常聚才教授：動載作用下全錨錨固體應(yīng)力波傳播及破壞特征| “沖擊地壓與巖石動力學(xué)”專題

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創(chuàng)新點 (1)借助SHPB試驗系統(tǒng)，研究了全錨錨固體試件應(yīng)力波衰減及層裂強度規(guī)律，并基于一維應(yīng)力波理論計算了錨固體的層裂強度，對端錨及全錨錨固體受動載沖擊時的優(yōu)缺點進(jìn)行了比對。隨沖擊氣壓增大，應(yīng)力波衰減速度越快，錨固體試件層裂強度逐漸增加，呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變強化作用，沖擊氣壓由0.4 MPa 提升至0.6 MPa 時，錨固體層裂強度增加了41%。 (2)分析了“錨桿–錨固劑–圍巖”應(yīng)變特征，揭示了錨桿作用機理及錨固體劣化機制。全錨錨固尾部及中部錨固劑應(yīng)力波峰值應(yīng)變略大于圍巖峰值應(yīng)變，在錨固端部凈拉應(yīng)力導(dǎo)致圍巖峰值應(yīng)變驟增。錨桿產(chǎn)生滯后于“錨固劑–圍巖”的拉伸應(yīng)力波，阻止錨固體試件發(fā)生協(xié)同破壞。 (3)提出了“應(yīng)變起跳時間間隔”概念，闡明了錨固體試件劣化機制。隨應(yīng)力波向端部傳遞，“錨桿–錨固劑–圍巖”應(yīng)變起跳時間間隔逐漸增加，錨桿峰值應(yīng)變隨之增加。研究成果為動載下巷道圍巖支護及控制理論提供一定的研究基礎(chǔ)。研究背景 　　RESEARCH BACKGROUND 近年來，隨著煤礦開采進(jìn)入深部，沖擊地壓災(zāi)害事故頻發(fā)。錨固支護系統(tǒng)作為深部巷道圍巖的主要支護方式，在靜載條件下具有較好的支護效果，但在礦井發(fā)生沖擊地壓、強動載沖擊時，巷道圍巖極易產(chǎn)生層裂拉伸破壞，錨固支護體難以維持穩(wěn)定狀態(tài)，造成巷道圍巖錨固系統(tǒng)損壞，嚴(yán)重制約了深部煤炭資源安全高效開采。因此，研究動載沖擊下錨固體的應(yīng)力波傳播規(guī)律，明晰錨桿作用機理及錨固體劣化機制具有十分重要的現(xiàn)實意義。 國內(nèi)外許多學(xué)者采用實驗室試驗及數(shù)值模擬針對動載應(yīng)力波衰減及錨桿支護系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)做了大量的研究。在實驗室試驗方面，程昀、金解放等制備了長徑比L/D≈65的條形砂巖試件，基于SHPB試驗系統(tǒng)研究了不同軸向卸載壓力下砂巖的應(yīng)力波衰減規(guī)律并建立了經(jīng)驗規(guī)律模型，得出隨應(yīng)力卸載及距離變化，砂巖縱波應(yīng)變波峰呈指數(shù)形式變化。吳秋紅等設(shè)計了沖擊套管，對全長錨固方式下錨桿的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出應(yīng)力波的波峰值隨著傳播距離的增加而逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力波傳播至錨桿最里端時，應(yīng)力波峰值衰減較大。寧建國等對不同錨固形式錨固試件的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出了端錨試件破壞前由錨固基體共同承載，破壞后僅由錨桿承擔(dān)外力，全錨試件破壞主要是因錨固界面滑移而失效，而讓壓結(jié)構(gòu)增加了錨桿的剛度與變形能力。李壯等采用分離式霍普金森桿實驗研究了不同預(yù)緊力作用下錨固體試件的動態(tài)響應(yīng)，得出錨桿高預(yù)緊力能夠通過提升錨固體的剛度及強度來強化抗沖能力。WU等對錨固紅砂巖試驗進(jìn)行了巴西劈裂試驗研究，得出動載沖擊過程中錨桿應(yīng)力逐漸增加分擔(dān)拉應(yīng)力載荷，而裂紋擴展時錨桿應(yīng)力急劇下降。邱鵬奇等研究了不同錨固形式下加錨試件的抗沖時效特征，將沖擊載荷作用下的錨固體破壞階段分為“協(xié)同變形階段”、“不協(xié)同變形階段”和“失效階段”。且提高錨固界面的抗滑能力可有效延長錨固巖石抗沖時效，降低沖擊動載對錨固圍巖支護結(jié)構(gòu)的影響。呂祥鋒等基于應(yīng)力波沖擊理論，定義了一種巷道圍巖應(yīng)力損傷判據(jù)，并提出了剛–柔耦合支護的新方法。 在數(shù)值模擬方面，巫緒濤等采用HJC本構(gòu)模型，研究了應(yīng)力波在脆性類巖材料中的衰減規(guī)律及層裂現(xiàn)象，得出上升沿與下降沿不對稱的入射脈沖更容易準(zhǔn)確獲得層裂強度。蔡峰等對高瓦斯煤層中的爆轟應(yīng)力波衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，得出在傳播距離4.8 m內(nèi)，應(yīng)力波峰值迅速衰減，大于4.8 m范圍外應(yīng)力波衰減趨于緩慢。司林坡等采用LS-DYNA分析了端錨錨固體內(nèi)錨桿不同位置的應(yīng)力及變形特征，得出動載沖擊時自由端錨桿應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨固段動載沖擊應(yīng)變，錨固作用可有效約束錨桿變形，吸收沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波。單仁亮等分析了爆破荷載作用下巖體的動力響應(yīng)，得出巖體質(zhì)點的振動速度隨爆心距的衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減公式。張亮亮等基于ALE多物質(zhì)算法研究了抗爆硐室預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力波傳播特征，得出預(yù)應(yīng)力錨索受力主要由反射拉伸波導(dǎo)致，試驗所得應(yīng)力波衰減規(guī)律與數(shù)值模擬規(guī)律基本吻合。 眾多學(xué)者關(guān)于應(yīng)力波的衰減規(guī)律及錨固體的動態(tài)響應(yīng)已經(jīng)取得了許多有益成果。但在錨固體應(yīng)力波傳播規(guī)律及破壞特征等方面還需進(jìn)一步研究。為此，筆者制備了錨固支護體試件，基于霍普金森桿(SHPB)試驗系統(tǒng)研究不同沖擊氣壓下錨固體試件的應(yīng)力波傳播規(guī)律及層裂特征，同時采用數(shù)值模擬還原錨固體受動載沖擊的應(yīng)力波傳播過程，與沖擊試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，揭示動載應(yīng)力波傳遞過程中錨桿作用機理及錨固支護體劣化機制。 摘要摘要 　　ABSTRACT 深井巷道受動載擾動變形嚴(yán)重，明晰動載作用下錨固支護體的應(yīng)力波傳播及破壞特征具有重要意義。基于霍普金森桿(SHPB)試驗系統(tǒng)，研究了不同沖擊氣壓下錨固體試件的應(yīng)力波傳播規(guī)律，基于一維應(yīng)力波理論計算了錨固體的層裂強度；利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件還原了動載沖擊試驗，再現(xiàn)了錨固體試件的應(yīng)力波傳播全過程，分析了錨固體軸向不同位置處的應(yīng)變–時序特征。 研究結(jié)果表明：① 隨沖擊氣壓增大，應(yīng)力波衰減速度越快，空間響應(yīng)幅值及衰減系數(shù)逐漸增大，錨固體試件層裂強度與沖擊氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，0.6 MPa沖擊氣壓下的層裂強度相較于0.4 MPa沖擊氣壓下增加了41%，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變強化效應(yīng)；② 錨固尾部及中部錨固劑的應(yīng)力波峰值應(yīng)變略大于圍巖峰值應(yīng)變，而錨固端部由于凈拉應(yīng)力作用導(dǎo)致圍巖峰值應(yīng)變驟增；③ 錨桿、錨固劑及圍巖3者動力響應(yīng)具有時序性，錨固圍巖與錨固劑率先受到壓縮應(yīng)力波作用，錨桿產(chǎn)生滯后于錨固劑與圍巖的拉伸應(yīng)力波，阻止錨固體試件發(fā)生協(xié)同破壞；④ 錨固尾部錨桿、錨固劑及圍巖應(yīng)變起跳時間間隔為0，隨著應(yīng)力波向錨固中部及端部傳遞，3者應(yīng)變起跳間隔時間逐漸增加，錨桿峰值應(yīng)變隨之增加，錨固端部錨桿破壞最嚴(yán)重，隨沖擊氣壓的增大，3者不協(xié)同作用逐漸加劇，錨固體試件加速劣化。

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常聚才教授：動載作用下全錨錨固體應(yīng)力波傳播及破壞特征| “沖擊地壓與巖石動力學(xué)”專題

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