喷锚支护洞室抗爆现场试验洞顶位移研究

地下工程设施的稳定性是岩土工程重要研究内容,如何提高爆炸荷载下洞室的抗爆能力对国防和民用工程都有重要的意义。因此,开展现场洞室抗爆实验研究有着重要的战略意义。从喷锚支护洞室抗爆现场试验角度,介绍不同的支护条件即长密锚杆 、 短密锚杆、常规锚杆三种不同条件下洞顶部位在上部爆炸条件下洞顶位移的特征。另外,对使用两种不同垫板的锚杆支护下洞顶位移做了对比,分析得到碗形垫板支护效果好于板形垫板支护效果的结论。文中还分析了洞顶与洞室跨度相对位移与爆炸比例距离的关系。通过本次试验以寻找最好的锚固效果,为实际工程提供借鉴。     

在爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态 对比试验研究

通过物理模型试验,研究洞室在平面装药和集中装药爆炸荷载作用下不同加固方案的对比抗爆效果.简要介绍新研制的岩土工程抗爆结构模型试验装置、模型试验相似条件、平面装药和集中装药爆炸模拟方法,着重给出在爆炸荷载条件下几类锚固洞室模型的破坏形态试验结果.模型试验结果表明,对相同试验条件下的洞室,在平面装药爆炸试验中洞室拱部材料均发生脱落,在集中装药爆炸试验中洞室拱脚均产生剪切错动裂缝;全长黏结式锚索加固的洞室比自由式锚索加固的洞室抗爆效果好;只增加锚杆长度对阻止围岩裂缝的发展不起控制作用,必须在锚杆间距达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在拱脚局部加长的密锚杆支护可以有效地阻止或者阻断围岩裂缝的发展,或者迫使裂缝绕过锚固区,从而提高锚固洞室的抗爆能力.研究结果对改进地下抗爆结构加固措施,提高其抗爆能力具有重要参考价值.     

不同方向爆炸荷载作用下地下洞室抗爆效果研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析方法,研究不同方向爆炸荷载作用下地下洞室的抗爆效果。通过对比分析地下洞室爆炸压应力时程曲线和动态裂纹分布形态,发现数值分析和试验的应力波曲线和锚固洞室围岩动态裂纹分布比较相似,这说明数值分析的结果比较合理。锚固洞室在相同当量爆炸荷载作用下,顶爆产生的位移最小,其次拱部侧爆,最大是直墙侧爆,并且直墙侧爆产生最大位移的位置是侧墙墙底,而不是离爆源最近的洞壁位置。在爆炸荷载作用,由于锚杆加固作用,在锚杆间发生受拉"劈裂",同时还在锚固区内以及锚固区末端发生"层裂"现象。在相同当量顶爆、拱部侧爆和直墙侧爆作用下,毛洞和锚固洞室的位移和动态裂纹分布形态相似,经过锚杆加固的洞室抗爆能力都得到提高。     

顶爆作用下锚杆破坏形式及破坏机制模型试验研究

 利用抗爆模型试验,研究在洞室顶部爆炸作用下锚杆的破坏形式,并对锚杆的破坏机制进行分析。根据锚固洞室破坏模型试验,发现锚杆主要有4种破坏形态：锚杆被压弯、螺帽没脱落,锚杆被剪断,锚杆被压弯和拉断并螺帽脱落,锚杆的垫板被翻转。通过对洞室破坏形态分析,得出产生锚杆4种破坏形态主要是由于顶爆作用下,产生的压力分布不均匀,在洞室两侧拱脚部位产生一条或多条很深的剪切裂缝所致。最后,针对锚杆的破坏形态,从锚杆杆体、螺帽及垫板方面提出改进锚杆抗爆能力措施。     

地下洞室锚固抗爆技术研究之现状

锚固抗爆技术是提高地下洞室抗爆性能的重要技术手段。综述了国内外地下洞室锚固抗爆技术的研究现状,包括全长粘结锚杆抗爆技术、预应力锚索抗爆技术、锚索+锚杆复合抗爆技术、屈服锚杆抗爆技术及端部消波锚杆抗爆技术;在此基础上,分析了锚固抗爆技术研究中存在的问题,指出了今后应重点开展的研究工作。     

一种新型复合锚固结构抗爆性能的试验研究

对一种新型复合锚固结构的抗爆性能进行了试验研究。这种新型复合锚固结构是“注浆锚杆-构造措施”型,用于地下空间的加固支护。“构造措施”是指在锚杆里端规律设置一段表面经过处理的空孔。试验研究表明:①复合锚固结构洞室的临界破坏荷载显著高于单一锚固结构洞室,其安全性和稳定性更高,其构造措施段具有一定的抗爆吸能作用;②复合锚固结构用于岩石洞室的抗爆加固是完全可行的;③就本次试验条件而言,在累次爆炸加载作用下,单一锚固结构洞室的破坏程度是复合锚固结构洞室的2.5倍;④加固区具有足够的深度、强度、刚度和稳定性是复合锚固结构优化设计实现的前提。     

3种典型装药位置对锚固洞室抗爆能力的影响

为认识和分析洞室抗爆性能,进一步优化洞室结构形式、改进洞室围岩加固措施,通过3次较大规模的物理模型试验,研究了3种典型装药位置对锚固洞室抗爆能力的影响。试验给出爆炸条件下锚固洞室围岩应力、洞壁应变和洞周裂缝等动态响应特征,得到了3种装药位置爆炸条件下各洞室断面的宏观破坏形态,分析了洞室的受力变形特点、破坏形态和抗爆能力。     

端部消波和加密锚杆支护洞室抗爆能力模型试验研究

 利用抗爆模型试验装置,研究在集中装药爆炸应力波的作用下,端部消波和加密锚杆支护洞室的抗爆能力;分析和比较3个洞室的拱顶垂直压应力、顶底板相对位移、洞壁应变、顶底板加速度及洞室围岩宏观破坏分布形态的差别。试验结果表明：在爆炸应力波的作用下,当洞室没有发生严重破坏时,端部消波和加密锚杆支护洞室顶底板相对位移和拱脚处最大应变都有减小;拱顶加速度整体上都有不同程度的降低;3个洞室都在拱脚处两侧产生断裂缝,但端部消波和加密锚杆支护洞室在拱顶方向断裂缝明显减少,其拱顶破坏程度得到减轻。说明端部消波和加密锚杆支护洞室能够提高锚固洞室抗爆能力。     

外部连接全长黏结式锚杆和弹力式锚杆 抗爆加固效果模型试验研究

 利用实验室抗爆模型试验装置,研究在平面装药爆炸应力波的作用下,外部连接全长黏结式锚杆和弹力式锚杆对洞室围岩的不同加固效果。通过分析自由场爆压时程曲线,发现该试验仪器测试效果较好,并分析和比较2种锚杆加固所造成的洞室围岩拱顶位移、洞壁应变和拱顶、底板及侧墙加速度的差别。试验结果表明：经过外部连接全长黏结式锚杆加固的洞室比弹力式锚杆加固的洞室拱顶位移峰值减少明显;在平面波的作用下,3个洞室洞壁各个位置都是产生压应变,最大应变出现在拱脚处;拱顶加速度是振动最激烈的地方,底板加速度在变形不大时加固洞室增加较大,必要时应该采取减震措施;对比2个加固洞室的最大应变峰值和加速度,发现外部连接全长黏结式锚杆相对较小,说明对洞室围岩的加固宜采用外部连接全长黏结式锚杆。     

基于3DEC的锚杆支护超大跨度洞室抗爆性能数值模拟

为研究锚杆支护对超大跨度洞室动力响应的影响,对锚固支护的地下洞室在顶爆作用下的破坏形式进行了数值模拟研究,并基于3DEC软件参数化建立了不同锚杆支护结构,分析了锚杆间距、长度和直径对超大跨度洞室抗爆性能的影响.数值分析结果表明,将超大跨度洞室拱顶附近岩石用锚杆连接,共同承载压力,有效地降低拱顶的动力响应;锚杆支护效果随着锚杆间距的减小、直径的增大而增强;随着锚杆长度的增加,拱顶挠度先减小后增大;相同锚杆用量情况下,改变间距对超大洞室支护效果的影响最大,改变直径影响次之,改变长度影响最小.     

爆炸荷载下锚杆动态响应试验研究

 通过物理模型试验,研究集中装药爆炸荷载作用下临近工作面端锚锚杆的动态响应。利用黏贴在锚杆上的应变片,测得动载期间不同锚杆断面处和距工作面不同距离锚杆上的应变波,并对数据进行分析研究。模型试验结果表明：爆破引起锚杆的振动时间约为5 ms,初始应变波可以是拉伸波,也可以是压缩波;爆破过后锚杆存在残余变形,最大残余应变发生在锚尾的自由段,最大动态拉应变发生在锚杆中部的锚固段。将锚杆的总应变分解为轴向应变和弯曲应变后,发现临近工作面的锚杆在爆炸动载作用下的主要变形为弯曲变形,轴向变形相对较小;动载过后锚杆处于弯曲状态,随锚杆至工作面距离的增加弯曲应变波的频率和幅值下降明显。采用小波包理论分析爆破引起锚杆振动的频率分布,进一步证明弯曲应变波的频率与锚杆至工作面距离的增加而衰减的规律。与以往现场测试结果的比较表明,物理模型试验测得的应变波总体上反映了工程锚杆的动态响应。     

地震与锚固系统的抗震分析及各种类型锚索对动荷载反应

本文提出了两种锚圈系统抗震分析方法，介绍了不同类型锚索对动荷载的反应。笔者认为：重大岩土锚固工程或强震区岩土锚固工程，设计时必须考虑动荷载作用；从抗错动和避免产生较大的应力集中角度考虑问题，压力型锚索优越于拉力型锚索。     

Principles of rockbolting design

This article introduces the principles of underground rockbolting design.The items discussed include underground loading conditions,natural pressure zone around an underground opening,design methodologies,selection of rockbolt types,determination of bolt length and spacing,factor of safety,and compatibility between support elements.Different types of rockbolting used in engineering practise are also presented.The traditional principle of selecting strong rockbolts is valid only in conditions of low in situ stresses in the rock mass.Energy-absorbing rockbolts are preferred in the case of high in situ stresses.A natural pressure arch is formed in the rock at a certain distance behind the tunnel wall.Rockbolts should be long enough to reach the natural pressure arch when the failure zone is small.The bolt length should be at least 1 m beyond the failure zone.In the case of a vast failure zone,tightly spaced short rockbolts are installed to establish an artificial pressure arch within the failure zone and long cables are anchored on the natural pressure arch.In this case,the rockbolts are usually less than 3 m long in mine drifts,but can be up to 7 m in large-scale rock caverns.Bolt spacing is more important than bolt length in the case of establishing an artificial pressure arch.In addition to the factor of safety,the maximum allowable displacement in the tunnel and the ultimate displacement capacity of rockbolts must be also taken into account in the design.Finally,rockbolts should be compatible with other support elements in the same support system in terms of displacement and energy absorption capacities.     

新型锚杆、锚索的发展现状及展望

通过大量文献研究和广泛工程调研,从六个方面综合论述了近期国内外新型岩土锚杆(索)的发展现状,即用于地下工程支护、城市基坑加固、腐蚀地质工程加固、软土地层工程加固、地下洞室抗爆以及边坡地震灾害治理的新型岩土锚杆(索)。在此基础上,分析了当前锚杆(索)发展中仍存在的主要问题,并指出了今后需要进一步开展的重要工作,包括针对深地下工程支护问题加强对屈服型锚杆(索)的研发,针对锚固工程耐久性问题加强对非金属锚杆(索)的研发,针对城市基坑工程加固问题加强对回收锚杆(索)的研发,针对软土地层工程加固问题加强对扩体型锚杆(索)的研发以及针对地下洞室锚固抗爆问题加强对新型抗爆锚杆(索)的研发。     

在侧爆作用下锚固洞室抗爆加固效果研究

为了给抗爆洞室的锚杆支护设计提供参考,利用数值分析软件LS-DYNA3D程序, 研究了在侧爆作用下的锚固洞室的抗爆加固效果。结果表明:毛洞和锚固洞室裂纹分布比较相似,由于反射拉伸在侧墙附近形成了两个裂纹区;在侧墙附近形成的第一个裂纹区,毛洞形成的裂纹区比锚固洞室广、粗,而在第二裂纹区,锚固洞室的裂纹区比毛洞稍广、细;经过锚杆加固的洞室峰值位移减少1.1 mm,减小24.4%,说明锚固洞室具有较好的抗爆加固效果。     

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

 为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明：远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明：洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明：洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。     

大型地下洞室锚索系统支护工程实践

 锚索支护系统是地下洞室围岩支护的主要类型之一,对于确保围岩稳定有着十分重要的意义。基于锦屏一级水电站地下厂房锚索支护工程实例,介绍洞室群的锚索支护设计和锚索负荷超限现象及统计成果,分析锚索超限的成因和降载措施。同时,给出锚索锁定吨位优化和变形控制复核的计算公式,推导出多锚头无黏结压力分散型锚索的应力计算公式。利用该计算方法,复核地下厂房锚索设计方案,并对超限锚索的安全性进行评价。     

基于强度折减法的盐岩地下储库腔群安全稳定性研究

将强度折减理论引入到盐岩地下储气库库群的安全稳定性研究中,提出库群失效破坏的临界标准。静力分析以塑性区贯通作为失效破坏临界判据,长期流变分析中失效破坏的临界判据包括塑性区贯通以及腔体体积收缩达到极限值。腔群整体安全系数计算通过搜索折减系数F,将岩体力学强度参数按F进行折减,使模型计算结果正好达到库群失效破坏的临界标准来实现。以金坛盐岩地下储气库为例,利用FLAC3D软件建立库群数值模型,根据强度折减理论对其进行静力分析和长期流变分析,获得不同条件下的库群整体安全系数。计算表明：静力分析中,随着折减系数的不断增大,腔周塑性区不断发展,腔群的整体安全系数为2.25;长期流变分析中,随着折减系数的增大,储库腔群的主要破坏因素由体积收缩逐渐转变为塑性区的发展贯通,在与静力分析相同的数值模型及内压条件下,库群运行50 a的整体安全系数为1.83。同时,探讨安全系数同矿柱间距、压强工况以及库群破坏模式之间的关系,为类似盐岩储气库库群安全运营和稳定性评价提供科学依据。