加锚岩石抗弯特性试验研究_陈璐

Experimental study of flexural behavior of anchored rock
CHEN Lu1, 2, 3, ZANG Chuan-wei2, YU Feng-hai2, TAN Yun-liang2, ZHAO Tong-bin2, ZHANG Zhi-jun3
(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. College of Minging and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3. School of Nuclear Resource Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China)
者引入地质强度指标作为锚杆支护设计的主要依 据； Charlie[6]、 何满潮[7]等设计了新型吸能锚杆并通 过现场应用取得了良好的支护效果。 锚固机制方面， 尤春安[8]推导了全长粘结式锚杆的弹性解，探讨了 锚杆的受力特征及其影响因素；赵同彬等[9]对岩体 加锚后的力学特性及锚固机制做了较为深入的研
间排距、钻孔直径及布置方式等参数。室内通过加
第 12 期
陈
璐等：加锚岩石抗弯特性试验研究
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择位移控制方式加载， 待试件与加载端头完全接触，
弯矩/ (N・m)
80 60 R1-4 40 20 0 0.00 R1-2
即可停止预加载；③控制静态应变仪，逐个平衡测 试通道； ④以 0.05 mm/min 的速度给试件施加荷载， 同时启动静态应变仪记录应变数据，直至试件基本 丧失承载能力，停止加载。
[12]
的锚杆拉拔试验，分析了缝隙对锚杆轴向应力及剪 应力分布的影响；李术才 ，付宏渊
[13]
等利用相似
材料模拟试验，分析了锚杆对岩体强度、变形特征 及裂隙扩展的影响；林杭等 治方面， 谭云亮等
[15－16] [14]
研究了剪应力作用下
Table 2
类型 工程原型 加锚试件
锚杆对节理岩体的加固作用。而在巷道冒顶灾害防 提出用顶板离层速率比率预 警井下采掘空间顶板失稳灾害。 由上述讨论可知，国内外众多学者通过多年的 努力，在锚杆加固设计及顶板灾害防治等方面的研 究已取得许多有意义的成果。但受试验技术等条件 影响， 目前针对加锚岩石抗弯特性的研究相对较少， 而巷道失稳事故，特别是煤矿回采巷道受超前支撑 压力影响时，冒顶灾害频发，严重威胁矿山安全生 产。因此，本文以煤层顶板岩石作为加锚基体，选 用钢丝模拟锚杆、薄钢片模拟钢带。通过加锚岩石 三点弯试验，研究锚杆及钢带对岩石抗弯性能的影 响，为有效控制巷道冒顶事故提供依据。
3. 南华大学 核资源工程学院，湖南 衡阳 421000） （1.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083；2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；
摘
要：采用煤层顶板岩石作为加锚基体，用钢丝模拟锚杆，薄钢片模拟钢带，对加锚体进行了三点弯试验，并与常规试件
进行对比分析。结果表明，因岩石抗压与抗拉性能的差异，试件在弯曲过程中，下表面拉应变的增长速度大于上表面压应变 的增长速度，裂纹最先在下表面产生并逐渐向上发展。加锚试件，因锚杆改善了锚固区域岩石的力学性能，且钢带与锚杆共 同承担了一定的拉应力，锚固试件抗弯能力有所增强。试件截面应力状态可以结合破坏过程分为 3 个阶段，第 1 阶段为弹性 阶段；第 2 阶段为裂纹产生与扩展阶段，岩石承载能力逐渐劣化，拉应力逐渐向钢带转移，岩石裂纹发展受限，试件抗弯能 力有较大提升；第 3 阶段为破坏阶段，锚杆失黏，挠度持续增加而试件承载能力趋于稳定。 关 键 词：加锚岩石；三点弯试验；应力转移；裂纹扩展；抗弯性能 文献标识码：A 中图分类号：O 302
Abstract: With rock sample of coal seam roof as matrix and steel wire as bolt and steel sheet as steel strip, anchored rocks have been experimented by means of three-point-bend. Testing results show that: as the differential properties on compressive and tensile of rock， the speed of tensile strain growth is greater than that of compressive and cracks begin to extend on the lower surface of rock and gradually propagate upward in the bending process. The flexural behavior of bolt anchored specimen has been enhanced, while the mechanical properties of rock are improved in anchorage zone, and a certain amount of tensile stress is shared by steel belt and bolt. The cross section stress distribution of specimen could be divided into three stages in accordance with the failure process. The first is elastic stage. Crack generation and propagation is the second stage. The bearing capacity of rock start to deteriorate, and tensile stress gradually shifts to the steel belt, bearing capacity of anchored increases dramatically because crack propagation of rock is limited. The third is failure stage, bolt lost function, deflection increases while bearing capacity of the specimen tends to be stabled. Key words: anchored rock; three-point-bend experiment; stress transfer; crack propagation; flexural behavior
下应变片
钢带应变片 80 mm 140 mm
(a) 正视图 下应变片 35 mm 28 mm 3.2 mm (b) 俯视图 钢带应变片 钢带
结剂选用重晶石粉和松香酒精溶液等拌合料。
表 1 工程锚固材料和 45 号钢的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of anchored material and steel No. 45
表 2 试件加锚几何参数 Geometry parameters of anchored specimen
钻孔直径/ mm 30 3 锚杆直径/ mm 20 2 间排距/ mm 800 80
进行了系统的锚固体推出试验研究，并利用
[11]
数字散斑技术观测了锚杆界面变形场的演化规律； Zhao 等 根据锚固区域内离层缺陷， 设计了带缝隙
1 引
言
杆支护设计方面，国内外众多学者常采用悬吊、组 合梁等理论设计锚杆支护参数[3
－4]
。Osgouia 等[5]学
巷道冒顶是极为常见的工程灾害，而锚杆加固 则是一种优越的巷道支护方式，然而受复杂地质条 件及岩体力学性能差异等因素的影响，同一条巷道 相同的加固强度，却表现出不一致的支护效果
[1－2]
3 试验结果
采用三点弯试验研究锚杆钢带组合锚固对岩石 抗弯性能的影响，共进行了 3 组三点弯试验。试验 方式如图 3 所示，试验过程为：①先将加工好的试 件放置试验架中间，连接并启动静态应变仪，但不 记录数据，注意试验机压头不能正对应变片；②选
2.2
加锚参数 巷道采用锚杆加固时， 需确定锚杆长度、 直径、
，
且经常发生巷道冒顶事故，这给锚杆支护技术及锚 固机制的研究带来极大困难。针对这些难题，在锚
收稿日期：2014-06-30 基金项目：国家基础研究发展计划项目（No. 2015CB060200） ；国家自然科学基金项目（No. 51104093, No. 51322403, No. 51474136） 。 第一作者简介：陈璐，男，1987 年生，博士研究生，实验师，主要从事采矿工程和岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail: chenlu206@126.com 通讯作者：臧传伟，男，1976 年生，博士，副教授，主要从事矿山压力与岩层控制、采矿工艺等方面的研究工作。E-mail: chuanweizang@163.com
材料 锚杆 钢带 45 号钢 抗拉强度 / MPa 200～600 350～400 600 400 抗剪强度 / MPa 260~600 弹性模量 / GPa 200 200 210 伸长率/ % ≥16 ≥16 ≥16
Fig.1
图 1 加锚方案及加载方式 Bolt layout and loading method
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岩
土
力
学
2014 年
究，根据试验结果建立了加锚体流变本构方程；尹 延春
[10]
锚岩石相似试验模拟实际工程问题时，需确定几何 相似比例关系设计试件的加锚参数。本试验选取的 几何相似比为 10:1，基本参数见表 2。为更真实反 映工程实际问题，研究锚杆和钢带对顶板的共同作 用， 本试验选用 45 号钢加工而成的薄钢片模拟矿用 钢带，并施加预紧力，从而使钢丝和薄钢片有效组 合。钢带的几何参数见表 3。
作为加锚基体。考虑试件尺寸及加工造成强度降低 等因素的影响，适当调整了加固强度，最终确定的 试件、锚杆、钢带尺寸及布置方式如图 1 所示。试 件制作完成后如图 2 所示，各组试件编号见表 4。 为了方便区分， 不加锚杆与钢带试件简称常规试件。
锚杆 35 mm 上应变片 P
2 试验方案的设计
2.1 加锚试验材料 室内加锚岩石相似模拟试验，合理选择锚杆、 钢带及粘结材料十分重要。目前，较为常用的锚杆 材料有楠竹、铝丝、铜丝等，钢带一般选用薄钢片， 粘结剂则选用化学浆液或水泥砂浆等材料[17]。依据 相似定理[18]，本次试验选取的加锚基体为煤层顶板 岩石，选取锚杆、钢带材料时，要求其力学特性与 工程锚固材料基本保持一致。经对比相关碳钢材料 的力学性能， 决定选取以 45 号钢加工而成的钢丝和 钢片模拟锚杆与钢带，其力学性能参数见表 1。粘
第 35 卷第 12 期 2014 年 12 月
文章编号：1000－7598 (2014) 12－3451－09
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35Baidu NhomakorabeaNo.12 Dec. 2014
加锚岩石抗弯特性试验研究
陈 璐 1, 2, 3，臧传伟 2，于凤海 2，谭云亮 2，赵同彬 2，张志军 3
Table 3
类 型 工程钢带 薄钢片
表 3 钢带几何参数 Geometry parameters of steel strip
厚度/ mm 3～5 0.4～0.6 孔径/ mm 30 3 孔距/ mm 800 80
宽度/ mm 230～280 28
2.3
试件制作 本次试验选取采自长沟峪煤矿煤层顶板细砂岩