基于FLAC~(3D)精细化模拟锚杆横肋对锚固力的影响

运用Midas/GTS-FLAC~(3D)耦合建模手段,建立圆钢锚杆和螺纹钢锚杆模型,通过FLAC~(3D)数值模拟软件,研讨锚杆横肋作用机理,对比分析锚固状态下圆钢锚杆和螺纹钢锚杆在荷载相同时的锚杆-锚固剂-围岩三者之间的力学关系及变形情况。发现2种锚杆轴向应力随着深度的增加逐渐减小且当2种锚杆处于相同埋深时,圆钢锚杆的轴向应力略大于螺纹钢锚杆,所得结果与文献[1]做的相似材料模拟试验结果基本相同,因此可以通过FLAC~(3D)数值模拟软件建立的数值模型,作为深入研究横肋与锚固剂作用关系、锚固剂破坏规律以及不同岩性中锚杆横肋参数选择的一种参考办法。     

螺纹钢锚杆锚固岩石拉拔试验过程精细化数值模拟研究北大核心

为研究螺纹钢锚杆拉拔界面力学特性及锚固结构拉拔破坏过程,在锚杆拉伸试验及数值模拟的基础上,采用有限元软件ABAQUS建立螺纹钢锚杆拉拔对称平面模型,基于界面黏结损伤模型,对螺纹钢锚杆拉拔失效全过程进行模拟。结果表明:数值模拟可还原真实螺纹钢锚杆的拉伸断裂过程,与圆钢材料拉伸断裂特征不同,螺纹钢锚杆拉伸断裂方位与肋倾角平行;不同肋间距锚杆的载荷-位移曲线说明,肋间距越小,锚固承载性能越好;锚杆横肋的存在可提高黏结接触面积,增大机械咬合力;随着拉拔载荷增加,岩体呈漏斗状由锚固前端向锚固后端逐渐破坏,界面损伤及剪应力峰值逐渐向锚固段深部移动;锚杆、岩体及界面损伤会造成锚杆拉拔载荷-位移曲线波动,损伤越剧烈,波动越明显。     

不同锚固长度下锚杆拉拔特性研究

针对软弱围岩、树脂锚固、矿用锚杆支护体系,采用多功能锚杆拉拔测试系统,研究揭示了不同锚固长度下煤矿锚杆拉拔力学特性。结果表明:锚杆拉拔荷载-端头位移发展过程分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏失效阶段;随着锚固长度增加,锚固失效方式由锚固界面滑移脱黏失效转化为锚杆破断失效,且锚固长度越大,锚杆抗拔力越大,但存在临界锚固长度;锚杆轴向应力则经历了急增阶段、稳定阶段、回升阶段和溢出阶段;锚杆轴向应力沿杆体长度方向呈负指数分布,且由锚固近端向锚固远端逐渐减小,应当提高杆体局部强度与其应力数值的匹配性,以避免局部锚固失效而造成整根锚杆失效。     

右旋螺纹钢锚杆横肋间距锚固优化数值模拟研究

为了研究右旋螺纹钢锚杆不同横肋间距对其锚固性能的影响,通过ANSYS有限元数值模拟软件分析了在简支约束条件下60、100 k N载荷下横肋间距为12、24、36、48和60 mm的右旋锚杆锚固试件的受力状态。模拟结果显示:2种载荷下,锚杆杆体表面最大应力在横肋间距12、24、36、48 mm时增长较为显著,与横肋间距48 mm相比,横肋间距为60 mm时最大应力无明显增长;杆体横肋对应的树脂圈凹槽处易形成应力集中区域,且在横肋间距为48 mm时应力峰值达到最大;试件套筒外壁应变随着横肋间距增加先增大而后减小,在横肋间距为48 mm时达到最大。分析表明,在树脂与套筒内壁和杆体锚固段锚固密实情况下,横肋间距为48 mm时试件的锚固性能最优。     

螺纹钢锚杆杆体肋间距与锚固效果间关系的研究与分析

为分析螺纹钢锚杆肋间距与锚固效果间的关系,采用理论分析的方式进行拉拔锚杆锚固段应力理论分析,得出肋间树脂假想弱面失效破坏准则平衡方程;结合理论分析结果,设计采用左旋螺纹钢锚杆和壁厚为5.5 mm和7.0 mm的刚性套筒,对锚杆肋间距分别为12 mm、24 mm、36 mm、48 mm时的锚固效果进行试验分析,并基于试验结果进行了锚杆的拉拔力、套筒周向应变、剪胀位移量的分析。结果表明:两种套筒壁厚条件下,锚杆拉拔力的最大值均出现在肋间距为24 mm时。随着肋间距的增大,锚杆的锚固效果会得到一定程度的提升。     

螺纹钢锚杆搅拌树脂锚固剂端部形态优化试验研究

常用的树脂锚固剂是实现螺纹钢锚杆与围岩黏结的重要介质,其工作性能对锚固质量存在重要影响,螺纹钢锚杆端部搅拌树脂锚固剂是锚固的关键步骤。为明晰螺纹钢锚杆端部搅拌树脂锚固剂问题,基于已有成果分析了螺纹钢锚杆搅拌端部类型,重点对双楔形端部搅拌树脂锚固剂进行了力学分析,得到了加制“V”型槽双楔形搅拌端效果良好的理论基础。锚杆端部加制“V”型槽有助于锚杆端头刺入锚固剂封袋,增加锚固剂所受的旋转力,更好破坏锚固剂封袋,增强锚固剂的搅拌效果;拉拔实验发现,双楔形角在60°～75°,随着双楔形角的增大,锚杆的拉拔力有逐渐递增的趋势,在双楔形端部加制“V”型槽的螺纹钢锚杆锚固时,平均拉拔力峰值比未加制“V”型槽的提高了22%,比传统原型锚杆提高了62%,相比于锚杆有横肋双楔形搅拌端,无横肋双楔形搅拌端的平均拉拔力峰值下降了约16%;通过高速动态非接触全场应变测试系统观察搅拌过程发现,锚杆原型搅拌端搅拌锚固剂时其封袋是被搅拌端挤压、摩擦破坏的,且破坏过程中锚固剂封袋几乎没有发生扭曲;锚杆单楔形搅拌端搅拌锚固剂时锚杆单楔形尖端从锚固剂与孔壁之间的空隙插入,将锚固剂推入孔壁的一侧进行挤压、旋转,并从锚固剂侧面...     

爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆累积受力特征研究

针对全长锚固玻璃钢锚杆在多次爆破冲击作用下的损伤失效问题,依据金川三矿区玻璃钢锚杆支护参数及爆破振动现场实测数据,基于应力波反射拉伸破坏理论简化了锚杆动载受力模型并建立了数值计算方案,研究了单次及多次爆破动载下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向受力特征,并通过全长锚固玻璃钢锚杆冲击试验结果验证了数值计算结果的可靠性。研究表明:在动载强度不变的情况下,不同爆破次数下的全长锚固玻璃钢锚杆轴向应力均沿杆体长度方向呈指数型下降,且锚杆最大轴向应力始终在孔口位置;随着爆破次数的增加,锚杆各部位轴向应力均不断增大,锚杆最大轴向应力增加更为明显,且轴向应力分布范围不断向锚固段深处延伸;随着爆破次数增加,玻璃钢锚杆最大轴向应力持续增大直至破坏,但金属锚杆轴向应力快速增大至一定数值后便趋于平稳,两者具有明显差异性;随着动载强度的增大,玻璃钢锚杆失效前的最大受力次数整体上呈先快速下降后缓慢下降的指数型变化特征。研究结果可为爆破冲击作用下的玻璃钢锚杆支护设计及爆破控制提供理论依据。     

煤矿巷道树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性研究

目前锚杆(索)支护技术是我国地下煤矿开采中普遍采用的一种主动控制巷道围岩稳定的支护技术。但由于锚杆支护加固对象的复杂性,至今锚杆支护原理还没有一个统一全面的认识,对于复杂条件下锚杆的锚固机理、与围岩相互作用关系、应力分布规律及锚杆杆体承载特性等问题需要更深入的研究。论文采用理论分析、数值模拟、现场实测、实验室试验和工程实践相结合的综合研究手段,围绕树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性展开研究。论文研究的主要工作如下:(1)总结分析了树脂锚固体4类主要失效类型,着重分析了黏结失效类型中树脂锚固体空洞锚固失效和长时蠕变失效的两种形式。建立了空洞树脂锚固体拉拔状态下的力学模型,推导并求出了空洞树脂锚固体拉拔状态下沿锚固方向上杆体内拉应力分布的理论公式;同时建立了考虑锚固层黏弹特性树脂锚固体拉拔状态下的长时蠕变力学模型,推导并求出了与时间有关的杆体拉应力和锚固层-杆体界面剪应力分布公式,并求解了恒力长时作用下的树脂锚固体杆体外端点位移的近似公式,同时得到了锚固体产生破坏的极限拉拔力。(2)通过实验室力学试验,获得了围岩、锚杆等力学参数。基于ABAQUS数值模拟软件,验证了两种锚固体理论力学模型,研究了两种模型中杆体应力沿锚固方向上的分布规律,揭示了拉拔过程中锚固体内应力和位移的演化过程;着重阐述了长时蠕变模型杆体应力传递的3个阶段,分析了杆体的极限抗拉拔力与时间的关系。同时,分析了锚杆直径、锚固层厚度、钻孔直径、围岩强度等参数对树脂锚固体杆体拉拔状态下的力学特性影响。(3)采用预拉力锚固系统锚固作用综合实验台,研究了不同预拉力下锚杆杆体应力和弯矩的分布特征及其变化速率;通过测力锚杆井下拉拔试验,揭示了预拉力与锚杆杆体外端点位移的相互关系及不同预拉力下锚杆杆体轴力分布及承载特征,同时基于测得的锚杆杆体应力分布曲线,借助第三章研究结果,准确推测了巷道顶板的完整性;初步判定预拉力锚杆实际工作状态下杆体承载受力主要集中在外锚固段中性点附近,对限制巷道围岩变形起主要作用的是中性点附近杆体-锚固层-围岩3者之间的黏结关系,同时杆体内弯矩的存在说明杆体截面处于非均匀受力状。(4)在分析现有煤矿巷道围岩监测手段的不足和光纤光栅传感技术优越性的基础上,初步提出并建立了一套基于现代光纤传感技术的煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统;并采用该系统对煤矿巷道锚杆杆体受力及演化进行了实测,监测结果表明树脂锚杆的杆体应力分布呈非均匀分布且波动变化,杆体内存在大量弯矩。(5)最后基于理论研究结果提出了确保锚杆支护效果的几个基本原则,并应用于淮南矿区顾桥矿1115(1)工作面轨道巷及朱集煤矿1111(1)工作面轨道巷的工程实践,应用结果表明遵循该原则采用的预拉力高强锚杆强化支护技术可以充分调动围岩的自稳能力优化围岩的力学参数,有效控制巷道围岩变形,满足矿井安全生产要求;同时采用煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统成功揭示了1111(1)工作面轨道沿空留巷期间的矿压显现规律,并与传统矿压观测结果进行了对比,两者基本一致,初步显示了该系统的可靠性和应用前景。     

节理岩体内砂浆锚杆锚固力演化特征试验研究

为了研究节理岩体内砂浆锚杆锚固力的演化特征,在锚固体内预制了不同尺寸和位置的节理,通过室内拉拔试验,考察了节理开度和节理-表面距离对锚固系统锚固力的影响。研究结果表明:节理-表面距离对锚固系统破坏形态基本没有影响,而随着节理开度的增大,锚固系统破坏形式由锚杆屈服拉断破坏逐渐演化为锚杆、砂浆和锚固体接触面剪切破坏,其中有66.67%表现为锚杆-砂浆接触面破坏,仅有33.33%表现为砂浆-锚固体接触面破坏;节理开度对锚杆锚固段应力分布和系统承载能力影响显著,随节理开度的增大,锚固系统承载力逐渐减小,而节理-表面距离越大,锚固系统承载能力越强;完整锚固体锚杆锚固段轴向应力随深度的增大逐渐减小,在节理附近,含节理锚固体锚杆轴向应力基本保持不变,深度大于节理-表面距离时,锚杆轴向应力大于同位置完整锚固体锚杆轴向应力。     

不同肋间距锚杆锚固性能实验室试验研究

为确定右旋螺纹钢锚杆肋间距与锚固性能的关系,对锚固于壁厚5.5和7.0 mm刚性套筒的肋间距分别为12,24,36,48 mm锚杆锚固试件进行拉拔试验,测定和计算拉拔力、剪胀位移量、耗能值、套筒周向应变等。试验结果显示,拉拔力、剪胀位移量、耗能值随肋间距的增加呈近似线性增长趋势;壁厚5.5和7.0 mm套筒拉拔试验中,肋间距48 mm试件相较肋间距12 mm试件的拉拔力分别增加了27.4%,50.43%,剪胀位移量分别提高了379.18%和813.55%,耗能值相比提高了52.06%和124.32%。周向应变量随肋间距增加呈现先增加后减小,其最大值出现在肋间距36 mm,与肋间距12 mm相比分别增加95.14%和112.84%。分析表明随着杆体肋间距的增加,嵌入锚固杆体相邻肋间距内的树脂长度增加,树脂的受剪面积增大,因而抗剪力、拉拔力在增加;树脂破坏后体积膨胀以及轴力在径向的分力增加,使得套筒周向产生应变,直接引起树脂剪胀破坏后的位移量增加。肋间距的增加可以提高锚固性能,肋间距为48 mm时右旋螺纹钢锚杆的锚固性能最好。     

螺纹钢树脂锚杆的研究现状与趋势

针对近年来我国煤矿树脂锚杆发展现状,指出了目前高强度螺纹钢锚杆钢材质量、外形、横肋及肋间距、尾部螺纹及配套构件在生产及使用过程中存在的问题,并提出今后锚杆支护重点的研究方向和应解决的问题。     

全长粘结式锚杆受力特性研究

目前,全长粘结式锚杆在各种岩土工程中已得到广泛应用,但由于其锚固机理和受力特性的复杂性,使得在设计和应用上还存在一定的局限性。为此,从研究全长粘结式锚杆和围岩的作用机理入手,深入探讨其锚固机理和受力情况,推导出了全长粘结式锚杆的径向及切向锚固力,进而为全长粘结式锚杆的设计和工程应用提供了参考依据,具有重要的理论与工程实际意义。     

预应力端锚锚杆全锚后承载分布特征分析

为了分析锚固方式对锚杆承载特征的影响程度,便于巷道锚杆支护设计选型,本文采用理论分析和现场实测的方法,对比了全锚锚固和端部锚固条件下锚杆轴向力与剪应力分布特征.研究结果表明:锚杆承载分布特征与锚固条件、预应力、锚杆直径和围岩强度等密切相关;锚杆轴向力沿锚固段呈现单向递减趋势,锚杆剪应力沿锚固段呈现先增大后减小趋势,主要...     

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。     

煤矿软弱围岩巷道锚杆孔钻扩机理与试验

锚固系统失效是煤矿锚杆支护的瓶颈问题,特别是软弱破碎围岩条件下,锚固系统锚固力低下普遍存在。针对煤矿巷道锚固系统失效问题,确定了影响软弱岩层锚固系统失效的主要因素为锚固剂黏结失效,根据理论分析成果,提出了采用改变锚杆孔底形状提高锚固力的方法。通过对普通钻孔、圆柱扩孔、正楔形扩孔和倒楔形扩孔四类锚固系统分析,以锚固体极限拉拔强度、锚固剂与锚杆黏结面应力及位移为指标,确定正楔形为最佳扩孔形状。以锚固剂与锚杆黏结面应力分布特征为依据,确定了正楔形扩孔的最优楔角为40°。设计研发了相应的扩孔机具,进行实验室锚杆孔钻扩与锚固系统拉拔试验,验证了正楔形扩孔的作用机理与提高锚固系统锚固力的有效性。     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

隧道围岩中全长粘结式锚杆受力的非线性分析

为分析隧道围岩中全长粘结式锚杆锚固界面剪切作用的非线性特性及其受力特性,建立了锚固界面剪应力与剪切位移的双曲正切函数模型,推导了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的荷载传递方程,采用有限差分方法和Newton迭代公式建立了锚杆受力特性计算方法,并采用典型隧道工程锚杆试验实测结果进行了验证。在此基础上,分析了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的轴力和界面剪应力分布特征,探讨了锚杆长度、界面剪切强度和初始剪切刚度、围岩位移释放系数等因素对锚杆受力的影响。研究结果表明：①双曲正切函数模型采用单一函数曲线刻画了界面剪应力与剪切位移的非线性关系及锚固界面剪切刚度演变规律,可有效描述隧道围岩中全长粘结式锚杆的受力特性;②锚杆锚固力随着锚固长度的增加而逐渐增大,但其锚固长度存在临界值;超过临界值后,锚杆锚固力基本不变;③随着界面剪切强度和刚度的增加,锚杆锚固力逐渐增大,中性点位置移向临空面一侧,界面剪应力向临空面和锚杆末端聚集;④围岩位移释放系数越小,锚杆支护后所提供的锚固力越大。实际工程中,宜根据围岩稳定状态及所需锚固力大小,合理确定锚杆支护时机和长度。     

胶结锚杆的二维有限元分析

本文根据应用较广的胶结锚杆的变形特性和荷载形式,考虑到胶结锚杆杆体、胶结层和岩体的不同物理力学性质,建立了一种新的模拟单元,它包括模拟胶结锚杆的胶结层、锚头部位的胶结层、杆体以及对岩体不连续面的锚钉效应的六节点等参数胶结单元、五节点等参数胶结单元、三节点等参数的杆体单元和二节点锚钉单元。     

张拉预紧式锚杆支护系统高能强化锚固机理研究

目前传统转矩式锚杆预紧力损失大、锚杆主动性利用率较低,难以满足深部复杂困难巷道的支护要求,因此提出了张拉式高预紧锚杆支护技术,开发了张拉预紧式锚杆锁具及相关构件,并对系统在实验室进行了锚杆拉伸试验,结果表明:在锚具锥度为6°时,整个锚杆拉伸过程直至锚杆破断后锁具都可实现自锁,锚杆破断时,锁具总后退距离平均为3.3 mm,验证了锁具系统的安全性、匹配性及稳定性。而后采用数值模拟的方法建立了巷道锚固分离体模型,对比了低、高预紧力下锚固体的变形破坏特征与能量演化机制,最终得出高预紧力锚杆比低预紧力锚杆更能提高锚固体强度,减小锚固体受载变形的破坏程度,高预紧力产生的高储能可有效提高锚固体破坏峰值,减小破坏时的总耗散能,有效提高锚固体峰后残余能量。基于理论分析结果,在王庄煤矿91采区运输大巷进行了张拉预紧式锚杆与普通转矩式锚杆的对比试验,据矿压监测结果显示采用张拉预紧式锚杆的巷道段两帮最大移近量减少了32.6%,证明了提高预紧力构建高储能锚固支护体系可以有效减小巷道变形。