板对试验结果有 较大的影响．虽然垫板与试件间设置了软弱单元， 但试件与垫板刚度不一致，软弱单元破坏后垫板与 试件接触，形成接触单元，这样在传递应力的同时， 形成横向约束力，有利于维持试件的结构性，因此， 具有较高的承载能力． 3 ．4 锚杆约束对试件承载和变形性能的影响 增加锚杆约束后，可显著改善试件抗变形和承 载特性，表现出应力强化特性 图6 ，具有较好的 结构性．岩块和浆液介质相同，杆体材料变化对试 验结果影响较大．对比试件2 和3 试验结果，杆体 材料弹模值不变，而屈服强度由3 4 5M P a 提高到 4 9 8M P a ，则杆体断裂前轴向极限应变由9 ．6 1 0 _ 3 提高到1 1 ．8 l O ～，并形成明显的应力强化 段；对比试件3 和4 试验结果，杆体屈服强度也不 变，而弹模由1 9 ．5 1 0 - 3 降至1 6 1 0 ～，则杆体断 裂前轴向极限应变提高到1 40 0 0 弘￡，且应力强化- 3 0 豁 “ 0 3691 21 5 轴向应变／lo ．3 图6 锚杆约束对试验结果的影响 F i g ．6 I n f l u e n c eo fb o l t i n gc o n s t r a i n t st ot e s t i n gr e s u l t s 特征明显． 在线弹性段侧向应变仅为轴向应变的1 ／5 ～ 1 ／6 ，锚杆未对试件形成有效约束，随试件内破坏单 元数增加，试件表现出弹塑性特性，其侧向变形显 著增加，锚杆的约束作用逐步发挥，试件侧向变形 得到有效控制，仅为轴向变形的1 ／3 ～I ／4 ． 3 ．5 锚杆的表面和内部约束作用 在锚杆垫板与试件的接触面上，因试件的侧向 变形，锚杆垫板可被动地形成侧向约束力，但应力 水平较低，分布极不均匀，且局部形成应力集中，特 别是锚杆与约束板的连接处应力较高，一些单元达 到了材料的屈服极限．因岩体与锚杆力学性质相差 较大，导致锚杆不同位置的应力状态也有较大差 异．锚杆与试件间的平均拉应力与试件裂纹的形成 相对应，在裂纹形成和发展的过程中，杆体平均拉 应力显著提高，形成对试件的内部约束作用． 4 不同规格模型对比试验分析 以4 种不同规格的注浆加锚模型进行对比试 验，其试验曲线如图7 所示，试验结果见表3 ．不同 规格注浆加锚试件，在组成试件介质相同的情况 下，锚杆约束单元相应增加，则试验的轴向应力一应 变曲线特征相似，即由峰前近似弹性段、弹塑性段、 应力强化段和约束破坏失稳段等组成，且应力强化 段的峰值应力相近，仅峰前弹性段的弹模值仅有较 小的变化．说明试件的尺寸效应对试验结果影响不 显著，试验成果可以用于大型试验研究，对注浆加 锚结构的变形和破坏研究具有重要意义． 3 5 董罢 蓉2 0 厘1 5 暴1 0 5 691 21 5 轴向应变／l o 。 图7 不同规格试件试验应力一应变曲线 F i g ．7T e s t i n gc u r v e so fs a m p l e si nd i f f e r e n ts i z e 衰3 不同规格加锚平面应变模型加载试验结果 T a b l e3 T e s t i n gr e s u l t so fs a m p l e si nd i f f e r e n ts i z er e i n f o r c e db yb o l t i n ga n dg r o u t i n gu n d e rl o a d i n g 注试件组成介质参数均与z J J M 一4 试件相同 ∞ ∞ ∞ m O 日‘＼R翅厦霹 万方数据 4 2 2 中国矿业大学学报第3 4 卷 5 结论 1 注浆试件具有典型的等效弹塑性特点，峰 前屈服和峰后软化特征明显，其峰值应力取决于组 成试件的岩块和浆液介质性质；试件由软弱的浆液 介质单元首先破坏，并逐步形成贯穿裂纹，最后导 致试件整体破坏，其峰后性能主要取决于岩块介质 的相互嵌制作用． 2 注浆加锚试件内锚杆不仅提供了表面侧向 约束作用，且在内部形成对试件变形和破坏的控 制，改善了试件结构的稳定性；同时锚杆约束作用 的发挥，使已破裂的注浆岩体仍维持在较高的应力 状态，显现出应力强化特征． 3 不同规格试件模型试验反映，锚杆的约束 作用是一致的，均导致注浆加锚岩体呈现应力强化 特性，具有较好的承载和抗变形能力，因此，研究成 果可用于锚注加固结构承载能力计算与稳定性分 析． 致谢本文研究采用的软件R F P A 2 D 由东北大学岩 石破裂与失稳研究中心提供，在此深表感谢． 参考文献 [ 1 ] 贺永年．软岩巷道围岩松动带及其状态分析E J ] ．煤炭 学报，1 9 9 1 ，1 6 2 6 3 6 9 ． H eYN ．A n a l y s i so fl o o s ez o n ea r o u n dt h er o a d w a yi n s o f tr o c k E J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，1 9 9 1 ，1 6 2 6 3 6 9 ． [ 2 ]董方庭，宋宏伟，郭志宏，等．围岩松动圈支护理论 口] ．煤炭学报，1 9 9 4 ，1 9 1 2 1 3 2 ． D o n gFT 。S o n gHW ，G u oZH ，e ta 1 ．R o a d w a y s u p p o r tt h e o r yb a s e do nb r o k e nr o c kz o n e [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aC o a lS o c i e t y ，1 9 9 4 ，1 9 1 2 1 3 2 ． [ 3 ] 韩立军．岩石破坏后的结构效应及锚注加固特性研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学建筑工程学院，2 0 0 4 ． [ 4 ] 唐春安，朱万成．混凝土损伤与断裂数值试验 [ M ] ．科学出版社，2 0 0 3 ． [ 5 ] C h u nAT ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp r o g r e s s i v er o c k f a i l u r ea n da s s o c i a t e ds e i s m i c i t y [ J ] ．I n tJR o c kM e c h M i nS c i 。1 9 9 7 ，3 4 2 2 4 9 2 6 1 ． [ 6 3 黄明利，唐春安，朱万成．岩石破裂过程的数值模拟研 究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 4 4 6 8 4 7 1 ． H u a n gML ，T a n gCA ，Z h uWC ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no nf a i l u r ep r o c e s so fr o c k [ J ] ．C h i n aJ o u r n a l o fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 9 4 4 6 8 4 7 1 ． [ 7 ] K a i s e rPK ，T a n gCA ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd a m a g ea c c u m u l a t i o na n ds e i s m i ce n e r g yr e l e a s ed u r i n g b r i t t l er o c kf a i l u r e P a r tI R i bp i l l a rc o l l a p s e [ J ] ． I n tJR o c kM e c hM i nS c i ，1 9 9 8 ，3 5 2 1 2 3 1 3 4 ． 责任编辑陈其泰 万方数据