地下工程围岩强度-能量支护设计方法与流程

地下工程围岩强度
‑
能量支护设计方法
技术领域
1.本公开涉及地下工程安全技术领域，具体涉及地下工程围岩强度
‑
能量支护设计方法。


背景技术：

2.地下工程面临大量高应力、极软岩等复杂条件，导致围岩应力集中、能量积聚，易发生围岩大变形，造成的动力冲击灾害事故日益增多，并且易诱发其他重大事故。采用高强、高延伸率、高预紧力的支护形式，是控制围岩大变形的有效方式。
3.传统地下工程支护方法中主要存在以下不足：传统支护体系的设计多从围岩强度考虑，依据支护结构的力学参数进行支护设计；而在地下工程围岩内部会积聚弹性应变能，受到扰动后会产生动力冲击；且传统支护体系存在强度低、延伸率不足等问题，易导致支护构件破断，进而导致支护体系整体失效。


技术实现要素：

4.本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种地下工程围岩强度
‑
能量支护设计方法，通过支护范围内积聚的弹性应变能，结合恒阻吸能锚固材料的力学性能参数与吸能性能参数，综合考量围岩强度和围岩内部弹性应变能，实现强度支护设计和能量支护设计，抵抗能量冲击，保证地下工程岩体的稳定性。
5.为了实现上述目的，采用以下技术方案：
6.地下工程围岩强度
‑
能量支护设计方法，包括以下步骤：
7.建立地下工程数值计算模型，结合围岩取样荷载试验，得到支护范围内围岩强度和弹性应变能；
8.基于恒阻吸能锚固材料的试验测试，获取恒阻吸能锚固材料的力学性能参数和吸能性能参数；
9.综合围岩强度和锚固材料力学性能参数、弹性应变能和锚固材料吸能性能参数，基于围岩强度平衡和能量平衡，获取所需锚固材料的支护参数，并依此进行围岩支护。
10.进一步地，围岩弹性应变能为支护范围内围岩积聚的总弹性应变能，围岩强度为支护范围内围岩自重和破坏时需要的荷载。
11.进一步地，依据恒阻吸能锚固材料的静力拉伸试验、动力冲击试验得到恒阻吸能锚固材料的力学性能参数和吸能性能参数。
12.进一步地，根据静力拉伸试验，得到锚固材料荷载
‑
伸长率曲线，并计算锚固材料施加预紧力后可吸收的最大能量。
13.进一步地，根据动力冲击试验数据，控制单次冲击能量，得到锚固材料单次冲击力/位移
‑
冲击次数曲线，计算得到锚固材料能吸收的总动力冲击能。
14.进一步地，锚固材料的支护参数包括锚固数量、锚固参数、布置参数，结合工程条件形成强度
‑
能量支护方法。
15.进一步地，还包括，在支护参数确定后，基于吸能防冲判据对锚固材料进行吸能防冲安全性检验。
16.进一步地，对于检验确定出的最优支护基础参数进行锚固材料的间排距方案设计，确定恒阻吸能锚固材料施打位置。
17.进一步地，依据强度
‑
能量支护设计方法进行现场施工完成后，开展支护受力、变形，围岩变形、能量等参数的长期现场监测。
18.进一步地，基于现场监测结果，对所建立的地下工程围岩支护参数设计进行反馈优化。
19.与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
20.(1)基于围岩
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支护体系的能量平衡理论，考虑地下工程岩体积聚的弹性应变能，得到已知支护范围内围岩的弹性应变能大小与支护材料的力学与吸能性能参数，并据此选择锚固材料支护参数，有效避免能量冲击的发生；结合基于围岩强度的支护方案，共同保证了地下工程岩体的稳定性。
21.(2)通过在支护体系中支护部件采用性能耦合的高预应力吸能支护材料，达到有效吸收围岩的弹性应变能与动力冲击能量，控制围岩缓慢大变形与瞬时大变形的目的，保证了地下工程岩体的稳定性。
附图说明
22.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
23.图1为本公开实施例1中支护设计方法的流程示意图；
24.图2为本公开实施例1中锚固材料的荷载
‑
伸长率曲线示意图。
具体实施方式
25.本公开的一个典型实施例中，如图1
‑
图2所示，给出一种地下工程围岩强度
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能量支护设计方法。
26.实施例1
27.正如背景技术所介绍的，传统支护体系中各支护部件性能不耦合，易导致支护逐个失效进而导致地下工程岩体整体失稳，提出了地下工程围岩强度
‑
能量支护设计方法。
28.提供地下围岩强度
‑
能量支护设计方法、地下工程围岩支护强度
‑
能量支护法综合设计判据：
29.w≤l
r
(n
s
w
s
+n
d
w
d
)
30.其中，w为支护设计范围内的围岩弹性应变能，单位：j；n
s
和n
d
分别为静力和动力条件下单位硐室走向长度所需吸能锚固材料的数量，单位：根；l
r
为支护范围内的硐室走向长度，单位：m；w
s
和w
d
分别为每根锚固材料的最大能量吸收量，单位：j。
31.在本实施例中，所采用的锚固材料包括恒阻吸能锚杆和恒阻吸能锚索。普通锚杆受力过程中，会经过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。在经过强化阶段达到最大力后会发生颈缩破断，普通锚索在经过弹性阶段后达到最大力突然破断。传统锚杆(索)安全储备和强度利用率低。
32.而本实施例中，基于钢材微观晶体共格结构的研究，研发了新型npr材料，利用该新型材料研制了恒阻吸能锚杆(索)，具有高强、高延伸率、高吸能特性。与普通材料不同的是，新材料荷载
‑
变形曲线分为弹性阶段和塑性阶段，接近理想弹塑性，可保证在具有安全储备的同时，提高材料屈服荷载的利用率，可施加高预紧力，可由传统杆体材料屈服荷载的30～50％提高至50～80％。
33.地下工程围岩强度
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能量支护设计方法，包括以下步骤：
34.建立地下工程数值计算模型，结合围岩取样荷载试验，得到支护范围内围岩强度和围岩弹性应变能；
35.基于恒阻吸能锚固材料的试验测试，获取恒阻吸能锚固材料的力学和吸能性能参数；
36.综合围岩强度和锚固材料力学性能参数、弹性应变能和锚固材料吸能性能参数，基于围岩强度平衡和能量平衡，获取所需锚固材料的支护参数，并依此进行围岩支护。
37.其中，恒阻吸能锚固材料包括恒阻吸能锚杆和恒阻吸能锚索。
38.具体的，围岩弹性应变能为支护范围内围岩积聚的总弹性应变能，围岩强度为支护范围内围岩自重和破坏时需要的荷载。
39.其中，地下工程围岩弹性应变能通过现场微震能量监测或数值模拟得到；围岩强度通过对支护范围内的围岩取样并进行单轴压缩试验和/或三轴压缩试验得到。
40.所述恒阻吸能锚固材料为高预应力吸能支护材料，其力学性能参数和吸能性能参数通过试验测取。
41.进行恒阻吸能锚杆(索)的静力拉伸、落锤冲击和霍普金森压杆冲击拉伸室内试验测试，分别得到在静力条件下以及低应变率、高应变率动力条件下，锚杆(索)的延伸率、屈服强度、破断强度、单位长度吸收能量等性能参数。
42.锚固材料根据恒阻吸能锚杆(索)静力拉伸试验，得到锚杆(索)荷载
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伸长率曲线，如图2所示；根据恒阻吸能锚杆(索)冲击试验，控制单次冲击能量，得到锚杆(索)单次冲击力/位移
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冲击次数曲线。
43.根据恒阻吸能锚杆(索)静力拉伸试验数据，计算锚杆(索)可施加的预紧力，公式为：
44.0.5f
y
≤f
p
≤0.8f
y
45.计算锚杆(索)施加预紧力后可吸收的最大能量，即图2中f
p
点之后曲线与坐标轴围成的面积，公式为：
46.w
s
＝(f
p
+f
y
)
×
(d
y
‑
d
p
)/2+f
y
×
(d
max
‑
d
y
)
47.其中，w
s
为锚杆(索)施加预应力后吸收的围岩能量，j；f
y
为锚杆(索)的屈服荷载，kn；f
p
为锚杆(索)的预紧力，kn；f
max
为锚杆(索)塑性阶段的最大荷载，kn；d
p
为施加预应力后锚杆(索)的延伸量，m；d
y
为锚杆(索)达到屈服时的延伸量，m；d
max
为锚杆(索)的最大延伸量，m。根据恒阻吸能锚杆(索)动力冲击试验数据，计算得到锚杆(索)能吸收的总动力冲击能。
48.基于上述试验得到的支护范围内地下工程围岩体的弹性应变能与材料的性能指标，结合围岩能量与恒阻吸能锚杆(索)吸能性能参数、围岩强度与恒阻吸能锚杆(索)力学性能参数，根据具体工程要求，得到最终支护参数并进行施工。
49.恒阻吸能锚杆(索)的数量计算公式为：
50.n＝k[(w
r
‑
w’)/w
s
]*m
[0051]
k为安全系数；m为支护吸收围岩能量系数；w
r
为围岩支护范围内的围岩弹性应变能，支护范围与锚杆(索)长度一致，j；w’为其他支护构件吸收的围岩能量之和，取值为其他各构件静力拉伸试验曲线与坐标轴围成的面积之和，j。
[0052]
对于安全系数k，其确定需结合工程地质条件，条件越恶劣，如围岩强度低、薄基岩、风化层等，则对应的将安全系数取值增大。相对于传统计算方式，通过增加安全系数，进一步保证了围岩支护的安全可靠性。
[0053]
依据恒阻吸能锚杆(索)的数量计算公式，得到恒阻吸能锚杆(索)具体的参数设计，包括锚固参数、布置参数等。
[0054]
其中，锚杆布置方式和锚固参数不是本实施例中的恒阻吸能锚杆(索)特有的，交通隧道或煤矿巷道中的锚杆布置方式需要通过一定的计算方式得到所需锚杆数量，结合断面尺寸和现场施工需要来确定。根据需求对其在围岩上的布置方式和锚固参数进行适应性调整即可，结合具体工程条件形成现场强度
‑
能量支护设计方案。
[0055]
进一步地，利用吸能防冲判断依据对锚杆(索)进行吸能防冲安全性检验，吸能防冲判据为：
[0056]
w
i
＜n
s
*w
u
*l
[0057]
w
i
为围岩瞬时大变形释放的能量，j；w
u
为动力冲击作用下锚杆(索)单位长度吸收的围岩能量，j；l为锚杆(索)设计长度，m。
[0058]
对于检验确定出的最优支护基础参数进行锚杆(索)的间排距方案设计，确定吸能支护件施打位置。
[0059]
依据强度
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能量支护设计方案进行现场施工完成后，开展支护受力、变形，围岩变形、能量等参数的长期现场监测，对所建立的地下工程围岩数值计算分析模型及支护参数设计进行反馈优化。
[0060]
通过在支护体系中支护部件采用性能耦合的高预应力吸能支护材料，达到有效吸收围岩的弹性应变能与动力冲击能量，控制围岩缓慢大变形与瞬时大变形的目的，保证了地下工程岩体的稳定性。
[0061]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。