爆破振动作用下巷道围岩中锚杆的运动规律研究
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【摘 要】锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中广泛采用的一种加固支护方式。在实际工程中，巷道中锚杆支护结构除了受到地压等静载作用外，还常常受到爆破、采掘等动荷载的影响。本文从理论的角度上推导出巷道围岩中锚杆在爆破振动作用下的运动规律，得到锚杆上轴力与剪切力的变化。对钻孔爆破法施工中锚杆支护结构的防护有重大的指导作用，为判断在爆破的过程中锚杆是否发生破坏提供了理论依据。
【关键词】爆破振动 锚杆支护 运动规律
在巷道围岩爆破过程中，锚杆的振动是由其周围岩体振动引起的，因此锚杆两端A、B的振动则完全由端部周围岩体的振动所决定，而锚杆中部的振动则是由两端的振动共同作用引起的。锚杆的振动简图如图1.1（a）所示。由于锚杆四周的围岩以及端部的锚固对锚杆有约束作用，并且锚杆两端A、B有振动作用，因此锚杆两端A、B并非完全固结，所以将锚杆两端的运动看成是固结和自由状态下的叠加，如图1.1（b）和图1.1（c）所示。
3 算例分析
巷道围岩中锚杆采用直径为20mm的HRB400钢筋。将相关参数代入式（1.1）中，得到爆破地震波作用下锚杆的轴向位移变化曲线图，如图1.4-1.5所示。
从图1.4-1.5中可以看出：在巷道轴向距离相同时，锚杆端部有了最大初位移以后开始返回，对应于锚杆的中间部分也相应的达到最大位移处开始返回。靠近巷道围岩表面的锚杆部分始终是沿着径向向内运动，而另一端可能是沿着径向向外运动也可能向内运动，这与锚杆的长度有关。在爆破振动的作用下由于围岩径向速度方向与径向距离有关，导致不同锚杆的长度远离围岩表面的锚固段的速度方向不同。而锚杆中部的运动主要是沿着径向向内运动，这是由靠近巷道围岩表面的锚杆部分的振动振幅大于另一端振动的振幅叠加所决定的。
根据位移与速度的关系，对式（1.1）进行求导，带入相关参数，得到爆破地震波作用下巷道围岩中锚杆轴向速度的变化曲线图，如图1.6-1.7所示。
从图1.8-1.9可以看出：在巷道轴向距离相同时，锚杆端部的竖向振动只与端部的初位移有关；由于巷道表面围岩的轴向速度为0，所以巷道表面处的锚杆端部竖向位移为0；锚杆的振动主要是由于远离巷道围岩表面的端部振动引起，其它部分会发生不同程度的振动，并且振动的方向与锚杆端部振动方向相同。同理，根据位移与速度的关系，对式（1.3）进行求导，带入相关参数，得到地震波作用下巷道围岩中锚杆竖向速度的变化曲线图，如图1.10-1.11所示。
从图1.10-1.11中可以看出：在巷道轴向距离相同时，巷道轴向速度的大小与径向距离有关，从而导致不同锚杆长度端部的速度大小不同。将相关参数代入式（1.2）中，得到地震波作用下锚杆的轴向力变化曲线图，如图1.12-1.13所示。
从图1.12-1.13中可以看出：在巷道轴向距离相同时，不考虑锚杆之前的受力状态，靠近巷道围岩表面的锚杆部分可能受拉也可能受压，远离围岩表面的部分始终受拉；由于不同长度的锚杆对应于远离围岩表面的锚固段的速度方向不同，导致锚杆的振动产生的应变状态不同，锚杆总体处于受拉状态。将相关参数代入式（1.4）中，得到地震波作用下锚杆的剪切力变化曲线，如图1.14-1.15所示。
从图1.14-1.15中可以看出：在巷道轴向距离相同时，锚杆的剪切力的大小与径向距离有关；对于同一长度的锚杆，轴向距离越大，剪切力越大，这是因为轴向距离越大，其竖向位移也越大，导致它的剪切变形越大，所以剪力会越大；而巷道表面的锚杆由于没有位移，则剪切变形为零，所以其剪切力为零；对于不同长度的锚杆，端部竖向位移的不同会导致锚杆的剪力不同。
4 结语
通过理论推导，得到锚杆的振动微分方程，分别从位移、速度和受力的角度研究了巷道围岩中锚杆在爆破振动作用下的运动规律，通过分析得到如下结果：
（1）锚杆在爆破振动作用下会产生的轴向变形和弯曲变形，对于同一长度的锚杆，弯曲变形要大于轴向变形，因此锚杆是以弯曲变形为主导形式。
（2）当锚杆达到一定的长度时，由于振动叠加，锚杆产生过大的位移，导致锚杆会被围岩挤出，失去防护效果。
参考文献：
[1]陈士海，逢焕东.爆炸灾害预测与控制[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[2]许红涛，卢文波，周小恒. 爆破震动场动力有限元模拟中爆破荷载的等效施加方法[J].武汉大学学报（工学版），2008，41（1）：67-71.
[3]李东旭.高等结构动力学[M]. 北京：科学出版社， 2010.
[4]单仁亮，周纪军，夏宇 等.爆炸荷载下锚杆动态响应试验研究[J]，岩石力学与工程学报，2011， 30（8）： 1000-6915.
[5]李桂林，余永强，王新生.动载下洞室锚杆加固效应的数值模拟[J]，兵工学报，2009，30（12）： 42–46.