原貴陽，高富強(qiáng)，婁金福，李建忠,3，王曉卿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

原巖應(yīng)力狀態(tài)的巖體由于受到巷道開挖的影響，在巷道表面形成塑性圈，塑性圈內(nèi)破碎巖體的易冒落特征嚴(yán)重制約巷道的安全可靠性。高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)在有效抑制圍巖變形的同時，由于其簡單的點(diǎn)支護(hù)特征導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)無法對巷道表面破碎圍巖進(jìn)行支護(hù)，金屬網(wǎng)作為錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要護(hù)表構(gòu)件，可將錨桿的點(diǎn)支護(hù)轉(zhuǎn)化為面支護(hù)，有效抑制破碎圍巖的冒落，確保巷道的安全可靠。護(hù)表構(gòu)件在發(fā)揮支護(hù)效應(yīng)的同時，自身受力極其復(fù)雜，破壞形式多種多樣，井下金屬網(wǎng)的變形破壞隨處可見，卻沒有引起足夠的重視，存在巨大的安全隱患。

鑒于金屬網(wǎng)變形破壞引發(fā)支護(hù)失效的嚴(yán)重問題，國內(nèi)外較多學(xué)者針對金屬網(wǎng)力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究工作。孫志勇等采用液壓千斤頂針對3種不同種類金屬網(wǎng)進(jìn)行垂直載荷測試，得到了3類金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下的載荷位移曲線，研究結(jié)果表明鋼筋網(wǎng)相比于其他兩類金屬網(wǎng)具有高強(qiáng)度及高剛度支護(hù)特征；原貴陽等分析了不同種類組合構(gòu)件對鋼筋網(wǎng)強(qiáng)度及剛度的加固作用，并提出邊界網(wǎng)絲的概念進(jìn)一步分析了組合構(gòu)件對鋼筋網(wǎng)的加固機(jī)理；葛鳳忠分析了金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小、網(wǎng)絲直徑對支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。國外以澳大利亞、加拿大及美國為代表的學(xué)者針對金屬網(wǎng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，ORTLEPP等對礦用鋼筋網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，研究結(jié)果表明鋼筋網(wǎng)的支護(hù)薄弱區(qū)為焊接部位，焊點(diǎn)開裂及焊熱影響區(qū)剪切破壞是造成鋼筋網(wǎng)支護(hù)效果急劇下降的主要原因。PAKALNIS和AMES研發(fā)了金屬網(wǎng)原位強(qiáng)度測試裝置，并分別針對鋼筋網(wǎng)與菱形網(wǎng)2種不同結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場原位強(qiáng)度測試，研究結(jié)果表明金屬網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度的主要因素，網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)包括焊接或鏈接方式，菱形網(wǎng)相比于鋼筋網(wǎng)具有更大的承載能力與變形位移；PLAYER等研究了不同加載角度對金屬網(wǎng)力學(xué)性能的作用規(guī)律，研究結(jié)果表明當(dāng)加載盤與金屬網(wǎng)成45°時，金屬網(wǎng)的承載能力大幅度提高，試驗(yàn)過程中鋼筋網(wǎng)的變形呈現(xiàn)出“邊界保持平行、頂角處扭曲變形”的變化趨勢；NEMCIK等通過對鋼筋網(wǎng)單一網(wǎng)格進(jìn)行單向拉伸測試，結(jié)果表明鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格在45°方向施加載荷時，網(wǎng)格的極限承載能力約為鋼筋網(wǎng)網(wǎng)絲抗拉強(qiáng)度的40%，當(dāng)鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格變形量達(dá)到極限變形量的60%時，焊點(diǎn)開始發(fā)生剪切破壞，焊點(diǎn)的破壞將嚴(yán)重制約鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格的承載能力；TIMOTHY等進(jìn)行了大尺度鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能測試，6個加載點(diǎn)同時加載模擬金屬網(wǎng)在圍巖載荷作用下出現(xiàn)的多點(diǎn)鼓包變形，研究結(jié)果表明鋼筋網(wǎng)在多點(diǎn)同時加載時，金屬網(wǎng)的承載能力明顯低于單個載荷加載，多點(diǎn)加載時鋼筋網(wǎng)的傳力機(jī)制與單點(diǎn)加載類似；DOLINAR測試了不同尺寸、不同材質(zhì)托盤條件下金屬網(wǎng)的力學(xué)性能差異，并研究了鋼筋網(wǎng)的屈服、失效機(jī)制，結(jié)果表明托盤面積大小、接觸面材質(zhì)等是影響金屬網(wǎng)支護(hù)剛度的重要構(gòu)件，位于托盤底部的網(wǎng)絲滑移是降低支護(hù)剛度的重要因素。

以上學(xué)者對金屬網(wǎng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究工作，所得成果對進(jìn)一步認(rèn)識金屬網(wǎng)支護(hù)作用起到了一定的推動作用。但是針對不同結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下曲線變化分析、傳力機(jī)制及應(yīng)用研究成果較少。為此筆者以錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)開發(fā)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地采用了一種“搭接加雙邊綁絲連接”的邊界固定方式對3類金屬網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，進(jìn)一步采用數(shù)值模擬及理論分析的方法得到了3類金屬網(wǎng)的應(yīng)力分布特征及傳力機(jī)制問題，并緊密圍繞研究成果針對3類金屬網(wǎng)分別提出了應(yīng)用建議，以期為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計中金屬網(wǎng)選型及安裝提供一定的參考。

1 金屬網(wǎng)分類及變形破壞特征

井下使用的金屬網(wǎng)主要包括鋼筋網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)3種類型，鋼筋網(wǎng)由冷拔鋼筋相互焊接而成，網(wǎng)孔強(qiáng)度及剛度較高，網(wǎng)絲直徑一般為6～8 mm，網(wǎng)孔邊長為100 mm；經(jīng)緯網(wǎng)由八號鐵絲互相編制而成，正交網(wǎng)絲接觸部位無約束作用，導(dǎo)致其在支護(hù)過程中相互正交的網(wǎng)絲容易產(chǎn)生滑動，網(wǎng)絲直徑一般為4 mm，網(wǎng)孔邊長為40～50 mm；菱形網(wǎng)由扁螺旋狀的網(wǎng)絲相互纏繞而成，網(wǎng)絲之間形成環(huán)扣連接，網(wǎng)絲直徑為4 mm，網(wǎng)孔為邊長50 mm的菱形結(jié)構(gòu)。

井下支護(hù)所用金屬網(wǎng)的破壞方式主要分為2類：強(qiáng)度失效和剛度失效，強(qiáng)度失效主要是指金屬網(wǎng)在上部破碎圍巖載荷作用下，因自身強(qiáng)度不足導(dǎo)致金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。井下較為典型的破壞方式主要分為網(wǎng)絲拉伸破壞、網(wǎng)絲剪切破壞及邊界綁絲破斷3類，金屬網(wǎng)強(qiáng)度失效破壞方式如圖1(a)所示；剛度失效是指支護(hù)所用的金屬網(wǎng)由于自身剛度不足，導(dǎo)致其在外部載荷作用下網(wǎng)絲發(fā)生大量的變形，但自身結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的破壞，致使金屬網(wǎng)在巷道空間內(nèi)產(chǎn)生較大的網(wǎng)兜變形，嚴(yán)重影響巷道空間的運(yùn)輸及通風(fēng)安全問題，人為判定為支護(hù)失效。金屬網(wǎng)典型的剛度失效方式如圖1(b)所示。

圖1 金屬網(wǎng)支護(hù)失效模式Fig.1 Failure mode of metal mesh support

2 金屬網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)

金屬網(wǎng)的強(qiáng)度及剛度是決定支護(hù)是否失效的重要指標(biāo)，為了明確金屬網(wǎng)在真實(shí)邊界條件下的力學(xué)性能，針對3類金屬網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

2.1 金屬網(wǎng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室測試

錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)靜載力學(xué)性能試驗(yàn)主機(jī)情況如圖2所示，其中法向油缸加載能力300 kN，油缸最大位移量550 mm，油缸底部分別布置壓力及位移傳感器，用于監(jiān)測載荷-位移曲線。新研發(fā)設(shè)備相比于原有的測試儀器，對測試金屬網(wǎng)的邊界固定系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。試驗(yàn)過程中共涉及到5張金屬網(wǎng)，包括1張測試金屬網(wǎng)、4張邊界金屬網(wǎng)，測試金屬網(wǎng)與邊界金屬網(wǎng)分別進(jìn)行搭接100 mm，并采用綁絲(14號鐵絲)進(jìn)行雙邊連接，邊界金屬網(wǎng)與試驗(yàn)機(jī)之間采用U型卡頭進(jìn)行固定連接，U型卡頭可在鉸接部位進(jìn)行小范圍旋轉(zhuǎn)，有效降低邊界應(yīng)力集中程度，邊界條件約束情況如圖3所示。

圖2 錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)靜載力學(xué)性能試驗(yàn)臺Fig.2 Static load mechanical performance test bench of metal mesh supported by bolt

圖3 金屬網(wǎng)邊界固定連接示意Fig.3 Schematic diagram of metal mesh boundary fixed connection

試驗(yàn)所用鋼筋網(wǎng)網(wǎng)絲直徑6 mm、網(wǎng)孔邊長100 mm，經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)網(wǎng)絲直徑4 mm，經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)孔邊長40 mm，菱形網(wǎng)網(wǎng)孔邊長50 mm。3組試驗(yàn)中測試金屬網(wǎng)尺寸均為1.2 m×1.2 m的方形試樣，四周與邊界金屬網(wǎng)搭接100 mm，采用綁絲(14號鐵絲)進(jìn)行雙邊孔孔相連，其中綁絲間距為100 mm。支護(hù)系統(tǒng)中錨桿間排距為1 000 mm，錨桿預(yù)緊力為80 kN。測試過程中，以10 mm/min的位移控制方式對金屬網(wǎng)進(jìn)行加載，加載面積為直徑300 mm的圓形區(qū)域。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及曲線分析

試驗(yàn)所得3類金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下的載荷-位移曲線如圖4所示，對曲線變化的分析是明確其受力特點(diǎn)的重要途經(jīng)。

圖4 3類金屬網(wǎng)載荷-位移曲線Fig.4 Load displacement curves of three kinds of metal mesh

不同結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下力學(xué)響應(yīng)特征差別較大。3類金屬網(wǎng)載荷-位移曲線以峰值載荷為分界線，可將曲線分為峰前區(qū)域與峰后區(qū)域。在峰前區(qū)域內(nèi)，3類曲線均呈現(xiàn)出下凹并逐漸增加的變化趨勢。峰后階段由于金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)不同幅度的上下波動。不同的破壞方式，曲線波動幅度及頻率也不一致，但總體上金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的載荷-位移曲線變化趨勢可分為以下3個階段：

(1)載荷傳遞階段。金屬網(wǎng)承載過程中，直接位于壓力盤下部的網(wǎng)絲最先受力，隨后載荷通過網(wǎng)絲、網(wǎng)絲節(jié)點(diǎn)、邊界連接部位逐漸向其他不受力網(wǎng)絲進(jìn)行傳遞。最初載荷僅由少數(shù)受力網(wǎng)絲向周邊傳遞，曲線上升速度較慢，隨著受力網(wǎng)絲數(shù)目逐漸增加，載荷傳遞速度逐漸加快，該階段內(nèi)曲線上升形態(tài)呈現(xiàn)出“下凹”的變化趨勢。

(2)網(wǎng)絲變形階段。當(dāng)金屬網(wǎng)所有網(wǎng)絲在水平方向上被張緊并受力之后，隨著上部載荷的持續(xù)施加，鋼筋網(wǎng)、菱形網(wǎng)的載荷-位移曲線呈現(xiàn)出近似直線的上升趨勢，經(jīng)緯網(wǎng)由于在此期間內(nèi)出現(xiàn)了網(wǎng)絲的相對滑移，曲線表現(xiàn)出小幅度的上下波動趨勢，但整體上升速度較為一致。

(3)結(jié)構(gòu)破壞階段。在經(jīng)歷過網(wǎng)絲變形階段之后，載荷達(dá)到金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的屈服載荷，并開始出現(xiàn)不同程度的破壞。金屬網(wǎng)每出現(xiàn)一次明顯的破壞，曲線都會呈現(xiàn)不同幅度的上下波動特征。破壞階段內(nèi)，曲線總體呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，其中菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的載荷-位移曲線降低幅度遠(yuǎn)高于鋼筋網(wǎng)及經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。

通過提取3類曲線中的峰值載荷、屈服載荷、綁絲破斷載荷及對應(yīng)位移量，統(tǒng)計結(jié)果見表1。其中屈服載荷是指金屬網(wǎng)首次發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞時對應(yīng)的承載能力，該值代表支護(hù)系統(tǒng)在未發(fā)生大規(guī)模結(jié)構(gòu)破壞的情況下能承受的最大載荷，用以評判支護(hù)系統(tǒng)在峰前區(qū)域內(nèi)的承載穩(wěn)定性。

表1 3種金屬網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

2.3 支護(hù)強(qiáng)度及破壞分析

由測試結(jié)果可知，3類金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下的峰值載荷分別為37.2，38.2，52.6 kN。其中鋼筋網(wǎng)與經(jīng)緯網(wǎng)峰值載荷相差不大，菱形網(wǎng)峰值載荷高于鋼筋網(wǎng)及經(jīng)緯網(wǎng)41.4%，37.7%。3類金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下主要由于錨桿固定位置處網(wǎng)絲破壞導(dǎo)致支護(hù)失效，其中鋼筋網(wǎng)及菱形網(wǎng)的網(wǎng)絲發(fā)生剪切破斷，經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)絲發(fā)生拉伸破斷。由此表明菱形網(wǎng)相比于其他2類金屬網(wǎng)具有高強(qiáng)度支護(hù)特征，且3類金屬網(wǎng)在支護(hù)過程中位于錨桿托盤位置處的網(wǎng)絲是主要的強(qiáng)度薄弱區(qū)，試驗(yàn)過程中3類金屬網(wǎng)的破壞失效方式如圖5所示。

圖5 金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)變形破壞Fig.5 Deformation and failure of metal mesh support system

井下金屬網(wǎng)的固定主要由錨桿及邊界綁絲連接強(qiáng)度決定，現(xiàn)場對錨桿施加高預(yù)緊力，通過托盤將金屬網(wǎng)緊壓于巷道頂板及兩幫。鋼筋網(wǎng)由于網(wǎng)孔較大，直接位于錨桿托盤下部的網(wǎng)絲數(shù)量較少，試驗(yàn)過程中，當(dāng)位于托盤下部的網(wǎng)絲發(fā)生破斷時，支護(hù)系統(tǒng)承載能力迅速下降。經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)網(wǎng)孔較小，直接位于托盤下部的網(wǎng)絲較多，可有效提高金屬網(wǎng)在托盤處的抗剪切能力以及抗滑移能力，充分發(fā)揮錨桿托盤的固定作用。文獻(xiàn)[15]中分析不同的托盤尺寸對鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明托盤尺寸越大(在本質(zhì)上也屬于直接位于托盤底部的網(wǎng)絲越多)，鋼筋網(wǎng)強(qiáng)度越高，測試數(shù)據(jù)可為本文分析內(nèi)容提供理論支撐。關(guān)于邊界綁絲連接，由表1數(shù)據(jù)可得，菱形網(wǎng)邊界綁絲破斷位移及破斷載荷遠(yuǎn)高于經(jīng)緯網(wǎng)及鋼筋形網(wǎng)，表明邊界綁絲對菱形網(wǎng)的約束能力更強(qiáng)；從金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)及金屬材料用量進(jìn)行分析，鋼筋網(wǎng)相比于經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑較粗、網(wǎng)孔較大，菱形網(wǎng)網(wǎng)孔較小，且具有一定的厚度，在相同面積金屬網(wǎng)前提下，菱形網(wǎng)金屬材料用量更高；菱形網(wǎng)特殊的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)及高柔性，使其在承載過程中受力更加均勻。當(dāng)上部圍巖變形產(chǎn)生載荷時，菱形網(wǎng)的高柔性使得支護(hù)系統(tǒng)對變形圍巖具有更好的包裹性，外部載荷可均勻地分配到每一根網(wǎng)絲上，更有利于發(fā)揮自身的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

以上內(nèi)容分別從錨桿托盤固定作用、邊界綁絲連接強(qiáng)度、金屬網(wǎng)材料用量及金屬網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)4方面闡述了菱形網(wǎng)具有高強(qiáng)度支護(hù)特征的原因。

2.4 支護(hù)剛度及變形分析

支護(hù)剛度是指金屬網(wǎng)在上部載荷作用下的抗變形能力，也是判別井下網(wǎng)兜變形量的重要指標(biāo)。為了便于分析，參考文獻(xiàn)[15]中金屬網(wǎng)支護(hù)剛度計算方法將其量化，支護(hù)剛度計算方法如圖6及式(1)所示，計算結(jié)果見表2。

圖6 金屬網(wǎng)剛度計算方法(改自文獻(xiàn)[15])Fig.6 Stiffness method of metal mesh(Modified from Reference[15])

=(-)(-)

(1)

式中，為金屬網(wǎng)的支護(hù)剛度；為金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的峰值載荷；為金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)20%峰值載荷；為金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)峰值載荷對應(yīng)位移量；為金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)20%峰值載荷對應(yīng)位移量。

表2 金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)剛度統(tǒng)計

若單獨(dú)從金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不考慮邊界搭接方式及水平張緊力對支護(hù)剛度的影響，3類金屬網(wǎng)支護(hù)剛度由高到低依次為鋼筋網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)、菱形網(wǎng)，該結(jié)論在文獻(xiàn)[19]中得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，但金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)剛度并不能代表井下金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度。通過實(shí)驗(yàn)室測試，認(rèn)為金屬網(wǎng)邊界搭接方式對支護(hù)系統(tǒng)的剛度影響較大。在經(jīng)緯網(wǎng)的搭接部位，由于縱向網(wǎng)絲與橫向網(wǎng)絲之間無連接關(guān)系，在綁絲未發(fā)生變形破斷的情況下，搭接區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絲隨著中心載荷的施加逐漸向中心區(qū)域聚集，最終形成一股由4～5根網(wǎng)絲組成的高柔性、高強(qiáng)度加固筋，該加固筋同時在水平及垂直方向上產(chǎn)生較大的位移，由此大幅度降低了經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度。經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在加載過程中，自身網(wǎng)絲不斷產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)一定幅度的上下振動現(xiàn)象，該特性也會大幅度降低經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度。菱形網(wǎng)在水平方向張緊的前提下(即網(wǎng)絲與網(wǎng)絲之間無明顯間隙)，由于邊界部位網(wǎng)絲相互鏈接以及孔孔相連的綁絲連接方式，有效約束了邊界網(wǎng)絲的位移量。因此在水平方向上施加足夠張緊力的前提下，菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的剛度高于經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。鋼筋網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)剛度較高，且網(wǎng)絲之間通過焊點(diǎn)連接，網(wǎng)絲及網(wǎng)孔抗變形能力顯著高于經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)；鋼筋網(wǎng)邊界約束部位剛度高、網(wǎng)孔難變形，在加載過程中邊界鋼筋在水平方向上位移量較小，因此鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)具有高剛度支護(hù)特征。

綜上所述，在同時考慮金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)與邊界連接強(qiáng)度的情況下，3種支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度依次為：鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)、菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)、經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。

3 金屬網(wǎng)應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

前文通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法得到3類金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下的力學(xué)性能，但限于監(jiān)測手段的欠缺，無法對其應(yīng)力分布特征進(jìn)行監(jiān)測，通過有限元分析軟件對金屬網(wǎng)進(jìn)行模擬計算，以期得到其應(yīng)力分布規(guī)律，為傳力機(jī)制理論分析提供基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)值模型材料參數(shù)

數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置中，金屬網(wǎng)及托盤等材料均設(shè)置為各向同性，彈性模量200 GPa，切線模量10 GPa，泊松比0.3，強(qiáng)度參數(shù)與Q235結(jié)構(gòu)鋼一致，屈服強(qiáng)度為235 MPa，其余模型幾何參數(shù)均與試驗(yàn)參數(shù)一致。采用非線性大變形靜態(tài)分析方法進(jìn)行計算，本構(gòu)模型選取為雙線性等強(qiáng)硬化彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則設(shè)置為Von Mises準(zhǔn)則。加載設(shè)置中，以中心直徑為300 mm的圓形區(qū)域?yàn)榧虞d區(qū)域，載荷分別施加于“梁”單元節(jié)點(diǎn)位置，加載能力設(shè)置為35 kN。

3.2 金屬網(wǎng)抗變形能力分析

圖7為3類金屬網(wǎng)在35 kN載荷作用下的位移云圖，由圖7可知，支護(hù)系統(tǒng)以加載區(qū)域?yàn)樽冃巫畲笾?，向四周擴(kuò)散過程中，位移值逐漸減小，在整體區(qū)域內(nèi)形成網(wǎng)兜狀變形。其中3類金屬網(wǎng)由于網(wǎng)絲直徑、網(wǎng)孔大小及形狀具有一定的差異，在相同載荷作用下表現(xiàn)出不同的變形量。由模擬結(jié)果可知，相同載荷作用下，最大變形量依次為經(jīng)緯網(wǎng)、菱形網(wǎng)及鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。

圖7 金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of metal mesh support system

3.3 “梁”單元應(yīng)力分析

數(shù)值模擬過程中，金屬網(wǎng)所用單元為“梁”單元，根據(jù)“梁”單元的軸向及徑向應(yīng)力分布特征可以得到金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在垂直載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律。以鋼筋網(wǎng)為例，將其應(yīng)力分布規(guī)律分別與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，數(shù)值模擬中鋼筋網(wǎng)以中心“十”字區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受軸向應(yīng)力對應(yīng)試驗(yàn)中邊界綁絲破斷首先從中心開始，并逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展延伸；徑向應(yīng)力分布規(guī)律中以錨桿托盤位置及加載邊緣部位受到剪切應(yīng)力集中，且加載中心與托盤之間的網(wǎng)格受到較為嚴(yán)重的水平扭曲作用，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性，兩者對比情況如圖8所示。

圖8 應(yīng)力分布規(guī)律與試驗(yàn)對比情況Fig.8 Stress distribution and test comparison

由圖9，10三類金屬網(wǎng)軸向及徑向應(yīng)力分布結(jié)果可知，鋼筋網(wǎng)及經(jīng)緯網(wǎng)由于數(shù)值模型較為類似，其主要以中心“十”字區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受較高的軸向應(yīng)力，以加載邊緣處及托盤固定位置承受較高的剪切作用，在加載區(qū)域與托盤固定位置之間的網(wǎng)絲受到一定量的剪切作用，試驗(yàn)中表現(xiàn)出輕微的水平扭曲變形。菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)由于網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)及形狀的不同，在垂直載荷作用下表現(xiàn)出不同的應(yīng)力分布規(guī)律，其主要以中心“X”字型區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受軸向應(yīng)力，以加載邊緣部位及邊界約束位置承受較高的剪切作用。

方案優(yōu)點(diǎn)：在10G GPON標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟商用的階段，采用的一種過渡的方案。GPON網(wǎng)絡(luò)下行有效帶寬為2250M；按照64的分光比，控制實(shí)際承載用戶數(shù)后，同等條件下用戶忙時平均帶寬能達(dá)到35M，足以滿足未來視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展需求；

圖9 網(wǎng)絲軸向應(yīng)力Fig.9 Axial stress of mesh

圖10 網(wǎng)絲徑向應(yīng)力Fig.10 Radial stress of mesh

4 理論分析

從金屬網(wǎng)載荷-位移曲線變化3個階段出發(fā)，以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，分析金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的傳力機(jī)制及受載變形趨勢，并分別提出了防止破壞失效的改進(jìn)建議。

4.1 金屬網(wǎng)傳力機(jī)制分析

在金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的載荷傳遞階段，壓力由受力網(wǎng)絲逐漸向其余網(wǎng)絲進(jìn)行傳遞，不同結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)，載荷傳遞方式差異較大。

鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在加載過程中，直接與壓力盤接觸的網(wǎng)絲為主要傳力鋼筋，外部載荷通過中心“十”字區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲進(jìn)行傳遞，當(dāng)傳遞到邊界綁絲約束部位時，邊界連接中心首先出現(xiàn)綁絲破斷，隨后沿著邊界中心部位開始向兩側(cè)進(jìn)行傳遞。在4個頂點(diǎn)處由于錨桿的固定作用，鋼筋網(wǎng)在施載壓力盤與錨桿之間的網(wǎng)格由矩形變?yōu)榱庑谓Y(jié)構(gòu)，表明此處的鋼筋網(wǎng)焊點(diǎn)受到了較大的扭曲剪切作用，而中心“十”字區(qū)域內(nèi)的鋼筋在邊界綁絲的約束作用下受到較大的拉伸作用。

經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)絲之間無約束作用，相互接觸呈正交狀態(tài)的橫向及縱向網(wǎng)絲可以相互沿著金屬表面進(jìn)行滑移。經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在承載過程中，錨桿托盤固定處及壓力盤邊緣位置為主要應(yīng)力集中部位。試驗(yàn)過程中，位于錨桿托盤固定處與壓力盤邊緣部位的網(wǎng)絲開始在外力作用下逐漸向中心區(qū)域滑移聚集，網(wǎng)絲聚集區(qū)域如圖11(b)所示。經(jīng)緯網(wǎng)中網(wǎng)絲聚集區(qū)域是整個金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)力降低區(qū)，表明經(jīng)緯網(wǎng)在加載過程中，網(wǎng)絲為了避免受到較大的應(yīng)力，會由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)滑移，最終造成網(wǎng)兜底部及錨桿固定位置處只有若干根網(wǎng)絲在單獨(dú)承載，這樣的受力狀態(tài)導(dǎo)致主要承受載荷的網(wǎng)絲極易發(fā)生拉伸破斷，其中某根網(wǎng)絲的破壞，對經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的承載性能影響較大，不利于經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮。

菱形網(wǎng)由螺旋狀網(wǎng)絲相互纏繞而成，在菱形網(wǎng)未被水平張緊的情況下，橫向剛度與縱向剛度差異較大。金屬網(wǎng)在橫向方向?yàn)閱我宦菪隣罹W(wǎng)絲結(jié)構(gòu)，縱向方向?yàn)榫W(wǎng)絲鉸接可錯動狀態(tài)，此時縱向剛度低于橫向剛度。將菱形網(wǎng)在水平方向上進(jìn)行張緊之后，縱向方向上的網(wǎng)絲鉸接可錯動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)接觸，由于四周錨桿的固定作用，使其在加載部位與錨桿固定區(qū)域之間的金屬網(wǎng)抗變形能力增強(qiáng)。在橫向方向，由于菱形網(wǎng)螺旋狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絲以及邊界綁絲連接的存在，使其在加載過程中首先出現(xiàn)螺旋狀網(wǎng)絲被拉直，其次邊界綁絲連接位置朝著變形區(qū)域產(chǎn)生一定量的水平位移。在縱向方向上，由于邊界連接部位具有較高的柔性，允許金屬網(wǎng)進(jìn)行一定量的變形，該變形量對載荷傳遞起到一定的阻礙作用。由此分析可得，菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)中載荷主要沿著中心“X”型區(qū)域進(jìn)行傳遞。該傳力方式分析結(jié)果與試驗(yàn)中菱形網(wǎng)橫向邊界綁絲破斷及“X”型區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絲的剪切破斷結(jié)果具有一致性。

3類金屬網(wǎng)的傳力機(jī)制如圖11，12所示。

圖11 金屬網(wǎng)傳力機(jī)制Fig.11 Force transmission mechanism of metal mesh

圖12 金屬網(wǎng)變形破壞對比Fig.12 Comparison of deformation and failure of metal mesh

4.2 金屬網(wǎng)受載變形分析

在網(wǎng)絲變形階段，3類金屬網(wǎng)均在外部載荷作用下產(chǎn)生較大的變形量，此階段內(nèi)金屬網(wǎng)的強(qiáng)度薄弱區(qū)是第3階段最容易發(fā)生破壞的位置。通過尋求金屬網(wǎng)的強(qiáng)度薄弱區(qū)及受力方式并進(jìn)行改進(jìn)可有效提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在不考慮金屬網(wǎng)網(wǎng)孔形狀及結(jié)構(gòu)的前提下，以單根網(wǎng)絲為對象建立金屬網(wǎng)在錨桿托盤固定作用下，中心受垂直載荷工況的力學(xué)模型如圖13所示。

圖13 網(wǎng)絲變形模型Fig.13 Mesh deformation model

在垂直于金屬網(wǎng)平面?zhèn)冗M(jìn)行觀測，其整體結(jié)構(gòu)如圖13所示，值得注意的是，直接位于托盤底部的網(wǎng)絲是固定其整體結(jié)構(gòu)的主要網(wǎng)絲，外部載荷作用下，隨著金屬網(wǎng)網(wǎng)兜結(jié)構(gòu)的形成，其直接位于托盤底部的網(wǎng)絲成為“Z”字形結(jié)構(gòu)，“Z”形結(jié)構(gòu)中間段為主要的拉伸變形段，而托盤及網(wǎng)兜底部由于具有較大的摩擦力，整體變形量較小。在拉伸段兩側(cè)，由于錨桿托盤及加載壓力盤的應(yīng)力集中效應(yīng)，此處產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的剪切作用，同時也容易發(fā)生破壞進(jìn)一步導(dǎo)致支護(hù)失效。實(shí)驗(yàn)室測試中發(fā)現(xiàn)，在這2處發(fā)生剪切破壞時，金屬網(wǎng)的承載能力將持續(xù)下降。

圖14 金屬網(wǎng)平面變形Fig.14 Plane deformation of metal mesh

由此可得，變形階段內(nèi)決定金屬網(wǎng)是否能有效支護(hù)的邊界網(wǎng)絲同時在垂直及水平方向上受到剪切作用以及扭曲作用。在水平方向上，綁絲的強(qiáng)度直接決定位于邊界網(wǎng)絲的扭曲程度，且該2處作用方式在應(yīng)力上均表現(xiàn)為剪切作用。

4.3 防止金屬網(wǎng)支護(hù)失效的改進(jìn)方法分析

金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)破壞階段內(nèi)曲線出現(xiàn)了較高幅度的上下波動現(xiàn)象，嚴(yán)重制約金屬網(wǎng)的支護(hù)性能。根據(jù)以上2個階段分析結(jié)果，分別從金屬網(wǎng)傳力機(jī)制及受載變形2個角度針對金屬網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了防止金屬網(wǎng)支護(hù)失效的改進(jìn)建議。

..鋼筋網(wǎng)局部綁絲加固優(yōu)化

鋼筋網(wǎng)相比于經(jīng)緯網(wǎng)及菱形網(wǎng)，由冷拔鋼筋通過焊點(diǎn)連接而成，網(wǎng)絲材料脆性較強(qiáng)，且抗剪切能力較差。文獻(xiàn)[20]中表明鋼筋網(wǎng)網(wǎng)絲的抗剪切能力為單向拉伸強(qiáng)度的50%左右，因此在使用鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)的過程中，要盡量避免鋼筋網(wǎng)出現(xiàn)剪切作用。從鋼筋網(wǎng)的“十”字型傳力機(jī)制出發(fā)，針對“十”字區(qū)域邊界進(jìn)行綁絲加固，鋼筋網(wǎng)在承載過程中，載荷沿著中心區(qū)域進(jìn)行傳遞，當(dāng)中心綁絲不產(chǎn)生明顯破壞的前提下，邊界網(wǎng)絲不會在水平方向上產(chǎn)生水平收縮，從而可有效避免鋼筋網(wǎng)邊界網(wǎng)絲的水平剪切作用，從而提高鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度。

..經(jīng)緯網(wǎng)節(jié)點(diǎn)約束防滑優(yōu)化

經(jīng)緯網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明經(jīng)緯網(wǎng)在支護(hù)過程中有以下2點(diǎn)弊端：① 經(jīng)緯網(wǎng)的網(wǎng)絲相互錯動是降低自身支護(hù)強(qiáng)度及剛度的重要原因；② 垂直載荷作用下網(wǎng)絲由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)滑移，最后導(dǎo)致網(wǎng)兜底部及托盤固定位置只由若干根網(wǎng)絲在單獨(dú)承載，這樣的承載方式極不利于經(jīng)緯網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的發(fā)揮。

因此抑制網(wǎng)絲的相互錯動是解決經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)效率低下的重要途徑。美國學(xué)者DALE曾于2016年使用過一種新型“打結(jié)”類金屬網(wǎng)，該類金屬網(wǎng)是在網(wǎng)絲節(jié)點(diǎn)處采用一種特殊的“打結(jié)”方式處理，其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖15所示。該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可使得金屬網(wǎng)在承載過程中網(wǎng)絲相互調(diào)整，并使得其支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)剛度提高幅度達(dá)到50%左右。因此，針對國內(nèi)常用的經(jīng)緯網(wǎng)，抑制網(wǎng)絲的自由錯動狀態(tài)是解決經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)效率低下的重要途徑。

圖15 新型金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.15 New metal mesh structure

..菱形網(wǎng)配套錨桿間排距優(yōu)化

根據(jù)菱形網(wǎng)的“X”字型傳力機(jī)制可用來優(yōu)化錨桿間排距，或根據(jù)現(xiàn)有的錨桿間排距選擇合適的菱形網(wǎng)網(wǎng)孔角度及邊長。

由菱形網(wǎng)數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果可知，菱形網(wǎng)以中心“X”字型區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受軸向應(yīng)力，且應(yīng)力傳遞也主要以中心“X”字形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲為主，表明在外部載荷作用下，菱形網(wǎng)以中心“X”字形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格整體承受拉伸作用?，F(xiàn)場的菱形網(wǎng)固定方式主要有托盤及邊界綁絲約束，若托盤布置在菱形網(wǎng)“X”字形區(qū)域之外，則菱形網(wǎng)在外部載荷作用下容易在“X”字形區(qū)域內(nèi)的綁絲發(fā)生破斷進(jìn)而造成支護(hù)失效。因此現(xiàn)場在使用菱形網(wǎng)的過程中，應(yīng)該按照菱形網(wǎng)網(wǎng)孔的邊長及角度，將托盤放置在“X”字形區(qū)域內(nèi)部，這樣可以更好的發(fā)揮托盤的固定作用，與菱形網(wǎng)相互匹配的錨桿間排距布置方式如圖16所示。實(shí)際情況中，由于菱形網(wǎng)特殊的傳力方式使其更容易發(fā)揮錨桿托盤的固定作用，因此菱形網(wǎng)相比于鋼筋網(wǎng)及經(jīng)緯網(wǎng)具有高強(qiáng)度支護(hù)特征。

圖16 錨桿間排距布置方式Fig.16 Arrangement of row spacing between anchors

5 討 論

現(xiàn)場情況中由于對金屬網(wǎng)上部施加載荷的方式不確定，導(dǎo)致金屬網(wǎng)上部由破碎圍巖自重加巖體大變形產(chǎn)生的載荷大小、載荷作用方向以及圍巖與金屬網(wǎng)界面的接觸方式3類重要機(jī)理問題仍然不清晰。本次試驗(yàn)中，以直徑為300 mm的圓盤模擬破碎圍巖，其兩者之間的接觸方式為平面結(jié)構(gòu)，是一種理想化的受力模型。實(shí)驗(yàn)室選取的接觸方式相比于現(xiàn)場，使得金屬網(wǎng)受力不均勻，且加載圓盤周邊的應(yīng)力集中更容易導(dǎo)致金屬網(wǎng)發(fā)生局部破壞進(jìn)一步造成支護(hù)失效。后期針對金屬網(wǎng)支護(hù)性能的研究主要可分為2個方面：① 通過數(shù)值模擬手段明確金屬網(wǎng)上部破碎圍巖產(chǎn)生載荷的大小及作用方式；② 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，以真實(shí)巖石代表外部載荷，通過還原圍巖與金屬網(wǎng)的接觸面解決金屬網(wǎng)的受力方式問題，以此補(bǔ)充完善金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)方面的系統(tǒng)研究。

6 結(jié) 論

(1)金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在垂直載荷作用下的載荷-位移曲線變化分為載荷傳遞階段、網(wǎng)絲變形階段及結(jié)構(gòu)破壞階段3部分。

(2)菱形網(wǎng)由于網(wǎng)孔較小，直接位于托盤下部的網(wǎng)絲較多，且因其自身特有的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度支護(hù)特征；鋼筋網(wǎng)由于網(wǎng)絲剛度較高，且網(wǎng)格抗變形能力較強(qiáng)，具有高剛度支護(hù)特征；經(jīng)緯網(wǎng)在外部載荷作用下的網(wǎng)絲相互錯動特征降低了經(jīng)緯網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度及剛度。

(3)數(shù)值模擬研究表明鋼筋網(wǎng)以及經(jīng)緯網(wǎng)以中心“十”字型區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受軸向應(yīng)力，菱形網(wǎng)以中心“X”字型區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絲承受軸向應(yīng)力。

(4)鋼筋網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)在承載過程中呈現(xiàn)出中心“十”字型傳力方式，菱形網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)呈現(xiàn)出中心“X”字型傳力方式，經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)絲在外部載荷作用下由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)滑移。

(5)直接決定金屬網(wǎng)支護(hù)作用的邊界網(wǎng)絲，在垂直及水平方向上分別受到剪切及水平扭曲作用，且綁絲強(qiáng)度對邊界網(wǎng)絲的水平扭曲作用影響較大。

(6)3類金屬網(wǎng)是否能進(jìn)行有效支護(hù)，應(yīng)圍繞傳力機(jī)制問題分別進(jìn)行局部綁絲加固、節(jié)點(diǎn)約束防滑及配套錨桿間排距優(yōu)化3種加固措施，以此來提高支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)穩(wěn)定性。