(安徽理工大學土木建筑學院， 安徽淮南232001)

0 引言

煙氣脫硫石膏(Flue Gas Desulfurization Gypsum)，簡稱FGD石膏，是對含硫燃料(煤、油)燃燒后產(chǎn)生的煙氣進行脫硫凈化處理后得到的工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分是二水硫酸鈣[1-3](CaSO4·2H2O)。由于缺乏必要的技術(shù)保障以及相應(yīng)的行業(yè)標準，大量的脫硫石膏被堆置，這不僅造成了資源的浪費，更是對周圍環(huán)境造成了較大的污染，目前脫硫石膏已經(jīng)成為我國第二大工業(yè)固體廢棄物[4]，如何充分發(fā)掘脫硫石膏的利用價值、緩解脫硫石膏的堆置帶來的環(huán)境壓力已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。

近些年，部分學者對脫硫石膏的利用前景進行了初步探索[5-7]，發(fā)現(xiàn)脫硫石膏強度低、遇水即軟化的缺點是限制脫硫石膏利用價值的主要因素[8]，而將二水脫硫石膏在110～170 ℃下煅燒，脫水生成β型半水石膏，然后與礦物激發(fā)劑(礦渣、水泥等)和化學激發(fā)劑混合攪拌后最終形成的改性脫硫石膏則克服了上述缺點[9-10]，改性后的脫硫石膏為水硬性材料，可以作為膠凝材料實現(xiàn)對低標號水泥的部分替代[11-13]，但鮮有應(yīng)用實例，基于此，擬將改性后的脫硫石膏替代水泥應(yīng)用到巷道噴射混凝土支護中。本文通過模型試驗以及數(shù)值計算對這種新型支護結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律進行研究，并通過現(xiàn)場應(yīng)用和監(jiān)測評價，驗證其實際的使用效果。

1 改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)力學特性

1.1 模型試驗

為了研究改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)的受力特性，設(shè)計了支護結(jié)構(gòu)模型試驗[14]。首先，基于水泥基噴射混凝土井下噴漿料常規(guī)的配合比，考慮改性脫硫石膏與水泥需水量的差異，根據(jù)兩種混凝土坍落度相等原則，最終確定了改性脫硫石膏基混凝土的配合比為(脫硫石膏母料：瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.33)，每次試驗澆注模型時均預留改性脫硫石膏基噴射混凝土試塊，并測得其單軸抗壓強度如表1所列。試驗過程中通過液壓油缸的油壓來模擬支護結(jié)構(gòu)的外載，為確保在試驗中支護結(jié)構(gòu)始終處于平面應(yīng)力狀態(tài)，采用地腳螺栓以及拉桿來約束其豎直方向位移[15]。模型的尺寸和試驗加載裝置布置見圖1和圖2。分別進行均勻加載與非均勻加載兩組試驗，支護結(jié)構(gòu)承載能力與破壞形式見表1。

表1 支護結(jié)構(gòu)承載能力與破壞形式Tab.1 Bearing capacity and failure modes of retaining structures

由表1可見，均勻加載時，腿部最先發(fā)生彎曲并出現(xiàn)受拉破壞，支護結(jié)構(gòu)破壞時拱部承載力的平均值為0.56 MPa，腿部承載力的平均值為0.41 MPa；不均勻加載時，腿部荷載保持為0.16 MPa，拱部承載力的平均值為1.1 MPa時，拱肩部出現(xiàn)壓剪破壞。由此可見，當側(cè)壓較大或者側(cè)壓和頂壓均較大時，直墻半圓拱噴射混凝土巷道的兩幫首先出現(xiàn)受拉破壞；當頂壓較大時，在巷道的拱肩部出現(xiàn)壓剪破壞。

1.2 數(shù)值計算

支護結(jié)構(gòu)中改性脫硫石膏混凝土單元選用Solid 65單元，鋼筋單元選用Link8單元，混凝土材料選用多線性隨動強化模型和Willam-Warnke5破壞準則，鋼筋材料屈服模型選用雙線性各向同性強化模型。材料的物性參數(shù)參見表2所示。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖1 模型試驗平面布置示意圖
Fig.1 Sketch map of model test plane layout

圖2 模型試驗照片
Fig.2 Photograph of model test

表2 計算模型物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of calculation model

(a) 模型整體網(wǎng)格劃分圖

(b) 鋼筋網(wǎng)格劃分圖

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分圖
Fig.3 Mesh diagram of computational model

根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的實際受力情況，在模型腿部底端施加固定約束，在模型外表面施加均勻面荷載，在模型上下兩面施加z方向?qū)ΨQ面約束。按照分級逐次加載方式同時對支護結(jié)構(gòu)的拱部和腿部進行加載，加載方式分為4種工況:工況1為拱部施加荷載,每個計算荷載步增加0.1 MPa，腿部不施加荷載，直至支護結(jié)構(gòu)破壞；工況2為拱部施加荷載,每個計算荷載步增加0.1 MPa，同時，腿部施加荷載增加0.02 MPa，直至支護結(jié)構(gòu)破壞；工況3為拱部施加荷載,每個計算荷載步增加0.1 MPa，同時，腿部施加荷載增加0.05 MPa，直至支護結(jié)構(gòu)破壞；工況4為拱部和腿部同時施加荷載，且每個計算荷載步均增加0.1 MPa，直至支護結(jié)構(gòu)破壞。

在工況1條件下，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)外荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可見，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)模型的腿部不施加荷載，拱部逐級施加荷載，隨著拱部荷載的逐漸增加，支護結(jié)構(gòu)的混凝土以及鋼筋的應(yīng)力呈線性增大趨勢，構(gòu)件整體處于受壓狀態(tài)，且腿部與拱部的應(yīng)力大致相等。當拱部荷載增加至2.5 MPa時，支護結(jié)構(gòu)的混凝土壓應(yīng)力以及鋼筋壓應(yīng)力分別達到 30.7 MPa以及240.4 MPa，兩者都達到對應(yīng)的材料強度極限，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生整體受壓破壞。

(a) 荷載—混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線

(b) 荷載—鋼筋環(huán)向應(yīng)力曲線

圖4 工況1對應(yīng)的荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.4 Relation between load and hoop stress in case 1

在工況2條件下，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)外荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可見，施加在支護結(jié)構(gòu)腿部上的荷載為拱部荷載的1/5，逐漸對支護結(jié)構(gòu)進行加載，在加載過程中，支護結(jié)構(gòu)中混凝土應(yīng)力隨外荷載的增加呈線性變化，混凝土壓應(yīng)力最大值位于其拱部和腿部交界處的外表面，即14和34點處；支護結(jié)構(gòu)內(nèi)緣拱頂部22點混凝土的壓應(yīng)力次之，沿內(nèi)緣由拱頂?shù)酵炔科鋲簯?yīng)力逐漸減小，如17和27點的壓應(yīng)力值>12和32點的壓應(yīng)力值>7和37點的應(yīng)力值，并且7和37點的應(yīng)力為0，表明其處于受拉狀態(tài)；另外，支護結(jié)構(gòu)腿腳部的內(nèi)外側(cè)混凝土應(yīng)力(2和42點、4和44點)與拱肩部內(nèi)緣17和27點的基本相等；當拱部荷載達到1.2 MPa、腿部荷載達到0.24 MPa時，14和34點處的混凝土應(yīng)力最先達到其極限值，緊接著22點混凝土應(yīng)力也達到其極限值；支護結(jié)構(gòu)中鋼筋應(yīng)力隨外荷載的增加也呈線性變化，其拱部和腿部交界處鋼筋的應(yīng)力最大。支護結(jié)構(gòu)由于其腿部混凝土應(yīng)力達到其極限值而發(fā)生壓剪破壞。

(a) 荷載—混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線

(b) 荷載—鋼筋環(huán)向應(yīng)力曲線

圖5 工況2對應(yīng)的荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.5 Relation between load and hoop stress in case 2

在工況3條件下，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)外荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖6所示，由圖6可見，施加在支護結(jié)構(gòu)腿部上的荷載為拱部荷載的1/2，逐漸對支護結(jié)構(gòu)進行加載，在加載過程中，混凝土以及鋼筋的環(huán)向應(yīng)力隨著荷載呈線性增長關(guān)系，且腿部鋼筋以及混凝土的應(yīng)力增長較快，當拱部荷載以及腿部荷載分別增加至0.7 MPa以及0.35 MPa時，首先，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)緣拱頂部22點混凝土的壓應(yīng)力達到最大值，隨后支護結(jié)構(gòu)內(nèi)緣拱肩部17和27點，以及腿部內(nèi)側(cè)2和42點、外側(cè)4和44點的混凝土的壓應(yīng)力達到最大值；支護結(jié)構(gòu)拱部和腿部交界處內(nèi)緣12和32點與7和37點的混凝土應(yīng)力為0，表明其處于受拉狀態(tài)。支護結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力由拱頂向腿部逐步由受拉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，最終支護結(jié)構(gòu)在腿部發(fā)生破壞。

(a) 荷載—混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線

(b) 荷載—鋼筋環(huán)向應(yīng)力曲線

圖6 工況3對應(yīng)的荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.6 Relation between load and hoop stress in case 3

在工況4條件下，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)外荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7所示，由圖7可見，施加在拱部與腿部上的荷載大小相等，逐次分級對支護結(jié)構(gòu)進行加載，在加載過程中，支護結(jié)構(gòu)中混凝土應(yīng)力隨外荷載的增加呈線性變化，混凝土壓應(yīng)力最大值位于其拱部和腿部交界處的外表面，即14和34點處；支護結(jié)構(gòu)內(nèi)緣拱頂部22點混凝土的壓應(yīng)力次之，另外，支護結(jié)構(gòu)腿腳部的內(nèi)外側(cè)混凝土應(yīng)力(2和42點、4和44點)與拱肩部內(nèi)緣17和27點的基本相等；支護結(jié)構(gòu)拱部和腿部交界處內(nèi)緣12和32點與7和37點的混凝土應(yīng)力為0，表明其處于受拉狀態(tài)。支護結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力由拱頂向腿部逐步由受拉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)；當拱部以及腿部的荷載同時達到0.6 MPa時支護結(jié)構(gòu)的腿部發(fā)生破壞。

(a) 荷載—混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線

(b) 荷載—鋼筋環(huán)向應(yīng)力曲線

圖7 工況4對應(yīng)的荷載與環(huán)向應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.7 Relation between load and hoop stress in case 4

圖8 支護結(jié)構(gòu)在不同外荷載作用下的極限承載力關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves of ultimate bearing capacity of retaining structures under different external loads

1.3 數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比分析

由表1可見，兩次均勻加載模型試驗構(gòu)件破壞時，拱部施加荷載平均值為0.56 MPa，腿部施加荷載平均值為0.41 MPa；兩次不均勻加載模型試驗構(gòu)件破壞時，拱部施加荷載平均值為1.1 MPa，腿部施加荷載平均值為0.16 MPa，圖8為試驗和數(shù)值計算得出的支護結(jié)構(gòu)腿部承載力與拱部承載力的關(guān)系曲線，由圖8可見，數(shù)值計算的結(jié)果所反映荷載變化總體分布規(guī)律與模型試驗的結(jié)果具有較高的一致性。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，腿部荷載是決定整個支護結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)鍵因素，隨著腿部荷載的增大支護結(jié)構(gòu)的承載力逐漸降低，且支護結(jié)構(gòu)的破壞形式由整體受壓破壞，逐漸發(fā)展為拱肩部位的壓剪破壞，最終發(fā)展為腿部受拉破壞。

2 工程應(yīng)用

為了驗證改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場支護效果，在丁集煤礦某巷道進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，該巷道所在地層的巖性為中砂巖，選取巷道不同的段位分別進行普通混凝土噴射和改性脫硫石膏基混凝土噴射，在噴射段共布置3個測站，其中1、2號測站所處巷道采用改性脫硫石膏進行支護，3號測站所處巷道采用普通混凝土進行支護，監(jiān)測站的位置如圖9所示，巷道斷面尺寸及測點布置如圖10所示。

圖9 試驗巷道測站位置示意圖
Fig.9 Location of the monitoringstations of the test roadway

圖10 測點布置圖
Fig.10 Layout of the measuring points

為了判斷改性脫硫石膏基噴射混凝土的現(xiàn)場支護效果，對支護結(jié)構(gòu)的混凝土應(yīng)變以及鋼筋的應(yīng)力進行了實時監(jiān)測。在監(jiān)測第100d時，支護結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力及混凝土環(huán)向應(yīng)變?nèi)鐖D11、12所示。

由圖11可知，兩處改性脫硫石膏基噴層監(jiān)測斷面的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力分別為160.1 MPa和58.5 MPa，水泥基噴層監(jiān)測斷面的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力為57.6 MPa，小于鋼筋的屈服強度；兩處改性脫硫石膏基噴層監(jiān)測斷面的環(huán)向鋼筋最大拉應(yīng)力分別為1.5 MPa和7.7 MPa，水泥噴層監(jiān)測面鋼筋最大拉應(yīng)力為4.1 MPa，均小于鋼筋的屈服強度。由圖12可知，兩處改性脫硫石膏基噴層監(jiān)測斷面的的環(huán)向拉應(yīng)變最大值分別為1.2με以及39.7με，而水泥基混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值為143.6με。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，水泥基混凝土支護結(jié)構(gòu)在拱頂位置的拉應(yīng)變較大，而改性脫硫石膏基混凝土噴層的拱肩位置的壓應(yīng)變較大。通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力和抗變形能力，能夠滿足巷道噴層支護的要求。

圖11 環(huán)向鋼筋應(yīng)力在不同位置的分布規(guī)律
Fig.11 Distribution law of steelcircumferential bar stress

圖12 混凝土環(huán)向應(yīng)變在不同位置的分布規(guī)律
Fig.12 Distribution law of concretecircumferential strain

3 結(jié)論

① 模型試驗以及數(shù)值計算的結(jié)果表明，作用于支護結(jié)構(gòu)腿部的荷載對其整體承載力具有決定性的作用，腿部荷載越大，結(jié)構(gòu)的整體承載力越??；在腿部荷載的增加過程中，支護結(jié)構(gòu)的破壞形式由整體受壓破壞，逐漸發(fā)展為拱肩部位的壓剪破壞，最終發(fā)展為腿部受拉破壞。

② 現(xiàn)場支護實施效果表明，改性脫硫石膏基噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力和較好的抗變形能力，能夠滿足巷道噴層支護的要求。