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层状岩体锚固结构承载特性及失稳机理研究

潘兵  
【摘要】:对于巷道顶板层状岩体,由于受结构面的影响,其力学特性和破坏模式明显不同于完整岩体结构,极易发生沿层理面的滑移错动和离层,导致冒顶失稳。而锚杆支护作为巷道围岩稳定控制的重要手段,其锚固效果是显著的,但对于其加固作用机理至今没有一个统一的认识,尤其是锚杆对层状岩体加固作用机理更是少有研究。因此,本文以煤巷顶板层状岩体为研究对象,综合采用室内物理模型试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,对不同结构面力学特性、几何特征以及不同支护条件下层状岩体锚固特性进行研究,并对不同受力状态下层状岩体锚固结构失稳判据进行了探讨。主要研究成果如下:(1)基于物理模型试验,得到了结构面力学特性、几何特征及锚固方式对层状加锚岩体承载特性影响规律。岩层越厚、层间粘结力越高,加锚岩体1次峰值强度、弹性模量和割线模量均越高,同时峰后应变软化特性也越明显;加锚岩体峰后二次承载能力受岩层厚度和层间粘结力影响较小,主要由支护参数决定,支护密度越高、锚固段越长,加锚岩体2次峰值强度也越高。(2)岩体压缩过程中,锚杆轴力变化曲线可以分为:缓慢增长阶段、快速增长阶段、强化阶段、稳定阶段和失效阶段。1次峰值点锚杆轴力大小和增速表明,岩层越厚、层间粘结力越高,峰值前锚杆作用效果越不明显,而增加锚固段长度可以提高峰值前锚杆作用效果,限制裂隙的扩展和贯通,从而提高岩体峰后塑性特征。(3)数值分析结果表明不同支护条件下层状岩体破坏模式存在显著差异,主要包括:压屈破坏、混合破坏和整体剪切破坏。高密度和高预紧力条件下,锚杆支护可以有效抑制层理面的滑移错动,将各层岩体加固为一个整体,从而使层状岩体由压屈破坏转变为剪切破坏,而剪切破坏是一种有利的破坏形式。(4)锚固应力场改变了岩体的受力特征,是形成锚固结构,改变其承载特性的根本原因。对锚固应力场演化特征分析表明:锚杆密度越高,锚固应力场越大且分布均匀,从而将各层岩体加固为整体,有效抑制了岩体向临空面的压屈变形,进而提高其承载能力;通过施加预紧力可以显著提高峰值前锚固应力场大小,而峰后阶段锚固应力场大小受预紧力影响较小,因此预紧力对岩体峰前承载特性影响程度高于峰后阶段。(5)基于突变理论,对不同受力状态下层状岩体锚固结构失稳机理进行研究,分别给出了单层岩体压屈失稳、锚固结构剪切失稳以及锚固梁拱结构弯曲失稳的临界条件,并对各种失稳状态下锚杆加固作用机理进行了分析。


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