含单一弱面锚固体承载破坏规律及应用

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针对节理岩体施工过程中松动、开裂等现象频出的问题,以层状磷矿白云岩为研究背景,以含裂隙岩体与锚杆形成的锚固体为研究对象,采用现场调研、室内相似模拟试验、数值模拟等方法,依据相似原理,结合含层状节理白云岩力学特征,确定相似模拟试验相似比和最优材料配比,制备含有不同结构面倾角和不同布锚密度等多种条件的锚固体,开展含单一结构面锚固体相似模型单轴压缩实验,分析节理倾角和布锚密度对锚固体强度特性和破坏特征的影响规律,并通过离散元数值模拟试验,验证相似模拟试验结论。在此基础上,以宜昌某磷矿开采巷道为工程实例,研究节理岩体开挖卸荷机理,提出锚杆支护指导参数。主要结论如下:(1)确定相似模拟试验的几何相似比和应力相似比分别为30和47.85,以石膏、石英砂和水泥为主要材料,提出白云岩相似模拟材料的最优配合比,其质量配比为石英砂∶水泥∶石膏=3∶0.5∶0.5。(2)含单一节理方形试件峰值强度和残余强度均明显小于完整试件,且与节理的倾角有关。当节理倾角为60°时,试件峰值强度最小,且试件峰值强度随倾角变化的关系曲线表现为“V”形;由于节理倾角发生变化时,节理表面承受的剪切应力和滑移变形有所差异,主要表现为张拉破坏、剪切破坏及拉剪复合破坏。当模型内锚杆数量为3根时试件单轴压缩强度最大,且当节理倾角为60°时,锚杆对试件加固效果最佳。(3)在3DEC离散单元数值模型中,其应变软化本构关系和库伦滑移的节理本构关系能较好地反映岩石软化现象和节理破坏力学行为;巷道开挖引起回弹卸载或拉应力,使节理面向临空面松弛张开,帮部变形弱于顶板;同时,采用方案三的支护方式,即顶板锚杆间距×排距=1.5m×1.5m、两帮锚杆间排距=1m×1.5m的支护参数能有效抑制岩体沿节理顺层错动,避免或减小发生较大的层间松动和滑移,防止围岩因层间变形过大引起整体破坏,为工程实践提供支撑。
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