纖維混凝土?U型鋼支架巷道組合支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

蘇 毅，李 婷，周明敏，黃東升，周愛(ài)萍

纖維混凝土?U型鋼支架巷道組合支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

蘇 毅，李 婷，周明敏，黃東升，周愛(ài)萍

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

以岱河某煤礦巷道為背景，提出利用聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土變形能力，與U型鋼支架結(jié)合，并對(duì)一種新的巷道組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行纖維混凝土的性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，選出了優(yōu)化的配合比。將試驗(yàn)得到的關(guān)鍵參數(shù)輸入有限元模型，對(duì)用于巷道支護(hù)的U型鋼支架進(jìn)行了有無(wú)纖維混凝土約束的工況下對(duì)比分析。結(jié)果表明，相比于單獨(dú)設(shè)置的U型鋼支架，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力約提高3.1倍。此外，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限荷載約為承載力的1.4倍，表明纖維混凝土的高變形能力明顯提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，巷道圍巖來(lái)壓后組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化與數(shù)值分析結(jié)果一致,60 d后應(yīng)變變化減緩，結(jié)構(gòu)重新達(dá)到平衡。分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明這種組合支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠，支護(hù)效果顯著。

纖維混凝土;U型支架;力學(xué)性能;巷道支護(hù);巷道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

0 引 言

隨礦井深度不斷加大，軟巖巷道支護(hù)方式越發(fā)受到重視，研究高效而經(jīng)濟(jì)的軟巖巷道支護(hù)方法，是目前礦井生產(chǎn)急需解決的問(wèn)題[1-5]。因機(jī)具和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前應(yīng)用最廣泛的錨噴支護(hù)與錨網(wǎng)噴支護(hù)在地質(zhì)條件惡劣的軟巖巷道中使用受限[3-5]。

U型鋼可縮性金屬支架在軟巖巷道中能夠有效控制并適應(yīng)圍巖變形[6-8]。但由于金屬支架剛度小，圍巖來(lái)壓時(shí)金屬支架易失穩(wěn)。所以，金屬支架的收縮率通常不足以使其在軟巖巷道中得到有效應(yīng) 用[10]。連接件的強(qiáng)度較低、連接方式不科學(xué)、支架與圍巖相互作用差等導(dǎo)致U型鋼支架結(jié)構(gòu)失 穩(wěn)[11-12]。目前改善U型鋼支架受力情況主要通過(guò)填充混凝土和結(jié)構(gòu)補(bǔ)償二種措施[13-16]。采用U型支架?錨索補(bǔ)償性支護(hù)在工程實(shí)踐中取得了顯著效果，但填充普通混凝土后整體支架穩(wěn)定性仍然較差[13]。采用纖維混凝土噴射施工配合錨桿和錨索組成的聯(lián)合支護(hù)體系在高應(yīng)力、大變形、流變軟巖錨桿支護(hù)存在著難度大且變形得不到有效控制的問(wèn)題。此時(shí)使用纖維混凝土效果不顯著，多種耦合支護(hù)施工較為困難：高應(yīng)力破碎軟巖巷道中，隨掘隨冒，錨網(wǎng)支護(hù)無(wú)法實(shí)施[17-19]。

將支架和纖維混凝土組合到一起，纖維混凝土的約束作用可防止U型鋼支架因過(guò)早失穩(wěn)而喪失承載能力，從而使U型鋼支架得以充分利用。通過(guò)噴射施工，纖維混凝土包裹了預(yù)先安裝的U型鋼支架，可形成組合受力結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)圍巖壓力。此外，纖維增強(qiáng)的混凝土具有良好的變形性能，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在彈塑性受力階段，可生成具有良好轉(zhuǎn)動(dòng)能力的塑性鉸，從而充分進(jìn)行內(nèi)力重分布，使其它受力部位承受更大的圍巖壓力。

本文以岱河煤礦某采區(qū)運(yùn)輸石門巷道為背景，通過(guò)噴射纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化選擇更優(yōu)的纖維含量及配合比。將試驗(yàn)得到的混凝土關(guān)鍵參數(shù)作為數(shù)值模擬的重要參數(shù)，建立新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析其受力情況并指導(dǎo)實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置方案。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，并監(jiān)測(cè)巷道修護(hù)效果。

1 巷道概況

岱河煤礦某采區(qū)運(yùn)輸石門巷道長(zhǎng)約85 m，底標(biāo)高為?435 m。該巷道為高應(yīng)力軟巖巷道，項(xiàng)目初期是由錨桿和錨網(wǎng)噴支撐，后期出現(xiàn)頂板的錨桿失效、支護(hù)混凝土脫落以及兩幫片幫塌陷的現(xiàn)象，如圖1所示。采用原支護(hù)方式無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。巷道前期因軟巖巷道來(lái)壓受損，已臨時(shí)采用U型鋼支架進(jìn)行加固，擬通過(guò)噴射施工，快速形成新型組合巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴射纖維混凝土層是在修整巷道斷面并架設(shè)U型鋼支架后5個(gè)月進(jìn)行的。此時(shí)部分U型鋼支架已讓壓完成，噴射混凝土施工前拆除了變形較大的鋼支架，并替換為新的U型鋼支架。

圖1 巷道變形及破壞示意圖

2 噴射纖維混凝土性能試驗(yàn)

聚丙烯纖維的高強(qiáng)度、高彈性以及較強(qiáng)的變形能力使其在加入普通混凝土之后，不但提高了混凝土的強(qiáng)度，而且使得混凝土在延性上出現(xiàn)較大程度的提升。且在混凝土開(kāi)裂后，細(xì)密的聚丙烯纖維連接于裂縫兩側(cè)的混凝土上，限制裂縫發(fā)展，并在變形發(fā)展后裂縫兩側(cè)形成混凝土界面咬合，使混凝土在較大變形下仍能承受較大荷載。

本工程采用的聚丙烯纖維長(zhǎng)19±1 mm，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.1 試驗(yàn)方法

為比較聚丙烯纖維摻合量對(duì)噴射纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量的影響，進(jìn)行5組力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)。各組噴射纖維混凝土的聚丙烯纖維含量分別為0，00.9，1.0，1.2和1.4 kg/m3，試件具體配合比見(jiàn)表2。選取碳酸鹽做噴射纖維混凝土的速凝劑，初凝時(shí)間為3 min，終凝時(shí)間為9 min。

表1 聚丙烯纖維的物理性能指標(biāo)

表2 噴射纖維混凝土試塊配合比

為了使室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況相近，先制作尺寸為450 mm×450 mm×300 mm的纖維混凝土試件，養(yǎng)護(hù)28 d后鉆孔取芯?？箟涸囼?yàn)采用尺寸為Φ100×100 mm的試件，劈裂抗拉試驗(yàn)以及彈性模量試驗(yàn)采用尺寸為Φ100×50 mm的試件。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5組噴射纖維混凝土的力學(xué)性能參數(shù)如表3 所示。

表3 噴射纖維混凝土的力學(xué)性能參數(shù)

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

噴射纖維混凝土中聚丙烯纖維含量在0~0.9 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度基本不變；當(dāng)纖維含量為0.9~1.4 kg/m3時(shí)，纖維含量越高，噴射纖維混凝土能夠承受的壓應(yīng)力越低。且素混凝土的抗壓強(qiáng)度是噴射纖維含量為1.4 kg/m3的纖維混凝土的1.1倍。

這主要是由纖維的界面效應(yīng)造成的。纖維的疏水性使其與基材界面的水灰比變大，故與素混凝土相比其抗壓強(qiáng)度降低。但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，由于混凝土中的纖維起到了連接裂縫、限制裂縫發(fā)展的作用，試件在達(dá)到抗壓強(qiáng)度后，表面出現(xiàn)眾多裂紋但混凝土不剝落。試驗(yàn)結(jié)果顯示，其承載力緩慢降低，表明纖維增強(qiáng)了混凝土的延性性能。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

從表3纖維含量與混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可以看出，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維含量的增加有所提高。纖維含量為1.2 kg/m3時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為3.38 MPa，是素混凝土的1.16倍。此外，試驗(yàn)加載至表面出現(xiàn)裂紋時(shí)，立刻卸載，出現(xiàn)裂紋寬度變小的現(xiàn)象，表明纖維對(duì)混凝土延性具有增強(qiáng)作用。

2.2.3 靜態(tài)彈性模量

從表3纖維含量與混凝土彈性模量的數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)采用的噴射纖維混凝土的彈性模量最小為26300 MPa，最大為26900 MPa，即纖維含量影響很小。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，本工程選用聚丙烯纖維摻合量1.2 kg/m3的噴射纖維混凝土，其配比為：水 泥:水:石子:砂:速凝劑=1:0.45:1.2:1.2:1.2:0.03。

3 U型鋼支架承載能力分析

U型鋼支架選用20 Mnk，根據(jù)金屬支架幾何尺寸、選用鋼材的物理參數(shù)及工程實(shí)際荷載情況建立有限元模型。U型鋼支架由2段側(cè)直柱腿以及拱形頂部組成，每段之間使用鋼卡搭接，各段尺寸見(jiàn)圖2。新修巷道石門斷面尺寸見(jiàn)圖3。

圖2 U型金屬支架尺寸

3.1 有限元模型建立

實(shí)際支護(hù)工程中，U型鋼支架在圍巖壓力作用下主要發(fā)生屈曲破壞[20-21]。建模時(shí)采用如下假定：

圖3巷道斷面尺寸

（1）不考慮摩擦力；

（2）假定支架底部為固支；

（3）不考慮支架平面外失穩(wěn)；

（4）假定所受力垂直于結(jié)構(gòu)；

（5）假定所受力均勻分布。

半圓拱形支架模型的邊界條件為在拱鉸處施加全約束，采用C3D8R單元。在結(jié)構(gòu)外側(cè)施加垂直于U型支架的單位線荷載，進(jìn)行非線性特征值屈服分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圍巖壓力下，U型鋼支架由于彎曲破壞而失穩(wěn)，支架失穩(wěn)破壞時(shí)的變形情況見(jiàn)圖4。U型鋼支架破壞點(diǎn)出現(xiàn)在柱腿的上部1.45 m處。圖5是U型鋼支架局部應(yīng)力云圖。由圖5可知，U型鋼支架拱頂處應(yīng)力較小，未出現(xiàn)屈服。支架底部支座及柱腿上部均發(fā)生屈服。但U型鋼支架柱腿的上面部分，也就是變形最大的點(diǎn)，鋼材出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，即薄弱截面。U型鋼支架因此處薄弱截面而失穩(wěn)破壞。

薄弱截面位移?荷載關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。從有限元分析結(jié)果可知，受力為88 kN/m時(shí)，支架變形最大為82.8 mm，后曲線逐漸平緩。表明U型鋼支架在荷載為88 kN/m時(shí)發(fā)生屈服。

圖4 U型支架變形云圖

圖5 U型支架局部應(yīng)力云圖

圖6 最大變形處位移與荷載關(guān)系

4 鋼支架—纖維混凝土組合支護(hù)承載能力分析

為保證混凝土在巷道發(fā)生大變形后依然發(fā)揮作用，巷道布置U型鋼支架間距為800 mm，在U型鋼支架周圍噴射224 mm厚的纖維混凝土層，使U型鋼和纖維混凝土共同參加工作，取800 mm寬為計(jì)算單元寬度，組合結(jié)構(gòu)截面形式見(jiàn)圖7。U型鋼支架與纖維混凝土的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4，這些力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)得出。錨桿采用螺紋鋼筋，半徑18 mm，長(zhǎng)2 000 mm，間距800 mm×800 mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)分析不考慮錨桿的加強(qiáng)作用。

圖7 U型金屬-纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)截面示意

表4 Abaqus模型中鋼骨混凝土參數(shù)

4.1 有限元模型建立

建模時(shí)，混凝土采用C3D8R單元，U型鋼支架采用C4R單元。建模時(shí)采用如下假定：

（1）假定U型鋼支架與纖維混凝土之間緊密連接，無(wú)相對(duì)滑移；

（2）組合結(jié)構(gòu)底部為固支；

（3）不考慮支架平面外失穩(wěn)；

（4）假定所受力垂直于結(jié)構(gòu)；

（5）假定所受力均勻分布。

考慮到計(jì)算方便，本文取給定巷道斷面的1/2進(jìn)行實(shí)體建模。垂直于支架的單位面荷載為1 MPa。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖8是U型鋼?纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)模型變形云圖。當(dāng)圍巖荷載增至0.46 MPa時(shí)，組合結(jié)構(gòu)金屬支架支座處及墻腿上部發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。此時(shí)兩幫直墻腿上部位移較大，最大達(dá)到13.9 mm。

在均勻圍壓作用下，組合結(jié)構(gòu)的拱形頂部將外部施加的壓力分散開(kāi)來(lái)。而墻腿處的抗彎強(qiáng)度決定了組合結(jié)構(gòu)在受力情況下能否保持穩(wěn)定，所以墻腿處受力最大。當(dāng)圍壓達(dá)到0.64 MPa時(shí)，拱頂噴射纖維混凝土應(yīng)力為24.9 MPa，墻腿距底部支座1.508 m處，噴射纖維混凝土應(yīng)力值為37.2 MPa，約為拱頂處噴射纖維混凝土壓應(yīng)力的1.4倍。噴射纖維混凝土的應(yīng)力云圖如圖9所示。此時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的2個(gè)底部支座和拱頂均已形成塑性鉸，可認(rèn)為0.64 MPa為極限荷載。

圖8支架模型變形云圖

分別提取噴射纖維混凝土最大應(yīng)力點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和U型鋼最大應(yīng)力點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的荷載?應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到噴射纖維混凝土與U型鋼的應(yīng)力荷載關(guān)系如圖10所示。

試驗(yàn)加載初期，噴射纖維混凝土與U型鋼的應(yīng)力應(yīng)變都為線性關(guān)系，屬于彈性狀態(tài)。加載至0.18 MPa時(shí)，噴射纖維混凝土進(jìn)入塑性狀態(tài)，繼續(xù)加載，噴射纖維混凝土的塑性應(yīng)變?cè)鏊偌涌?。圍壓?.46 MPa時(shí)，U型鋼支架支座處應(yīng)力達(dá)480 MPa，此時(shí)U型鋼支架進(jìn)入屈服。繼續(xù)加載，U型鋼支架的應(yīng)力不變。且此時(shí)，噴射纖維混凝土的壓應(yīng)力是37.2 MPa，與混凝土的抗壓強(qiáng)度相等。即當(dāng)組合支架承受0.46 MPa圍壓時(shí)，墻腿上部分的混凝土發(fā)生破壞，同一點(diǎn)的金屬支架亦屈服，故此時(shí)為承載能力極限狀態(tài)。將模型的極限荷載轉(zhuǎn)換為作用在U型支架上的線荷載，故支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力為368 kN/m。

圖10 模型墻腿根部的應(yīng)力?荷載曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證U型鋼支架?纖維混凝土組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟巖巷道應(yīng)用中的可行性，實(shí)施了為期1 a的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，選取受力較大的拱頂和墻腿處作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，圖11是具體的測(cè)點(diǎn)布置情況。

巷道應(yīng)變變化如圖12所示，第28 d，因巷道圍巖來(lái)壓，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變出現(xiàn)突變，占總應(yīng)變的3/5。拱頂處測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)變變化小于墻腿處測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)變變化，也就是說(shuō)，最大位移發(fā)生在支架墻腿處，實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果一致。測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化均未超過(guò)150 με，且在60 d之后應(yīng)變變化逐漸減緩，說(shuō)明了在圍巖來(lái)壓后，通過(guò)內(nèi)力重分布，U型鋼支架?纖維混凝土巷道組合支護(hù)結(jié)構(gòu)再次處于穩(wěn)定狀態(tài)。

修護(hù)1 a之后，巷道基本完好，各測(cè)點(diǎn)無(wú)開(kāi)裂，無(wú)脫落?？梢?jiàn)，采用噴射纖維混凝土與U型鋼支架組合形成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果顯著，不僅噴射纖維混凝土無(wú)破裂情況發(fā)生，而且組合結(jié)構(gòu)較高的抗壓強(qiáng)度使得巷道斷面的變形情況得以控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置

圖12 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?時(shí)間曲線

6 結(jié) 論

（1）纖維增強(qiáng)了混凝土的變形能力，塑性鉸的充分發(fā)展引起內(nèi)力重分布不斷發(fā)生，提高了巷道組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在塑性下的延性性能。經(jīng)計(jì)算分析可知，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在纖維混凝土卓越的塑性變形下能夠受荷0.46 MPa，而極限荷載達(dá)0.64 MPa，使結(jié)構(gòu)留有較大的安全度。

（2）噴射纖維混凝土在支架中能夠承受部分圍巖荷載，減小支架的最大位移，防止U型鋼支架由于失穩(wěn)發(fā)生破壞。

（3）在均勻圍壓下，混凝土在墻腿的上部分達(dá)到最大變形，U型支架同樣如此，因此墻腿的上部分在組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中屬于薄弱區(qū)。

（4）當(dāng)組合支護(hù)結(jié)構(gòu)墻腿中部?jī)?nèi)側(cè)混凝土應(yīng)力為0.46 MPa時(shí)，U型鋼支架剛好屈服，該狀態(tài)可定義為承載能力極限狀態(tài)，由于噴射纖維混凝土的延性，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)仍然可以作為支撐結(jié)構(gòu)使用，直到拱頂屈服，此時(shí)結(jié)構(gòu)極限荷載為0.64 MPa。

（5）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，60 d以后組合支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化減緩，表明通過(guò)內(nèi)力重分布后，結(jié)構(gòu)重新達(dá)到平衡?？梢?jiàn)，該支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠，不僅噴射纖維混凝土完好無(wú)破裂，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的抗壓能力，控制了巷道斷面的變形范圍。

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(2019-03-31)

蘇 毅(1977—)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，副教授，博士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗震與減振，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)方向研究，Email: suyi@njfu.edu.cn。