邱鵬奇，寧建國(guó)，王 俊，楊 尚，胡善超，譚云亮,3，韋 欣，閆順尚

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590；4.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

時(shí)效是指作用物體在一定時(shí)期內(nèi)能夠產(chǎn)生的效用，該效用可使作用物體在特定時(shí)期內(nèi)保持一定屬性而不受外界環(huán)境的干擾。錨桿支護(hù)是維護(hù)煤礦巷道及硐室圍巖穩(wěn)定常用的方法之一。深部巷道錨固圍巖在高應(yīng)力、強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下易發(fā)生變形失穩(wěn)，其失穩(wěn)破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是錨桿錨固效用喪失，錨固巖體從連續(xù)到非連續(xù)，從彈塑性小變形到結(jié)構(gòu)性大變形的過(guò)程[1]。盡管該過(guò)程中動(dòng)載應(yīng)力波作用于錨固圍巖的時(shí)間極短，但在一定時(shí)間內(nèi)錨固圍巖仍然發(fā)揮了抵抗動(dòng)載沖擊的效用[2]，本文稱之為抗沖時(shí)效(英文簡(jiǎn)稱：EPRD)。深入研究沖擊動(dòng)載作用下錨固圍巖的時(shí)效作用對(duì)于更好的理解和控制受動(dòng)載影響的深部巷道圍巖穩(wěn)定以及保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

為了探究沖擊動(dòng)載條件下錨固圍巖的動(dòng)力響應(yīng)及錨固控制機(jī)理，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬或室內(nèi)試驗(yàn)等手段開(kāi)展了大量研究[3-15]。楊自友等[16]通過(guò)測(cè)定動(dòng)載下硐室拱頂變形、加速度波形曲線及其峰值，比較了不同錨固參數(shù)硐室拱頂變形、加速度及其最終破壞形態(tài)特征的差異性；吳秋紅等[17]基于SHPB進(jìn)行了錨固紅砂巖的動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)，研究了錨固紅砂巖試件的強(qiáng)度和破壞模式，以及在拉伸載荷下的錨桿性能，并探討了全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿在動(dòng)載擾動(dòng)下的力學(xué)響應(yīng)特性，獲得了動(dòng)載荷作用下錨固巖體破壞與錨固界面破壞之間的關(guān)系[18]；寧建國(guó)等[19]認(rèn)為深部大斷面硐室錨固承載結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞是由于動(dòng)載作用下硐室圍巖、錨固劑和錨桿3者之間不協(xié)同變形造成的剪切滑移及錨固體受動(dòng)載壓縮變形導(dǎo)致的；吳擁政等[20]以實(shí)際發(fā)生沖擊失穩(wěn)的巷道為例，分析了沖擊載荷作用下錨固圍巖動(dòng)載響應(yīng)特征，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了沖擊載荷作用后圍巖損傷及錨固界面損傷，對(duì)比分析了沖擊載荷前后錨桿力學(xué)性能；焦建康等[21]以義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道為工程背景，分析了動(dòng)載擾動(dòng)作用下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)特征及沖擊破壞演化過(guò)程，提出了動(dòng)載擾動(dòng)下錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞準(zhǔn)則和判據(jù)以及動(dòng)載擾動(dòng)沖擊地壓巷道錨固圍巖控制技術(shù)。王國(guó)柱等[22]基于有限元軟件研究了動(dòng)靜組合作用下錨桿錨固界面黏結(jié)應(yīng)力的分布及時(shí)程演變規(guī)律，探討了黏結(jié)滑移特征及其初始靜載水平、圍巖應(yīng)力和錨固長(zhǎng)度等參數(shù)的影響，揭示了動(dòng)靜荷載組合作用下錨桿錨固系統(tǒng)的破壞機(jī)制。言志信等[23]基于FLAC3D軟件模擬分析了錨桿-注漿體界面和注漿體-巖體界面上的剪切作用，獲得了地震波作用下錨固界面上剪應(yīng)力及其分布和脫黏破壞過(guò)程，揭示了錨固界面的破壞機(jī)制；程志斌等[24]采用FLAC3D軟件分別對(duì)動(dòng)載擾動(dòng)下單一錨桿、巷道圍巖以及群錨巷道荷載傳遞及破壞規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。張向東等[25]對(duì)端錨黏結(jié)式錨桿進(jìn)行了動(dòng)拉拔荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)端錨黏結(jié)式錨桿在動(dòng)荷載下軸向應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)分布。單仁亮等[26]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了在爆炸動(dòng)載作用下鄰近工作面支護(hù)錨桿的應(yīng)力狀態(tài)。

目前，已有不少研究人員對(duì)沖擊動(dòng)載作用下錨桿錨固界面的剪切破壞進(jìn)行了研究，但對(duì)動(dòng)載作用時(shí)錨桿的有效作用時(shí)長(zhǎng)鮮有深入分析。動(dòng)載應(yīng)力波的傳遞是與時(shí)間相關(guān)的波函數(shù)，其作用于錨固圍巖需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，錨固圍巖是在哪個(gè)時(shí)段中有效抵抗動(dòng)載應(yīng)力波，又是如何降低動(dòng)載應(yīng)力波對(duì)圍巖變形的影響，目前尚鮮有人做出解釋。筆者利用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，針對(duì)動(dòng)載作用下錨固巖石中錨桿的變形特征及錨桿與巖石兩者的協(xié)調(diào)變形關(guān)系進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析研究，以揭示沖擊動(dòng)載作用下加錨巖石的錨固抗沖機(jī)制，并對(duì)深部巷道抵抗動(dòng)載擾動(dòng)的錨固支護(hù)設(shè)計(jì)提出合理建議。

1 試件準(zhǔn)備與試驗(yàn)方案

1.1 試件準(zhǔn)備

深部巷道頂板及兩幫采用錨桿支護(hù)時(shí)，受沖擊動(dòng)載容易失穩(wěn)破壞。假設(shè)沖擊動(dòng)載垂直于錨桿軸線作用于巷道幫部錨固圍巖，試件原型從巷道一側(cè)“取出”，加錨巖石試件中心為錨桿在巷幫內(nèi)部的錨固端，試件外部錨桿采用螺母和托盤(pán)進(jìn)行錨固，加錨巖石模型如圖1所示，圖中σD為沖擊動(dòng)載強(qiáng)度，MPa。

以山東新河煤礦530軌道集中大巷圍巖(砂巖為主)為研究對(duì)象，采用相似材料模擬的方法配制幾何相似比為1∶10，強(qiáng)度相似比為1∶3的加錨巖石試>件。試驗(yàn)選用PO42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑不大于0.56 mm的沙粒、普通石膏和水，按照質(zhì)量比0.7∶1.0∶0.3∶1.0的配比制作巖石，巖石基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1；設(shè)計(jì)無(wú)錨、端錨、全錨和全錨+柔性錨桿(通過(guò)在試件與托盤(pán)之間增加可變形彈性套筒實(shí)現(xiàn))共4種試件，每種類型有3個(gè)試件，所有試件直徑均為50 mm，高度為40 mm，如圖2所示。選擇高強(qiáng)度螺紋鋼桿作為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)錨桿[27-29]，錨桿力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 加錨巖石模型選取Fig.1 Bolted rock selection

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石試件的加錨過(guò)程：首先利用直徑4 mm的鉆機(jī)沿試件側(cè)面軸向鉆孔，選用環(huán)氧樹(shù)脂膠作為黏結(jié)劑，然后將螺紋鋼錨桿穿過(guò)鉆孔，采用機(jī)械式扭力扳手對(duì)錨桿施加預(yù)緊力矩。對(duì)試樣前后端面分別進(jìn)行研磨、拋光和涂抹潤(rùn)滑劑處理，以實(shí)現(xiàn)試件與輸入、輸出桿件的良好接觸。試件標(biāo)記、尺寸參數(shù)及加載方式見(jiàn)表3。

為了監(jiān)測(cè)錨固巖石試件加載過(guò)程中錨桿與巖石的應(yīng)變，在每個(gè)試件錨桿上粘貼SG-1應(yīng)變片，試件側(cè)表面沿環(huán)向粘貼應(yīng)變片SG-2，粘貼位置如圖3所示[17]。采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄沖擊過(guò)程中輸入桿、輸出桿、試件表面及錨桿上的應(yīng)變波形信號(hào)。

圖2 試件制備Fig.2 Specimen preparation

表2 錨桿具體力學(xué)參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)所用試件尺寸及實(shí)驗(yàn)類型

圖3 錨桿及巖石環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測(cè)布置Fig.3 Strain monitoring arrangement of bolt and rock radial

1.2 加載方法

試驗(yàn)設(shè)備采用霍普金森壓桿試驗(yàn)(SHPB)系統(tǒng)，如圖4所示。入射桿、透射桿和吸收桿采用彈性模量為206 GPa的φ50 mm鋼桿，壓桿材料為48CrMoA，入射桿和透射桿長(zhǎng)度為1 500 mm，吸收桿長(zhǎng)度為1 000 mm。為產(chǎn)生具有緩慢加載段的正弦波，沖頭采用最大直徑為50 mm、長(zhǎng)度為365 mm的同等材料的梭形子彈，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的應(yīng)變信號(hào)輸入頻率和最大采樣頻率為1 MHz。試驗(yàn)前，預(yù)先在試件表面制作散斑，采用VisionResearch/V410L高速攝像機(jī)捕捉試件沖擊破壞的全過(guò)程，利用數(shù)字圖像相關(guān)方法得到試件破壞過(guò)程中裂隙場(chǎng)的變化。

圖4 SHPB動(dòng)載沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 SHPB dynamic load impact test system

(1)

(2)

(3)

式中，C0為波導(dǎo)桿的彈性縱波波速，m/s；ls為試件的長(zhǎng)度，m；εi(t)，εr(t)，εt(t)分別為對(duì)應(yīng)的入射波、反射波和透射波的時(shí)程應(yīng)變；E為波導(dǎo)桿的彈性模量，GPa；A為波導(dǎo)桿的橫截面積，m2；As為試件的橫截面積，m2。

圖5 分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of separated Hopkinson pressure bar test system

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖6為動(dòng)載沖擊應(yīng)變率為44.5 s-1時(shí)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，由圖6可以看出：所有試件在初始加載階段沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的壓密特性，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力逐漸達(dá)到峰值并在峰值之后降低。無(wú)錨試件(WM-1～3)應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體表現(xiàn)為“開(kāi)口型”特征；加錨試件在極限應(yīng)變之后表現(xiàn)出線性回彈的現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[19]中錨固試件的“閉口型”曲線很相似。為了對(duì)錨固試件動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行有效對(duì)比，對(duì)相同試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變?nèi)∑骄?，?jiàn)表4。由表4可以看出，端錨試件(DM-1～DM-3)的峰值應(yīng)力均值為14.57 MPa，峰值應(yīng)變均值為0.283×10-2，比無(wú)錨試件(WM-1～WM-3)提高了36.3%和53.0%，端錨試件的塑性增加，動(dòng)載強(qiáng)度提高；全錨試件(QM-1～QM-3)的峰值應(yīng)力均值為21.26 MPa，峰值應(yīng)變均值為0.477×10-2，比無(wú)錨試件(WM-1～WM-3)提高了98.9% 和157.8%；全錨+柔性錨桿試件(BM-1～BM-3)的峰值應(yīng)力均值為24.89 MPa，峰值應(yīng)變均值為0.581×10-2，比無(wú)錨試件(WM-1～WM-3)提高了132.8%和214.1%。由此可以看出：錨固方式對(duì)錨固巖石動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生很大影響；分析認(rèn)為錨固巖石動(dòng)載強(qiáng)度及峰值應(yīng)變的提高是因?yàn)閯?dòng)載作用下錨桿限制了試件的側(cè)向變形，抑制了巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速度，使得巖體內(nèi)部產(chǎn)生了更多的微裂紋，破壞形態(tài)也由較為完整的大塊破碎逐漸過(guò)渡到小塊，巖體變形增大，吸收動(dòng)載能量增加，因此錨固巖石抵抗動(dòng)載的能力增強(qiáng)，特別是全錨+柔性錨桿試件其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及峰值應(yīng)變的提升力度更大，表明該類錨固方式對(duì)巖體內(nèi)裂紋擴(kuò)展的抑制作用更明顯。

圖6 不同錨固巖石試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of specimens with different anchorage types

表4 錨固巖石試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及峰值應(yīng)變

2.2 錨固試件應(yīng)變場(chǎng)演化特征

圖7(a)為無(wú)錨試件WM-2沖擊動(dòng)載作用下的最大主應(yīng)變?cè)茍D(以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))?？梢钥闯?，在沖擊荷載作用下，無(wú)錨試件中部首先形成最大主應(yīng)變集中帶，并迅速向試件兩端發(fā)育。這表明在軸向沖擊動(dòng)載作用下，無(wú)錨試件中心處首先達(dá)到巖石破壞時(shí)的臨界拉應(yīng)變值，并迅速朝試件兩端擴(kuò)展成一條平行于加載方向的裂紋。這一現(xiàn)象與靜荷載下均質(zhì)巖石試件裂紋擴(kuò)展特征相似，主要是垂直加載方向的拉應(yīng)力引起的。

圖7(b)為端錨試件DM-3動(dòng)載作用時(shí)的最大主應(yīng)變?cè)茍D。與無(wú)錨試件動(dòng)態(tài)裂紋起裂位置不同，動(dòng)載作用下端錨試件最大主應(yīng)變集中帶首先出現(xiàn)在試件兩端部，表明在軸向沖擊荷載作用下，端錨試件兩端部先達(dá)到巖石破壞時(shí)的臨界拉應(yīng)變值，進(jìn)而發(fā)生斷裂；隨著動(dòng)載應(yīng)力波持續(xù)加載，試件表面形成一條平行于加載方向的裂紋。裂紋由端部向中部擴(kuò)展的時(shí)長(zhǎng)(60 μs)大于無(wú)錨試件。由此可以看出錨桿在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中起到了抑制作用，減緩了裂紋發(fā)育速度。

圖7 不同加錨試件最大主應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Maximum principal strain nephogram of different types of bolted specimens

動(dòng)載沖擊時(shí)全錨試件(QM-2)與入射桿接觸位置首先產(chǎn)生顯著的應(yīng)變集中，如圖7(c)所示。隨著入射波的作用，試件端部裂紋逐漸向錨固端擴(kuò)展，但并沒(méi)有產(chǎn)生貫穿整個(gè)試件的裂紋。

圖7(d)為動(dòng)載作用時(shí)全長(zhǎng)錨固+柔性錨桿試件(BM-1)的最大主應(yīng)變?cè)茍D，當(dāng)應(yīng)力波加載130 μs時(shí)，試件側(cè)向裂紋在與波導(dǎo)桿接觸端產(chǎn)生。隨著應(yīng)力波持續(xù)加載，裂紋逐漸向試件中心緩慢擴(kuò)展，但最終也沒(méi)有形成明顯的貫穿裂紋。

綜上所述，動(dòng)載作用下不同加錨方式巖石在裂紋起裂位置、側(cè)向裂紋起裂的時(shí)間和裂紋擴(kuò)展速度有明顯區(qū)別。在對(duì)受動(dòng)載影響的圍巖進(jìn)行錨固支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮不同錨固方式對(duì)巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展的影響，通過(guò)調(diào)整錨固方式達(dá)到優(yōu)化支護(hù)的目的。

2.3 錨桿與巖石單體應(yīng)變特征

錨固試件受動(dòng)載應(yīng)力波作用時(shí)，試件軸向產(chǎn)生壓縮變形，側(cè)向產(chǎn)生拉伸并出現(xiàn)裂紋。對(duì)于錨桿單體來(lái)講，錨桿與動(dòng)載應(yīng)力波加載方向垂直并產(chǎn)生沿試件徑向的拉伸應(yīng)變。錨桿上應(yīng)變的產(chǎn)生是由于巖石試件受壓產(chǎn)生徑向擴(kuò)容引起的。選取試件WM-2，DM-3，QM-2和BM-1，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀對(duì)巖石及錨桿的應(yīng)變分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考察錨固試件中錨桿與巖石單體應(yīng)變時(shí)程特征，如圖8所示。

圖8 錨固試件錨桿與試件徑向應(yīng)變特征(選取試件 WM-2,DM-3,QM-2和BM-1進(jìn)行分析)Fig.8 Radial strain characteristics of bolt and rock mass (Select specimens WM-2,DM-3,QM-2 and BM-1 for analysis)

圖8為錨固試件受動(dòng)載沖擊時(shí)巖石及錨桿單體應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。無(wú)錨試件徑向應(yīng)變隨著入射波加載迅速增大，當(dāng)應(yīng)力波加載至108 μs時(shí)(A點(diǎn))，無(wú)錨試件側(cè)向應(yīng)變發(fā)生突變，此時(shí)試件完全沖擊破壞；相比較而言，相同加載時(shí)間內(nèi)端錨試件的側(cè)向應(yīng)變明顯低于無(wú)錨試件，且錨桿上的應(yīng)變?cè)趧?dòng)載應(yīng)力波初始加載階段(O—B)與巖石試件側(cè)向應(yīng)變基本同步；隨著應(yīng)力波的持續(xù)加載，錨桿的應(yīng)變從B點(diǎn)開(kāi)始滯后于巖石的側(cè)向應(yīng)變，這意味著從該時(shí)刻起錨固試件中錨桿的變形不再與試件徑向變形同步，并在之后的加載過(guò)程中兩者間的不同步愈發(fā)明顯，但錨桿的應(yīng)變?nèi)匀贿€在增加，表示錨桿還處于受拉伸狀態(tài)，并發(fā)揮錨固作用；當(dāng)應(yīng)力波加載至123 μs時(shí)，錨固試件側(cè)向應(yīng)變突然降低(C點(diǎn))，錨桿的應(yīng)變也達(dá)到了峰值(D點(diǎn))，此時(shí)試件表面出現(xiàn)明顯裂隙。C點(diǎn)之后，試件裂隙開(kāi)始加速發(fā)育，錨桿應(yīng)變降低，出現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)而完全喪失作用，端錨試件DM-3迅速破壞。可以看出，B點(diǎn)是錨桿與巖體產(chǎn)生不同步應(yīng)變的起點(diǎn)，而D點(diǎn)則為錨桿失去錨固作用的終點(diǎn)。為了便于描述錨桿的行為，將O—B段作為錨桿-巖體“協(xié)同變形階段”，B—D段作為錨桿-巖體“不協(xié)同變形階段”，D點(diǎn)之后作為錨桿“失效階段”。其中O—B和B—D兩個(gè)階段是體現(xiàn)錨桿錨固作用的關(guān)鍵。采用全錨和全錨+柔性錨桿試件中，錨桿與巖石也同樣表現(xiàn)出這兩個(gè)階段。

不同錨固試件的錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”的時(shí)長(zhǎng)不同，如圖9所示。端錨試件中錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”的時(shí)長(zhǎng)分別為72 μs和51 μs；全錨試件中錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”的時(shí)長(zhǎng)分別為82 μs和64 μs；全錨+柔性錨桿試件中錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”的時(shí)長(zhǎng)分別為97 μs和66 μs。可以看出，對(duì)于端錨、全錨和全錨+柔性錨桿3種錨固試件來(lái)說(shuō)，錨桿與巖石產(chǎn)生不同步應(yīng)變的起始時(shí)間點(diǎn)(B點(diǎn))和錨桿失效的終點(diǎn)(D點(diǎn))愈發(fā)延遲。分析認(rèn)為錨桿與巖石通過(guò)錨固劑連結(jié)形成一體，錨固劑的作用主要有兩方面：將錨桿桿體與鉆孔孔壁黏結(jié)在一起，使錨桿隨著巖石基體變形移動(dòng)承受拉力；當(dāng)巖石基體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖體發(fā)生滑動(dòng)。通過(guò)錨固劑的作用協(xié)調(diào)錨桿與巖石之間的變形，提高錨固試件的錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”的時(shí)間長(zhǎng)度。對(duì)于全錨+柔性錨桿的試件，動(dòng)載作用過(guò)程中除了錨固劑的作用外，通過(guò)其外部可變形套筒減緩了巖石基體的擴(kuò)容速度，延遲了錨桿與巖石達(dá)到極限應(yīng)變差的時(shí)間，使得巖石基體內(nèi)部變形能得到逐步釋放，更好的維持了巖石基體的穩(wěn)定。

圖9 不同錨固方式下錨桿-巖體“協(xié)同變形階段” 和“不協(xié)同變形階段”時(shí)間特征Fig.9 Time characteristics of “cooperative deformation stage” and “non cooperative deformation stage” between bolt and rock

3 討 論

3.1 錨固試件的破壞模式

圖10為不同錨固試件受動(dòng)載作用后的破壞形態(tài)，錨固試件最終的破壞形態(tài)明顯受錨固方式的影響。應(yīng)力波作用于端錨試件時(shí)(圖10(a))，試件主要沿錨桿兩側(cè)破壞，而錨桿軸向由于托盤(pán)的作用，未產(chǎn)生巖體突出崩落；全錨試件的破壞程度相對(duì)端錨試件要弱，試件表面產(chǎn)生明顯宏觀裂紋，但并沒(méi)有完全剝落，其內(nèi)部錨桿與巖石由于錨固劑的黏結(jié)作用部分連接；全錨+柔性錨桿試件的破碎塊體中錨固劑與錨桿和巖石界面產(chǎn)生滑移，試件最終破壞為多個(gè)的塊體。

錨固巖石受沖擊動(dòng)載破壞是原生、次生裂隙發(fā)育、融匯、貫通由細(xì)觀至宏觀演化的最終結(jié)果，而在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，錨桿所起的作用就是抑制錨固巖石裂紋的擴(kuò)展，該作用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于巖石與錨桿之間的介質(zhì)——錨固劑。錨固劑有效地將巖石的變形傳遞至錨桿，使得錨桿發(fā)生被動(dòng)變形，而錨桿的變形反過(guò)來(lái)又通過(guò)錨固劑作用于巖石，減緩了巖石變形、裂紋發(fā)育的速度。從另外一個(gè)角度來(lái)講，巖石在應(yīng)力波沖擊變形過(guò)程中比錨桿更容易塑性破壞，錨固劑屬于協(xié)調(diào)兩者同步變形的中間地帶，一旦錨固劑與巖石和錨桿的黏結(jié)界面破壞，必然造成錨桿和巖石變形的不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致巖石破壞。圖11為沖擊動(dòng)載作用后錨固巖石的塊體特征，由圖11可以看出，錨桿表面的部分錨固劑黏結(jié)巖屑從錨桿上剝離脫落，另外一部分錨固劑黏結(jié)巖屑整體附著在錨桿上面，沖擊動(dòng)載導(dǎo)致錨桿/錨固劑界面和錨固劑/巖石界面產(chǎn)生明顯的滑移，這是導(dǎo)致錨桿失效，錨固巖石破壞的關(guān)鍵因素。

圖10 不同錨固巖石試件受沖擊破壞特征Fig.10 Failure characteristics of rock specimens with different bolt types

圖11 試件BM-2和BM-3破壞特征Fig.11 Failure characteristics of BM-2 and BM-3 specimen

3.2 錨固巖石抗沖時(shí)效

巷道錨固圍巖是一種由錨桿(索)、圍巖、黏結(jié)材料及組合構(gòu)件等共同作用的群體行為表現(xiàn)，該行為具有明顯的自組織特征，符合非線性系統(tǒng)的一般演化規(guī)律，而協(xié)同學(xué)是描述這種行為特征和演化規(guī)律的科學(xué)理論、先進(jìn)方法和有效工具[31]。錨固巖石中錨桿對(duì)巖石的變形失穩(wěn)具有一定的抑制作用，為了量化動(dòng)載作用下錨固巖石的抗沖性能，將動(dòng)載作用下錨固巖石在錨桿拉伸達(dá)到極限應(yīng)變前發(fā)揮的效用稱為抗沖時(shí)效，該時(shí)段包含錨桿-巖石“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”。

根據(jù)錨固巖石的最終破壞形態(tài)將錨固界面的破壞分為3類，錨桿/錨固劑界面破壞、錨固劑/巖石界面破壞、錨桿/錨固劑/巖石界面破壞。圖12為沖擊動(dòng)載作用后錨固巖石的錨固界面破壞示意，由于錨固試件沿錨桿軸向?qū)ΨQ，取右側(cè)對(duì)稱區(qū)域進(jìn)行分析。假設(shè)動(dòng)載作用下，錨固試件軸向及側(cè)向均產(chǎn)生均勻的變形，錨桿、錨固劑和巖石的最大體積應(yīng)變分別為δb，δa和δr，則錨固界面在“協(xié)同變形階段”應(yīng)滿足：

εr-c(t)=εa(t)=εb(t)

(4)

Rr[1-εz(t)][1+εb(t)]-Rr≤δb

(5)

Rl1[1-εz(t)][1+εa(t)]-Rl1≤δa

(6)

Rl2[1-εz(t)][1+εr(t)]-Rl2≤δr

(7)

式中，r為錨桿半徑，m；l1為錨固劑厚度，m；l2為巖石試件高度的一半，m；R為巖石試件半徑，m；εr-c(t)為巖石試件側(cè)向應(yīng)變；εa(t)為錨固劑沿錨桿方向的應(yīng)變；εb(t)為錨桿應(yīng)變；εz(t)為錨固巖石軸向應(yīng)變。

隨著動(dòng)載應(yīng)力波的持續(xù)加載，錨桿、錨固劑和巖石進(jìn)入“不協(xié)同變形階段”，該階段中錨桿并沒(méi)有完全喪失錨固作用，但錨桿/錨固劑界面或錨固劑/巖石界面已經(jīng)開(kāi)始滑移，此時(shí)錨固劑已經(jīng)達(dá)到最大體積應(yīng)變值，錨固界面的3種破壞形態(tài)可用式(8)～(10)表示。

圖12 錨固界面破壞特征示意Fig.12 Failure characteristics of anchorage interface

錨桿/錨固劑界面破壞：

εr-c(t)=εa(t)>εb(t)

(8)

錨固劑/巖石界面破壞：

εr-c(t)>εa(t)=εb(t)

(9)

錨桿/錨固劑/巖石界面破壞：

εr-c(t)>εa(t)>εb(t)

(10)

該階段中錨固劑達(dá)到最大體積應(yīng)變時(shí)，錨桿、錨固劑和巖石滿足：

(11)

錨桿/錨固劑/巖石界面破壞是錨固巖石受動(dòng)載破壞的理想破壞形式，因?yàn)樵谶@種破壞模式下錨固巖石中錨固劑能發(fā)揮最大作用。

錨固巖石抗沖時(shí)效主要受3方面因素的影響：①錨桿與巖石自身的材料屬性，包括材料的密度，彈性模量、拉伸強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)特征。例如：巖石的縱波波速和密度具有良好的正相關(guān)性，巖石的波阻抗值為2者的乘積，是表征巖石應(yīng)力波透射和反射能力的基本物理量；② 錨固巖石的結(jié)構(gòu)形態(tài)，例如將錨桿設(shè)為可讓壓變形的柔性錨桿，改變托盤(pán)的外觀形態(tài)，采用全長(zhǎng)錨固等方式對(duì)錨固巖石結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使各組成構(gòu)件發(fā)揮最大效用；③ 造成錨固巖石破壞的應(yīng)力環(huán)境，這一部分包含錨固巖石的初始靜應(yīng)力狀態(tài)、沖擊動(dòng)載應(yīng)力波的應(yīng)變率幅值、作用傳播方向等。

3.3 深部巷道圍巖錨固支護(hù)建議

錨桿支護(hù)是隧道、采場(chǎng)等地下巷道及硐室施工中廣泛采用的一種圍巖加固方式，靜力作用下錨固圍巖耦合附加動(dòng)載擾動(dòng)的動(dòng)力損傷破壞是深部巷道圍巖失穩(wěn)的典型形式[22]。根據(jù)動(dòng)載作用過(guò)程中錨固巖石的抗沖時(shí)效特征，在采用錨固支護(hù)來(lái)維持圍巖穩(wěn)定時(shí)，要充分考慮錨固介質(zhì)自身屬性、錨固結(jié)構(gòu)形態(tài)和錨固體受載應(yīng)力環(huán)境的影響。結(jié)合上述研究成果，對(duì)受動(dòng)載沖擊巷道圍巖錨固支護(hù)設(shè)計(jì)提出以下建議：

(1)對(duì)圍巖進(jìn)行錨固支護(hù)時(shí)，錨桿、錨固劑的選擇應(yīng)該以最大限度能協(xié)調(diào)巖石-錨固劑-錨桿3者變形為準(zhǔn)。錨桿選取不僅需要考慮其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，剛度及可塑性也應(yīng)作為錨桿抗沖支護(hù)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。由于錨固預(yù)緊力的施加、錨固劑固化時(shí)的自然收縮以及與錨桿、巖石性質(zhì)上的差異，致使黏結(jié)界面存在內(nèi)應(yīng)力，因此應(yīng)盡可能選取與錨桿、巖石膨脹系數(shù)相接近，彈性良好的錨固劑，降低其自身內(nèi)應(yīng)力的影響，提高抵抗沖擊動(dòng)載的能力。

(2)根據(jù)巷道需要控制的圍巖范圍選取錨桿、托盤(pán)、螺栓以及錨固形式(全長(zhǎng)錨固或加長(zhǎng)錨固)，適當(dāng)添加讓壓緩沖裝置，如采用恒阻變形錨桿、錨桿-支架等組合支護(hù)方式。通過(guò)改變錨固巖體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，最大限度的發(fā)揮各錨固構(gòu)件的作用。

(3)改善錨固圍巖的應(yīng)力環(huán)境，如通過(guò)鉆孔卸壓、圍巖注漿和水壓致裂的方式降低圍巖的高靜載應(yīng)力環(huán)境，提高圍巖的波阻抗等參數(shù)，增加應(yīng)力波傳播衰減的時(shí)空范圍。采用切頂、深孔爆破、斷底和充填開(kāi)采等控制動(dòng)載源，降低動(dòng)載應(yīng)力波的波形幅值及傳播速度，減小動(dòng)載應(yīng)力波對(duì)錨固圍巖變形的影響。

4 結(jié) 論

(1)沖擊動(dòng)載作用下錨桿限制了錨固巖石的側(cè)向變形，抑制了巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速度，使得巖體變形增大，吸收能量增加，錨固巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)龈摺?/p>

(2)錨固劑是協(xié)調(diào)錨桿與巖體同步變形的中間地帶，是錨固巖體抵抗沖擊動(dòng)載的關(guān)鍵。一旦錨固劑與巖石和錨桿的粘結(jié)界面破壞，必然造成錨桿和巖石變形的不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致巷道錨固圍巖的失穩(wěn)。

(3)錨固巖石抵抗沖擊動(dòng)載的過(guò)程可分為“協(xié)同變形階段”、“不協(xié)同變形階段”和“失效階段”。其中錨固巖石在“協(xié)同變形階段”和“不協(xié)同變形階段”發(fā)揮的效用可視為“抗沖時(shí)效”，錨桿與巖石自身的材料屬性，錨固巖石的結(jié)構(gòu)形態(tài)和錨固巖石的應(yīng)力環(huán)境是影響錨固巖石抗沖時(shí)效的主要因素。

(4)采用錨桿支護(hù)維持巷道圍巖穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)考慮錨桿剛度及可塑性，選取與錨桿、巖石膨脹系數(shù)相接近，彈性良好的錨固劑；改變錨固圍巖的結(jié)構(gòu)形態(tài)，避免錨固圍巖受動(dòng)載沖擊時(shí)發(fā)生內(nèi)聚破壞或黏附破壞；改善錨固圍巖的受載應(yīng)力環(huán)境，有效降低動(dòng)載應(yīng)力波對(duì)錨固圍巖變形的影響。