一种基于截面含钢率强化效应的巷道锚杆支护定量设计方法与流程

本发明属于地下工程围岩支护设计，尤其涉及一种基于截面含钢率强化效应的巷道锚杆支护定量设计方法。

背景技术：

1、锚杆支护是煤矿巷道、隧道及地下洞室中应用最广泛的围岩控制手段之一。现有锚杆支护设计方法主要包括工程类比法、经验公式法和数值模拟试算法。工程类比法和经验公式法依赖已有工程经验，难以准确反映不同围岩结构、不同应力环境和不同锚杆参数条件下的支护效果；数值模拟试算法虽然能够分析围岩变形和塑性区变化，但通常将锚杆作为独立结构单元处理，或者通过经验参数折减、提高岩体参数，难以直接建立锚杆直径、间排距、布置密度与锚固岩体强度提升之间的定量关系。

2、在实际工程中，锚杆支护并非仅对局部块体产生约束作用，而是在巷道周边形成一定厚度的锚固强化圈。该锚固强化圈与外侧围岩共同形成承载体系，对深部主承载区提供一定约束围压，进而改善围岩三向受力状态，提高主承载区岩体承载能力。然而，现有技术缺少一种能够从试验出发，定量描述截面含钢率对锚固岩体表观强度参数影响，并进一步用于巷道支护参数反算的方法。

3、因此，有必要提出一种新的巷道锚杆支护定量设计方法，将锚杆支护参数、锚固岩体强度提升、锚固强化圈承载能力和主承载区围岩稳定性联系起来，实现锚杆支护参数的定量确定。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于截面含钢率强化效应的巷道锚杆支护定量设计方法，该方法能够解决现有锚杆支护设计依赖经验、支护参数与围岩强化效果之间缺乏定量联系、设计结果难以准确评价的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于截面含钢率强化效应的巷道锚杆支护定量设计方法，包括：

3、s1：确定待设计巷道的原岩应力状态和主承载区实际应力：采用原位地应力测试方法获取待设计巷道所在区域的原岩三维应力张量，根据所述原岩三维应力张量确定最大主应力、中间主应力、最小主应力及各主应力方向；结合待设计巷道的轴线方位、断面形状和断面尺寸，采用解析计算和/或数值计算获得巷道开挖后的围岩应力分布，确定主承载区的位置及主承载区实际最大主应力，并将所述主承载区实际最大主应力作为后续主承载区稳定性判断的工程荷载参数；

4、s2：确定待设计巷道围岩完整岩石的初始压缩力学参数：采集与s1所述原位地应力测试区域相对应的巷道围岩岩样，制备预定尺寸的岩石试样并开展单轴压缩试验，获得岩石试样的单轴抗压强度、弹性阶段轴向刚度和弹性模量；其中，根据岩石试样弹性阶段的荷载增量和轴向位移增量计算岩石试样的弹性阶段轴向刚度，将所述弹性阶段轴向刚度作为s3和s6中恒法向刚度直接剪切试验的法向约束刚度，将所述单轴抗压强度作为s5中确定未加锚岩体等效强度参数的完整岩石单轴抗压强度，并将所述弹性模量作为s6评价加锚岩样刚度强化效应的未加锚基准参数；

5、s3：确定未加锚岩样的初始抗剪强度参数：采用与s2相同取样区域、相同岩性和相同尺寸的多组未加锚岩样，将s2获得的岩石试样弹性阶段轴向刚度设置为恒法向刚度直接剪切试验的法向约束刚度，并对各组未加锚岩样分别施加不同的初始法向力，在相同法向约束刚度和不同初始法向力条件下开展恒法向刚度直接剪切试验；根据各组未加锚岩样的初始法向力、剪切过程中的法向位移和所述法向约束刚度，确定剪切过程中的实时法向力和实时法向应力，获得各组试验的峰值剪应力及达到所述峰值剪应力时对应的实时法向应力；根据各组试验的峰值剪应力及其对应的实时法向应力进行强度拟合，获得未加锚岩样的初始内聚力和初始内摩擦角，并将所述初始内聚力和初始内摩擦角作为步骤s6评价截面含钢率强化效应的未加锚基准参数；

6、s4：确定待设计巷道的岩体结构参数和hoek-brown计算参数：通过现场地质调查和岩体质量评价，获取待设计巷道围岩的结构面间距、结构面产状、结构面充填情况、岩体完整性、地质强度指标gsi和扰动系数d，并通过岩石三轴压缩试验拟合或根据对应岩性确定完整岩石材料常数mi；将所述地质强度指标gsi、扰动系数d和完整岩石材料常数mi作为s5中将s2获得的完整岩石力学参数转换为现场未加锚岩体等效力学参数的输入参数；

7、s5：确定待设计巷道未加锚岩体的等效初始力学参数：将s2获得的完整岩石单轴抗压强度以及s4获得的地质强度指标gsi、扰动系数d和完整岩石材料常数mi代入hoek-brown强度准则，确定待设计巷道未加锚岩体的hoek-brown强度参数和非线性强度包络线；根据s1确定的主承载区应力范围，对所述非线性强度包络线进行等效转换，获得待设计巷道未加锚岩体的等效内聚力、等效内摩擦角和岩体单轴抗压强度，并结合s2获得的完整岩石弹性模量以及s4获得的岩体结构参数，获得未加锚岩体的等效弹性模量；将所述未加锚岩体的等效内聚力、等效内摩擦角和等效弹性模量作为s6计算现场锚固岩体表观力学参数的岩体尺度基准参数；

8、s6：建立截面含钢率与现场锚固岩体表观力学参数之间的函数关系：采用与s2和s3相同取样区域、相同岩性、相同尺寸和相同初始条件的岩样，在岩样中设置不同直径和/或不同数量的锚杆，形成多个不同截面含钢率的加锚岩样；

9、s7：将s2获得的岩石试样弹性阶段轴向刚度设置为各组加锚岩样恒法向刚度直接剪切试验的法向约束刚度，并采用与s3相同的初始法向力分级，在相同法向约束刚度、相同初始法向力分级和不同截面含钢率条件下，对各组加锚岩样开展恒法向刚度直接剪切试验；

10、s8：根据各组加锚岩样的峰值剪应力及达到峰值剪应力时对应的实时法向应力，获得不同截面含钢率条件下加锚岩样的表观内聚力和表观内摩擦角，并根据加锚岩样剪切前和/或剪切过程中的荷载—位移关系获得加锚岩样的表观刚度或表观弹性模量；

11、s9：以s3获得的未加锚岩样初始内聚力和初始内摩擦角以及s2获得的未加锚岩样弹性模量为室内试验基准，确定内聚力强化函数、内摩擦角强化函数和弹性模量强化函数与截面含钢率之间的关系；

12、s10：将所述内聚力强化函数、内摩擦角强化函数和弹性模量强化函数分别作用于s5获得的未加锚岩体等效内聚力、等效内摩擦角和等效弹性模量，建立现场锚固岩体表观内聚力、表观内摩擦角和表观弹性模量与未加锚岩体等效初始力学参数及截面含钢率之间的函数关系。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

14、1.本发明将锚杆支护参数转化为截面含钢率指标，建立了锚杆直径、间距、排距与锚固岩体力学参数之间的定量关系。

15、2.本发明通过加锚岩样恒法向刚度直接剪切试验获得锚固岩体表观强度参数，避免了传统锚杆支护设计依赖经验取值的问题。

16、3.本发明将巷道周边锚杆加固范围等效为锚固强化圈，计算锚固强化圈能够向主承载区提供的约束围压，实现了锚杆支护作用从"局部构件作用"向"围岩强化圈作用"的转化。

17、4.本发明将锚固强化圈提供的约束围压代入hoek-brown强度准则判断主承载区围岩稳定性，实现了锚杆参数、锚固岩体强度和围岩稳定性之间的统一评价。

18、5.本发明可根据主承载区稳定性反算锚杆直径、间距、排距和有效加固长度，能够提高巷道锚杆支护设计的科学性、定量性和可靠性。