CN102603240A - 一种抵抗动载的岩柱加固方法 - Google Patents
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Abstract
一种抵抗动载的岩柱加固方法，包括下述步骤，首先取水泥、砂子、石头、水、纤维混合搅拌，得到纤维搅拌混凝土；然后，将纤维搅拌混凝土，垂直于岩柱表面均匀喷射附着至岩柱并固化。喷层可以充分吸收爆破、地震、机械振动等的动载能量，使岩柱免受动载损伤；且喷层中的纤维成份使喷层具有较大的抗拉强度，抵抗动载应力波在岩柱表面形成的拉伸应力和岩柱膨胀变形造成的横向张力，在强度上起到围护加固作用。本发明施工工艺简单、制备的岩柱加固结构能有效吸收动载能量，是一种能在动载环境下降低岩柱内部损伤，避免岩柱表面的动力剥蚀，同时通过增大岩柱围压，遏止内部损伤演化。适于使用在动载环境下的硐室工程、采矿工程中岩柱的加固。
Description
技术领域
本发明涉及一种抵抗动载的岩柱加固方法，特别是用于爆破等动载环境下岩柱抵抗动力损伤和表面剥蚀的加固方法。属于采矿技术领域。
技术背景
在地下大型硐室工程、采矿工程中，为保证开挖空间周围岩石的安全稳定，常常在开挖空间预留各式各样的岩(矿)柱支撑上部岩层。这些岩(矿)柱通常在设计初期能够很好地满足支撑需要，但随着使用年限增加，岩柱中的裂纹不断扩展，出现开裂、表面剥落现象。特别是当岩柱处于爆破、循环活载环境时，这种剥落更加迅速和严重。究其原因，岩体是一种内部布满微裂纹、微空隙的缺陷介质，抗拉强度只有抗压强度的1/10-1/8，而且对动载应力波十分敏感。当受到爆破、地震及机械振动等动载作用时，动载应力波将促使岩柱内部缺陷继续扩展，导致岩柱内部损伤不断增大；同时动载应力波将在岩柱的表面反射产生拉伸应力，导致岩柱外表出现剥蚀。在内部损伤和外表剥蚀的共同作用下，岩柱承载能力不断下降，严重影响其支撑效果。
而现有岩柱设计都是基于弹性静力学强度理论设计，缺少对动载荷动力效应的合理考虑，也没有相应的防护与加固措施。如“一种残采矿山矿柱加固方法”(中国国家发明专利，申请号：201010263789.1，公开号：CN101943008A)中用混凝土或钢筋混凝土对矿山残柱进行加固，这是一种典型的基于静力学理论的加固方法，钢筋混凝土属于刚性材料，主要起到强度补强作用；而且由于大量使用钢筋，成本较高。另外，在一些矿山工程实践中，有在岩(矿)柱周围投放充填体来支撑岩层的做法，(如曹国荣，“合理利用矿山井下充填加强地表开采保护”，《黄金科学技术》，2005，13(6)：27-34；秦帅，余一松，樊忠华，单强，“充填体与预留原岩矿柱相互作用机理研究”，《采矿技术》，2011，11(4)：28-31)，这种做法也是通过侧限围护来增加岩(矿)柱的支撑强度，这种方法中充填体通常填满岩(矿)柱周围的所有空间，它在增强岩(矿)柱强度的同时，实际上改变了岩(矿)柱原有的空间状态，这对于需要利用岩柱周围空间的情况是不适用的。可见，目前的岩柱加固主要基于静力学强度理论，加固部分对岩柱主要起到围护补强作用，尚没有专门针对动载作用的岩柱防护和加固方法。含纤维成份的喷射混凝土具有韧性强、可抵制动载等特点，非常适合于动载环境下的岩柱加固。
发明内容
本发明目的是基于动载下岩柱的动力学响应和破坏机理提出一种可抵抗动载的岩柱加固方法。该方法施工工艺简单，加固结构能有效吸收动载能量、避免岩柱表面的动力剥蚀，同时可以增大岩柱围压，遏止岩柱内部损伤演化，最终起到增强岩柱承载能力、延长岩柱服务年限的作用。
为实现上述目的，本发明一种抵抗动载的岩柱加固方法，包括下述步骤：
第一步：配料
取水泥、砂子、石头、水、纤维混合搅拌，得到纤维搅拌混凝土；所述纤维直径为0.3-1.0mm，长10-50mm；所述纤维搅拌混凝土中纤维体积率0.5-1.5，水灰比0.35-0.5；
第二步：喷层施工
将第一步所得纤维搅拌混凝土，垂直于岩柱表面均匀喷射附着至岩柱、固化；喷层厚度为20-150mm或岩柱横断面表观尺寸的0.01-0.1。
本发明一种抵抗动载的岩柱加固方法中，所述水泥与砂石的重量比为1∶(3.0-4.5)，所述砂石选用粒径为2-10mm的粗砂或碎石。
本发明一种抵抗动载的岩柱加固方法中，所述岩柱横截面形状为圆形、矩形、正多边形、椭圆形中的一种。
本发明一种抵抗动载的岩柱加固方法中，所述纤维选自钢纤维、植物纤维、聚酯纤维中的一种。
本发明一种抵抗动载的岩柱加固方法中，喷层施工前，用高压水或高压气流清除岩柱外表的松散体或附着物，为喷层创造良好粘结条件。
本发明由于采用上述工艺方法，在岩柱表面施作一层纤维混凝土喷层加固，主要特点在于：1、通过喷层吸收动载能量，消弱岩柱表面的动载拉应力，防止岩柱发生表面剥蚀；2、通过喷层的围护效应，给岩柱提供围压，增强其承载能力。其机理简述于下：
参见附图1，当动载作用于岩柱时，应力波在其表面形成拉伸应力波，如果没有强韧性纤维喷层，拉伸应力波将直接作用于岩柱，并引起表面剥落；但当岩柱表面存在喷层时，应力波将被喷层吸收，由于喷层中具有纤维成份，韧性和抗拉强度都很高，不至于被轻易拉坏，因而起到了吸收动载能量和抵抗动力剥蚀的双重作用。同时，如图2所示，岩柱在外载作用下发生轴向压缩、侧向膨胀，具有强韧性和高抗拉强度的纤维混凝土又起到了变形约束效果，即对岩柱起到围护增强作用。本发明施工时，利用高压气泵将搅拌好的纤维混凝土喷射至原结构构件表面，无须支外模施作钢筋等结构，施工工艺简单；用高压水或高压气流清除岩柱外表的松散体或附着物，为喷层创造良好粘结条件，喷射后的混凝土与原结构构件结合性好，可保证它们协同受力，具有适应性强、不改变原结构构件形态等优点。在喷射混凝土中加入各类纤维成份后，更增加其韧性和吸能特性，可有效抵制各类动载作用，有效遏止岩柱的内部损伤和表面剥蚀。
综上所述，本发明施工工艺简单、制备的岩柱加固结构能有效吸收动载能量，是一种能在动载环境下降低岩柱内部损伤，避免岩柱表面的动力剥蚀，同时通过增大岩柱围压，遏止内部损伤演化，最终起到增强岩柱承载能力、延长岩柱服务年限的作用。适于使用在动载环境下的硐室工程、采矿工程中岩柱的加固。
附图说明
附图1为动载下岩柱喷层加固与作用机理示意图；
附图2喷层微裂缝中纤维抗拉作用示意图；
附图3不同加固方法下大理岩岩柱表面质点速度；
附图4不同厚度钢纤维喷层下的花岗岩柱强度特征；
附图1、2中：
1-岩柱 2-喷层 3-纤维
4-拉伸应力波 5-纤维持力 6-岩柱膨胀变形张力
附图3中：
曲线7为爆破作用下，无加固措施岩柱表面测点的质点速度；
曲线8为爆破作用下，用钢筋混凝土加固措施岩柱表面测点的质点速度；
曲线9为爆破作用下，用本发明方法加固措施岩柱表面测点的质点速度；
附图4中：
曲线10、11、12、13分别对应纤维长10mm、25mm、40mm、50mm的纤维混凝土加固后的岩柱结果动态冲击强度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步说明：
实例1：
对同一采矿场的3个直径为4m，高8m的大理岩岩(矿)柱，一个不做任何加固，一个用钢筋混凝土加固，一个用本发明提出的喷射纤维混凝土加固，当上部采场爆破作业时，监测3个矿柱表面质点速度和破坏情况，比较不同方法的加固效果。
在钢筋混凝土加固中，用Φ2.5的钢筋以400mm×400mm的网状间距焊牢后用素混凝土抹面，厚度30mm。混凝土中：水泥为普通水泥，强度等级32.5MPa；水泥∶砂石＝1∶4；砂石粒径控制在3-10mm范围；水灰比0.4。
在用本发明方法施工中，将纤维搅拌混凝土垂直于岩柱表面均匀喷射附着至岩柱，厚度30mm。钢纤维混凝土中：水泥为普通水泥，强度等级32.5MPa；水泥∶砂石＝1∶4；砂石粒径控制在3-10mm范围；纤维选用粗1mm、长10-25mm的钢纤维；纤维体积率0.8；水灰比0.4。
图3为三种情况下的监测结果，可以看到，爆破作用下，无加固措施岩柱表面测点的质点速度(图3中曲线7)和用钢筋混凝土加固岩柱的表面测点的质点速度(图3中曲线8)达到峰值后保持不变，表明岩柱表面发生了剥落。而用本发明方法加固的岩柱，其表面质点速度(图3中曲线9)增大后又很快恢复到平衡位置，即吸收了动载能量且没有发生破坏。
以上对比显示了本发明方法在抵抗动载上的显著力学效果，同时，本发明方法还省去了钢筋混凝土加固方法中铺设钢筋网这一工序，施工简单易行。
实例2：
花岗岩柱在纤维喷射混凝土加固后的动态冲击特性。
对一组Φ100mm×100mm的花岗岩柱，分别在表面施加厚度0mm、5mm、10mm的纤维混凝土(两种喷层厚度相当于岩柱横断面表观尺寸的0.05和0.1)。纤维混凝土中：水泥为普通水泥，强度等级32.5MPa；水泥∶砂石＝1∶3；砂石选用粒径小于3mm的细砂；纤维选用粗0.3mm、长10mm、25mm、40mm、50mm的植物纤维；纤维体积率0.5；水灰比0.35。对用不同纤维混凝土处理后的岩柱进行动态冲击实验，图4为所得的岩柱动态强度结果，曲线10、11、12、13分别对应纤维长10mm、25mm、40mm、50mm的纤维混凝土加固后的岩柱结果。
可以看出，花岗岩柱经过纤维混凝土加固后的动态强度比没有加固时大大提高，在喷层厚度为5mm(相当于岩柱半径的0.05)时，动载强度提高了(30-40)％，；喷层厚度为10mm(相当于岩柱半径的0.1)时，动载强度提高了(50-60)％；纤维长度对加固效果有一定影响，但没有喷层厚度影响明显。
以上内容是结合实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (5)
1.一种抵抗动载的岩柱加固方法，包括下述步骤：
第一步：配料
取水泥、砂子、石头、水、纤维混合搅拌，得到纤维搅拌混凝土；所述纤维直径为0.3-1.0mm，长10-50mm；所述纤维搅拌混凝土中纤维体积率0.5-1.5，水灰比0.35-0.5；
第二步：喷层施工
将第一步所得纤维搅拌混凝土，垂直于岩柱表面均匀喷射附着至岩柱并固化；喷层厚度为20-150mm或岩柱横断面表观尺寸的0.01-0.1。
2.根据权利要求1所述的一种抵抗动载的岩柱加固方法，其特征在于：所述水泥与砂石的重量比为1∶(3.0-4.5)，所述砂石选用粒径为2-10mm的粗砂或碎石。
3.根据权利要求2所述的一种抵抗动载的岩柱加固方法，其特征在于：所述岩柱横截面形状为圆形、矩形、正多边形、椭圆形中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种抵抗动载的岩柱加固方法，其特征在于：所述纤维选自钢纤维、植物纤维、聚酯纤维中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种抵抗动载的岩柱加固方法，其特征在于：喷层施工前，用高压水或高压气流清除岩柱外表的松散体或附着物。
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