高頻低能沖擊擾動下錨固結構漸進失效試驗研究

張 農 ， 王 朋 ， 闞甲廣 ， 許興亮 ， 謝正正 ， 魏 群

(1.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤炭精細勘探與智能開發全國重點實驗室, 江蘇 徐州 221116；3.徐州工程學院 土木工程學院, 江蘇 徐州 221116；4.江蘇理工學院 機械工程學院, 江蘇 常州 213001)

隨著煤炭資源開采逐年向深部轉移，沖擊動載危害加劇[1-3]，統計發現高頻低能是沖擊動載巷道微震事件的主要表現形式，頻繁的中低能量沖擊對錨固結構造成持續損傷劣化[4-6]，給巷道維控帶來極大困難。錨固結構穩定性直接影響著巷道長期安全，因此揭示高頻低能沖擊擾動下錨固結構漸進失效機理對構建合理錨固支護體系、指導深部沖擊動載巷道圍巖控制技術與工程實踐具有重要意義。

為了研究沖擊動載下錨固結構穩定性及承載機理，學者基于理論分析、實驗室實驗及數值模擬開展了大量研究[7-9]。巷道沖擊能量釋放后產生震動效應及應力波傳遞[10]，受巖體塑性、非線性及黏性等阻尼作用，應力波于巖層及錨固結構內部不同介質界面處發生散射效應，能量不斷衰減并在時空上重新分配[11]。低能沖擊作用下巷道迎波側錨固圍巖結構表現為累積損傷[12]，沖擊載荷頻率接近錨固結構固有頻率時更易導致其破壞[13]。高頻低能沖擊應力波傳遞過程中首先對巖體造成持續動力損傷[14]，煤體損傷量隨沖擊次數增加表現為“S”型累積損傷模式[15]，沖擊動載振幅對煤巖組合體的破壞起決定性作用[16]，煤巖體的破碎致使錨固界面黏結性能降低。沖擊動載作用下巖體/注漿體界面剪應力遠小于桿體/注漿體界面剪應力，多數情況下巖體/注漿體界面先于桿體/注漿體界面脫黏破壞[17]。錨桿在低能沖擊作用下逐漸產生塑性變形，內部晶體扭曲畸變，錨固結構整體受力不佳，承載性能顯著降低[18-19]。同時螺母托盤出現松動滑移導致軸力及預應力損失，錨固結構軸力損失率隨震源距離增加呈指數衰減趨勢[20]，當能量爆發位置距離錨索3 m 以內時，預應力損失量是靜載作用下的36 倍左右[21]，低預應力導致錨固結構無法及時有效限制圍巖變形。進一步的，沖擊動載作用下圍巖、錨固劑、錨桿3 者之間不協同變形造成的剪切滑移及錨固結構壓縮變形是導致深部大斷面硐室承載結構失穩破壞的主要原因[22]。因此提高錨固界面的抗滑移特性與協調變形能力可有效延長錨固結構的抗沖時效時間[23]，錨桿間距比錨桿長度對硐室拱頂變形的影響大，變形量與加速度可分別作為拱頂錨固結構穩定性評價的關鍵與輔助性指標[24]。

很多學者對沖擊作用下錨固結構損傷破壞進行了研究，但對高頻低能沖擊擾動圍巖破壞、界面脫黏、承載性能衰減的時空演化關系目前鮮有研究。筆者從現場工況出發，首先建立了低能沖擊載荷下圍巖、錨固劑、桿體三介質兩界面力學模型，剖析了錨固結構內部沖擊應力傳遞轉化機制，基于此結合分離式霍普金森壓桿實驗系統(SHPB)、MTS 疲勞實驗機，設計錨固結構三軸加載與落錘式沖擊實驗裝置開展了3 個特定實驗，闡明了高頻低能沖擊擾動下錨固結構界面脫黏、內部損傷演化及承載性能衰減規律，揭示了錨固結構漸進失效機理并提出了沖擊動載巷道圍巖控制策略，可為該類巷道維控提供借鑒與指導。

1 沖擊動載在錨固結構內部的傳遞轉化機制

高頻低能沖擊擾動是一種對巷道圍巖及錨固結構產生持續疲勞損傷的礦山應力作用，一般沖擊頻率每周數10 次以上、沖擊能量在104J 以下?；趧恿W理論與沖擊應力波傳播規律[25]，應力波入射方向與錨固結構內部空間分布均會對錨固結構動力損傷產生影響。因此結合巷道現場工況，建立錨固結構三介質兩界面力學模型(圖1)，從沖擊方向(軸向、側向)與錨固方式(端頭錨固、全長錨固) 2 個因素開展低能沖擊動載作用下錨固結構受力分析。

圖1 低能沖擊動載下錨固結構內部受力Fig.1 Internal stress of anchoring structures under low-energy impact dynamic loads

由于高頻沖擊為重復擾動過程，單次擾動內部應力傳遞轉換機制基本相同，考慮平面應力波在錨固結構中傳播的復雜性及能量衰減的快速性[26]，所以本節中只考慮低能沖擊應力波的單次循環傳遞。軸向沖擊端頭錨固時內部應力傳遞轉換如圖1(b)所示，當入射壓縮應力σd0從錨固結構尾端傳播至錨固段與自由段界面時，由于錨固段波阻抗(ρ1c1)大于自由段波阻抗(ρ2c2)，σd0分解為透射壓縮應力σt1與反射拉伸應力σr1；σt1繼續傳播至自由段與巷道界面，由于巷道內部波阻抗(ρ3c3)為0，此時σt1完全反射為拉伸應力σr2；σr2繼續傳播至錨固段與自由段界面時，再次分解為透射拉伸應力σt2與反射拉伸應力σr3，此為應力波傳遞的單個完整周期。由此可以得出沖擊應力在錨固結構內部傳遞是壓拉應力循環變化的狀態。

入射波應力σd0與反射波應力σr、透射波應力σt之間的關系為

式中，ρa、ρb為兩側介質a、b 的密度，kg/m3；Ea、Eb為兩側介質a、b 的彈性模量，GPa。

結合質點振動峰值速度、震源中心到錨固結構距離與沖擊動載強度的關系式[27-28]，得出σd0：

聯立公式(1)、(2)、(5)可以得出低能沖擊過程中錨固結構內部壓拉應力分布及作用范圍。軸向沖擊下端頭錨固主要承受瞬間壓縮作用、應力波透射與反射引起的拉伸作用及壓拉快速轉換引起的震蕩效應。當前沖擊巷道支護常用錨桿屈服拉伸強度在400～600 MPa，高頻低能軸向沖擊作用下較難變形破斷，因此瞬間壓縮主要破壞對象為強度較低的淺部巖體(抗壓強度多數小于50 MPa)與錨固劑(抗壓強度大于60 MPa)；透反射拉伸作用主要破壞對象為錨固界面，破壞與否取決于能量大小與界面黏結剛度；震蕩效應對錨固結構外露端螺母螺紋鎖緊造成較大影響，引起預緊力損失。而全長錨固無自由段，鉆孔由桿體與錨固劑完全充填，內部無透射與反射現象，震蕩效應大幅減弱。

對于側向沖擊，可分為整體沖擊與局部沖擊。側向整體沖擊下錨固結構主要承受沖擊壓縮應力，由于壓縮應力與錨桿拉伸應力方向垂直，難以直接傳遞轉換，震蕩效應較弱。側向局部沖擊下錨固結構主要受局部剪切、壓縮應力及間接拉伸應力影響，震蕩效應較弱；高頻低能沖擊下桿體彎折角逐漸增大，作用于桿體的沖擊剪切力升高，同時桿體變形導致結構抗剪、抗拉能力削弱，承載性能顯著降低。

因此，壓縮應力、拉伸應力與壓拉快速轉換引起的震蕩效應是造成錨固結構損傷的三大要素。單次沖擊下錨固結構三介質兩界面產生局部損傷，高頻沖擊致使損傷累積擴展，抵抗沖擊能力降低，最終導致錨固結構可能在低能量沖擊下完全失效破壞。故下文將基于低能沖擊動載在錨固結構內部的傳遞轉化機制，結合現場工況，從巖體/錨固劑界面脫黏、錨固結構內部累積損傷及預緊力損失3 個方面分別開展實驗研究，揭示高頻低能沖擊下錨固結構漸進失效機理。

2 錨固界面裂隙演化與脫黏失效特征

圍巖/錨固劑界面作為錨固結構兩界面中相對弱面，高頻低能沖擊下易斷裂脫黏，極大影響結構承載性能?？紤]現場中錨固段層位巖體與沖擊方向變化，將煤體、砂巖分別與錨固劑組合(礦用錨固劑流動性差，本文選用環氧樹脂植筋膠代替錨固劑)，調整黏結角度，利用SHPB 開展不同介質(煤體、砂巖、錨固劑)、不同黏結角度(0°、45°、90°)、不同軸向沖擊氣壓(0.1、0.2、0.3 MPa)下錨固界面漸進脫黏失效實驗，試樣為50 mm×50 mm 圓柱體。SHPB 是當前測量材料動力學性能最常采用的實驗方法之一，實驗中試樣巖石端面緊貼入射桿，錨固劑端面緊貼透射桿，沖擊方向為軸向壓縮沖擊，利用普通氮氣材料提供不同氣壓使子彈沖擊入射桿及巖石平整端面，傳遞至錨固劑平整端面及透射桿，循環沖擊下試樣出現破裂分離即停止實驗。

2.1 錨固界面試樣動力學特性

部分試樣動態應力應變曲線及破壞模式如圖2所示(其中，ε˙ 為 應變率；ε為應變；σ為抗壓強度)。實驗結果表明：隨沖擊氣壓增大，試樣破壞程度逐漸加劇，0.1 MPa 氣壓下試樣破壞烈度較小，以貫穿裂縫為主，0.3 MPa 氣壓下煤體粉碎性破壞，試樣動態抗壓強度σ及平均應變率隨沖擊氣壓增大而增加。固定氣壓高頻沖擊過程中隨沖擊次數增加，試樣最大應變ε及應變率ε˙整體呈增長趨勢，試樣動態抗壓強度整體呈降低趨勢。

圖2 部分試樣動態應力-應變曲線及破壞模式Fig.2 Dynamic stress-strain curves and failure modes of some specimens

2.2 錨固界面失效模式

錨固界面破壞模式與錨固介質、沖擊能量、錨固角度均密切相關。當錨固基體為煤體時，隨沖擊氣壓增加，試樣形態呈現完整型→劈裂破壞→粉碎性破壞的轉化過程。整體破壞模式可分為破碎破壞、無規則縱向劈裂破壞、沿錨固界面彎折型復合破壞及錨固界面失效劈裂破壞。破碎模式集中于0.2 及0.3 MPa 氣壓下煤體及煤體/錨固劑黏結試樣，無規則縱向劈裂破壞集中于0°或高沖擊氣壓下45°黏結界面，沿錨固界面彎折型復合破壞僅出現在0.1 及0.2 MPa 氣壓下45°黏結界面，0.3 MPa 氣壓下巖體與錨固劑被直接貫穿；錨固界面失效劈裂破壞均為90°黏結界面。

錨固界面受力破壞過程如圖3 所示(其中，εs(t)為砂巖形變量，εm(t)為錨固劑形變量，α為沖擊力方向與黏結界面之間夾角)。當沖擊載荷F作用于錨固界面時，初始階段巖體與錨固劑兩介質同時產生微小壓縮形變，此時2 者協同承載。隨著沖擊動載力的傳遞增長，內部裂隙萌生擴展，但由于巖體與錨固劑基礎力學性質存在差異，兩介質發生不協調變形。當載荷強度無法直接貫穿錨固介質時，裂隙會沿著試樣內部相對較弱界面持續擴展，高頻沖擊下最終失效破壞，如45°黏結時的界面彎折及90°黏結時的界面整體失效，介質間的不協調變形明顯加劇了沖擊載荷對錨固界面的張拉撕裂作用。

圖3 高頻沖擊下不同錨固角度試樣失穩破壞機理Fig.3 Instability damage mechanism of specimens with different anchorage angles under high-frequency impact

不同錨固界面試樣大都經歷了協同承載、裂隙萌生、損傷加劇及不協調變形等階段，介質抗壓強度與不協調變形是影響錨固界面破壞的關鍵因素。通過降低沖擊能量、提高介質強度、改善介質間協調變形能力可極大避免高頻低能沖擊下錨固界面漸進脫黏失效。

3 三軸動靜組合沖擊小型錨固結構累積損傷規律

為了還原錨固結構實際應力環境與累積損傷過程，設計了一種小型錨固結構三軸加載實驗裝置，該裝置可實現5 面約束、一面臨空的應力加載環境(兩面圍壓加載，兩面位移限制，一面動力加載，一面臨空)，更加符合錨固結構的實際工況。結合MTS 疲勞實驗機及聲發射系統開展三軸動靜組合沖擊下錨固結構累積損傷實驗(圖4(a))。工況包括不同錨固基體強度(10、15、20 MPa)、不同錨固方式(端頭錨固、加長錨固、全長錨固)、不同側壓強度(1、2、3 MPa)、不同加載速率(6、30、60 mm/min)以及不同錨固角度(90°、75°、60°、45°)5 種。試樣為100 mm×100 mm×100 mm立方體，錨固基體為水泥砂漿類巖石材料，錨桿為?6 mm 的304 不銹鋼螺桿，托盤為23 mm×23 mm×3 mm 的304 不銹鋼板材。實驗過程中首先將靜載壓力加載至50 kN 并保載60 s，加載速率為0.3 mm/min，然后施加循環動載沖擊，幅度為50 kN，每個梯度循環20 次，梯度循環結束后保載60 s，隨后進行下一輪循環動載沖擊，直至試樣破壞。

圖4 實驗裝置設備及不同工況錨固結構力學響應Fig.4 Experimental setup and mechanical response of anchoring structures under different working conditions

3.1 錨固結構力學響應

錨固結構峰值承載強度取自試驗機導出位移強度曲線的最高值。結果表明：錨固結構峰值承載強度與錨固基體強度、錨固長度以及側壓強度呈正相關，隨加載速率提高呈先增加后穩定的趨勢，錨固方向傾斜嚴重時承載性能下降明顯(圖4(b))。

結構切線模量的變化可以表征其彈塑性轉化狀態及損傷程度。在梯度循環加載各時間節點末對位移強度曲線作切線可獲取切線模量數值，切線模量大幅降低代表結構由彈性轉為塑性，負數則代表錨固結構已失效(圖4(c))。進一步通過應變數據統計單次動載沖擊前后錨固結構的變形量差值，可獲取單次沖擊下錨固結構變形量。單次沖擊變形量變化趨勢有漸次降低及逆勢上揚2 種，循環沖擊下錨固結構變形累積、內部損傷程度快速增長、承載性能降低，當承載性能下降到接近并低于動載沖擊上限時，單次沖擊變形量階段性持平后出現逆勢上揚，此時錨固結構已無法抵抗該強度沖擊動載，最終發生破壞(圖4(d))。因此錨固結構破壞失穩條件為位移強度曲線切線模量為負或循環沖擊過程中變形量持續逆勢上揚。

3.2 錨固結構損傷破裂機制

動靜組合沖擊作用下巖石內部裂隙發育張性擴展，形成對臨空面的法向驅動力Fj，端面約束及巖體晶格鏈接作用下，結構內部形成抗拉反力Fn，當Fn＞Fj時，錨固結構為壓縮狀態，當Fn＜Fj時，錨固結構為拉伸狀態。當靜載及動載強度逐漸增加，Fj＞Fn時圍巖開始萌生裂隙并進入漸進破壞狀態，循環沖擊作用下結構整體剛度持續降低，破壞程度加劇。結合聲發射損傷定位點發現，淺部裂隙發育隨著向結構內部延伸而逐漸減弱，在某一位置形成分界線，分界線以外至臨空面裂隙發育擴展逐漸劇烈，最終在臨空面出現明顯層裂剝離。因此需要及時施加外部主動支護與圍巖共同組成錨固結構，支護應力補償Fm與Fn相互疊加提高整體剛度，使承載區的抗剪阻滑強度大于循環沖擊時圍巖滑動擠出的驅動力，宏觀斷裂被限制，如圖5 所示。進一步可通過提升圍巖基體強度、增加錨固長度、改善錨固角度提高錨固結構承載區剛度，優化應力環境、減小動載強度降低錨固結構內部法向驅動力，避免錨固結構過早的進入塑性狀態，從而保障巷道圍巖整體穩定。

圖5 三軸動靜組合循環沖擊下錨固結構作用機制Fig.5 Effect mechanism of anchoring structures in stress path of triaxial dynamic-static combined cyclic loading

4 錨固結構預緊力損失及內部損傷演化

綜合考慮壓縮、拉伸及震蕩效應對錨固結構預緊力的影響，設計加工落錘式沖擊裝置，通過調整落錘質量并循環落下實現低能量高頻次沖擊，利用錨桿測力計、應變儀等設備，從預緊力、裂隙演化等方面闡明高頻低能沖擊下錨固結構動力學損傷特征。

錨固基體為水泥砂漿類巖石材料，錨桿為?22 mm螺紋鋼錨桿。工況設計為不同沖擊方向(軸向、側向)、不同錨固方式(端頭錨固、加長錨固、全長錨固)及不同沖擊能量(150、250、350 J)，試樣尺寸為200 mm×200 mm×400 mm (軸向壓縮沖擊)及200 mm×200 mm×600 mm (側向局部剪切沖擊)。初始預緊力25 kN 左右，當預緊力數值降低為0 時本輪沖擊過程結束，再次施加同等預緊力并沖擊，重復預緊過程中若錨固結構未達到指定預緊力便被直接拉脫，則判定錨固結構已基本喪失承載性能，試驗裝置及試樣如圖6 所示。

圖6 落錘沖擊實驗裝置及試樣Fig.6 Drop hammer impact test device and specimens

4.1 錨固結構預緊力損失

軸向壓縮沖擊下，錨固結構預緊力損失速度逐漸加快，不同工況錨固結構經歷2 輪或3 輪沖擊。以26 kN 預緊力全長錨固結構為例，其在250 J 能量軸向沖擊下共經歷3 輪沖擊過程，沖擊次數分別為21 次、15 次、6 次，通過對預緊力降低曲線進行擬合，發現其均符合三次方冪函數指數衰減(y=A+B1x+B2x2+B3x3)，震蕩作用為主導因素，如圖7(a)所示。錨固結構預緊力降低速度同沖擊能量呈正相關(圖7(b))，同錨固長度的增加呈負相關(圖7(c))。失效模式有錨固劑環撕裂、桿體/錨固劑界面脫黏、圍巖/錨固劑界面脫黏、錨固劑破碎導致的兩界面脫黏以及圍巖劈裂分離錨固界面未暴露等模式(為方便表達，圖7 中將端頭錨固、加長錨固及全長錨固分別用DM、JCM 及QCM 表示)。

圖7 高頻低能沖擊下錨固結構預緊力損失Fig.7 Loss of pretightening force of anchoring structure under high-frequency low-energy impact

側向局部剪切沖擊下錨固結構預緊力損失可分為震蕩下降段、緩慢下降段以及破壞下降段，存在明顯的累積突變效應。整體從震蕩效應向拉伸效應再向壓縮破壞效應逐漸演化，沖擊能量的增加及錨固長度的降低將使錨固結構快速進入破壞下降段，失去承載性能。失效模式中錨固劑碎裂現象較多，劈裂現象同樣顯著，以兩界面同時脫黏失效為主，150 J 側向沖擊24.6 kN 端頭錨固試樣預緊力損失曲線如圖7(d)所示。

4.2 不同錨固方式結構內部損傷演化

通過數值模擬分析不同錨固方式結構內部損傷演化發現，軸向沖擊載荷作用下錨固結構內部裂隙于外露端、錨固界面、錨固結構頂端同時萌生發育，并在高頻沖擊下相互牽引貫通，以張拉裂隙為主。加長錨固裂隙擴展受自由段鉆孔空間影響較大，最終裂隙貫通位置位于自由段與錨固段交界面，一側錨固界面裂隙完全發育以致脫黏失效(圖8(a))。全長錨固裂隙貫通位置位于錨固基體內部，錨固界面裂隙間斷式少量發育，最終裂隙貫通破壞時錨固界面仍大部保持完好(圖8(b))。

圖8 錨固結構內部裂隙演化及破壞模式Fig.8 Evolution and failure mode of internal cracks in anchoring structures

從試驗結果可以看出，減小沖擊能量、增加錨固長度可以降低高頻低能沖擊載荷下錨固結構承載性能衰減幅度與速度。數值模擬驗證了錨固長度增加使鉆孔自由空間減少，削弱了沖擊震蕩效應，調動了更大范圍巖體協同承載，保護了錨固界面，提升了錨固結構的抵抗沖擊動載能力。

4.3 高頻低能沖擊下錨固結構穩定控制

綜上所述，高頻低能沖擊載荷作用下，壓縮應力導致介質脆裂破壞，拉伸應力致使界面撕裂脫黏，震蕩效應引起預緊力損失，錨固結構長期處于鏈動損傷及漸進失效狀態，巷道安全維控難度增大?；趯嶒灲Y果，結合前人研究[29-31]，從能量控制、錨固創新、改性加固、預緊力維持及讓壓緩沖等5 個方面提出降能-高阻-讓壓的沖擊動載巷道控制準則。主要為：① 遠場卸壓降低沖擊能量及應變速率；② 近場基礎厚層全長錨固與連續化支護提升承載區剛度；③ 注漿改性加固增強錨固基體強度；④ 改善螺紋結構維持預緊力；⑤ 使用高阻讓壓結構提高支護系統韌性，以期為沖擊動載巷道穩定控制提供借鑒與指導。

5 結 論

(1)揭示了錨固結構內部沖擊應力傳遞轉化機制：建立了沖擊載荷下錨固結構三介質兩界面力學模型，沖擊載荷傳遞轉化的壓縮應力、拉伸應力及震蕩效應是造成錨固結構承載性能衰減的三大要素。

(2)得到了高頻低能沖擊下不同工況錨固結構力學響應特征：隨低能沖擊頻次增加，錨固介質動態抗壓強度逐漸降低，引起錨固界面不協調變形脫黏，承載性能降低，內部法向驅動力增強致使錨固結構淺部巖層層狀破裂剝離，整體處于累積損傷與漸進破壞狀態。

(3)闡明了高頻低能沖擊下錨固結構預緊力損失及內部損傷演化規律：軸向壓縮沖擊下錨固結構預緊力隨沖擊頻次增加呈三次方冪函數衰減，側向剪切沖擊下預緊力損失分為震蕩下降、拉伸增長、緩慢下降以及破壞下降等階段，裂隙演化與損傷存在明顯的累積突變效應，最終基于錨固結構漸進失效機理提出了降能-高阻-讓壓的沖擊動載巷道控制策略。