Исследование параметров анкер-инъекторных конструкций на физической модели

К.В. Кулинич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНКЕР-ИНЪЕКТОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Семинар № 3

ТЪ Шахтинском институте ЮР-

Х>ГТУ(НПИ) произведены экспериментальные исследования прочности закрепления анкер-инъекторов, используемых для упрочнения трещиноватых пород при строительстве подземных сооружений различного назначения [1, 2]. Разработанная конструкция трубчатого анкера позволяет использовать его первоначально как обычный распорный с точечным закреплением, а затем после интнсивных смещений пород в зоне закрепления заполнять полость шпура твердеющим раствором и превращать его в железобетонный с распределенным закреплением [3]. Для исследования взаимодействия анкер-инъекторов с вмещающими породами автором была разработана и смонтирована физическая модель.

Для изготовления анкер-инъекторов использованы стандартизированные материалы (трубы, анкерные стержни, гайки) заводского изготовления. Чтобы исключить влияние изменения свойств материалов на результаты эксперимента, было изготовлено по шесть моделей анкеров для каждого из трех диаметров труб (21,2 мм, 26,8 мм, 33,6 мм).

Постоянство угла образующей клина обеспечивалось их проточкой на токарном станке под углом 4°. Для обеспечения внедрения сегментов замка в породы смещение клина должно находится в пределах

35-60 мм. Поэтому длина прорези трубы принята 100 мм. Для проверки деформирования сегмента замка по образующей клина и достоверности принятого допущения о постоянстве угла наклона поверхности внедрения, проведены испытания замков анкеров.

Испытания поводились следующим образом. В разрезанную на глубину 100 мм трубу соответствующего диаметра, вводился центральный стержень с клином. На резьбовую часть его одевалась шайба и навинчивалась гайка, так чтобы отклонение половинок трубы не превышало 0,5 мм. К верхней и нижней плитам пресса ПГ 5 закреплялись треугольные призмы, на острия которых затем по меткам устанавливалась труба. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Если учитывать предварительные напряжения, связанные с раздвижкой половинок трубы клином центрального стержня на величину 3 мм (что соответствует глубине внедрения сегмента около 2 мм), то угол поворота при этом составит 2°40’. Это значение превышает максимально допустимое для стали Ст.3 (1°30’) почти в два раза, то есть даже без реакции отпора пород, сегменты замка будут деформироваться. Поэтому сложение предварительной деформации и деформаций за счет отпора пород обуславливает прижим сегмента замка при глубине внедрения до 1

Таблица 1

Деформирование сегментов замка анкер-инъекторов

Диаметр анкера ё1, мм Максимальная нагрузка до пластического течения Рт, кН Глубина внедрения сегмента замка, при которой начинается пластическое течение Д мм

21,3 8,21 1,40

26,8 12,40 1,15

33,5 18,20 0,92

Рис. 1. Экспериментальная установка

мм. Наиболее реальная глубина внедрения на практике составит 2,0-3,5 мм. Таким образом, правомерность принятого допущения о постоянстве угла внедрения сегмента замка доказана экспериментально.

Исследование прочности закрепления проводилось для трех типоразмеров анкеров в пяти породах с различными прочностными характеристиками и угле (антраците). Испытания проводились на каждой модели массива пород для наименьшего диаметра анкера, затем блок разбуривался до 26,8 мм и 33,6 мм с проведением соответствующих замеров на каждом анкере. Для исключения случайных значений опытных данных исследовалось по три образца каждой породы. Для экспериментальной проверки проведенных аналитических исследований разработана и изготовлена специальная установка для определения прочности закрепления замков анкеров с регулируемым сопротивлением (рис. 1).

Основой установки является рама 1 из двутавра № 24, на которой закрепляется траверса 2, гидравлическая стойка 3 и бетонный блок с образцами пород 4.

На левом конце траверса к нижней полке приварена трубка для оси 5, с помощью которой траверса крепится на раме. На правом конце также снизу закреплена опорная пята 6, через которую передается нагрузка от гидравлической стойки. На верхней полке траверсы приварена трубка 7, так чтобы соотношение плеч было 1:2. Эта трубка является направляющей оси, на которой закреплены тяги с захватным устройством 8 для передач нагрузки на анкер 9. Максимальное перемещение

тяг 20 мм. Угол отклонения тяг от оси анкера при этом не превышает 10’’ и поэтому практически не влияет на результаты измерений.

В гидростойке технический манометр заменен на образцовый 10 с максимальным давлением 16,0 МПа.

Для изготовления моделей массива наиболее удобным материалом является тяжелый бетон класса В35. Поэтому для исследований образцы пород замоноли-чивались в нижней и верхней частях бетонных блоков с размерами основания 300x300 мм и высотой 500 мм (рис. 2). Отверстия в блоке бурились через специальную направляющую, установленную на боковой стойке рамы, по ней же перемещалась подвижная тележка, на которой закреплялся электроперфоратор или электросверло, при этом блок устанавливался на специальную боковую площадку и прикреплялся к раме (рис. 3).

Рис 2. Бетонный блок с образцами пород Рис. 3.

Бурение осуществлялось в несколько проходов сверлами различного диаметра. Пробурив сквозное отверстие наименьшим сверлом, осуществлялся визуальный контроль отклонения отверстия. При небольших отклонениях, осуществлялась корректировка положения отверстия сверлом следующего диаметра, если же смещение превышало 8 мм от оси блока, он выбраковывался.

После бурения отверстия для анкера наименьшего диаметра 21,2 мм, для предотвращения разрыва образца при расклинивании замка блок стягивался специальным приспособлением. Для испытаний блок устанавливался на раме строго соосно оси тяги закреплялся хомутами. В процессе затяжки хомутов осуществлялся контроль соосности. Далее в отверстие вводился анкер и затяжкой гайки центрального стержня расклинивался замок.

Для исключения дополнительных погрешностей при определении глубины вдавливания полувтулок замка в образец породы (за счет деформаций резьбы стержня и гайки, самого стержня и клина), она определялась по перемещению клина при затягивании гайки на центральном стержне анкера. Контроль перемещений осуществлялся штангенциркулем с точностью до 0,1 мм, затем по углу образующей клина рассчитывалась глубина внедрения

Бурение отверстий под анкеры

замка в породу. Чтобы обеспечить точность измерений в верхней полке нижней балки рамы сверлилось отверстие, через которое шток штангенциркуля выдвигался до соприкосновения с поверхностью конусной воронки, высверленной в центре клина. Затем штангенциркуль закреплялся на стойке балки рамы. Крепление позволяло по мере перемещения клина перемещать шток и сам штангенциркуль.

Каждый блок мог испытываться многократно. После смещения анкера на 10-15 мм увеличивалась глубина внедрения замка в породу, и измерения повторялись. В случае разрушения породы или когда смещения анкера достигали 3/4 высоты образца, испытания прекращались, блок переворачивался на 180° и испытанию подвергался следующий образец. Затем отверстия в блоках рассверливались под следующий типоразмер анкера.

Каждое из значений фактической прочности закрепления определено по генеральной средней из трех - восьми замеров, число которых определялось исходя из заданной точности измерений 0,15 (отклонения от генеральной средней не должны превышать 15%), то есть после трех измерений проводилась статистическая оценка точности и если погрешность превышала заданную, то измерения продолжались.

Таблица 2

Результаты определения временного сопротивления пород

В результате первых экспериментов установлено, что нормальная сила, требующаяся для внедрения сегментов замка на заданную глубину значительно отличается от расчетной, если пользоваться пределом прочности при одноосном сжатии. Применение контактной прочности пород приводило к завышенным расчетным показателям по сравнению с фактическими. Поэтому были проведены исследования по определению прочности пород при вдавливании штампа со сферической поверхностью, то есть с конфигурацией поверхности близкой к конфигурации поверхности замков. По результатам испытаний составлена табл. 2, построен график зависимости временного сопротивления пород при вдавливании штампа осж от прочности пород на одноосное сжатие о (рис. 4).

Определение величины временного сопротивления пород осуществлялось со статистической оценкой точности измерений. То есть, устанавливалось предельное значение точности измерений равное 0,05, и опыты на каждом образце пород проводились до тех пор, пока точность не удовлетворяла заданному значению.

В результате аппроксимации приведенных в табл. 2 результатов исследований получено уравнение осж = 0,84 о1,16, которое использовалось для расчета усилия вдавливания сегментов замка на требуемую глубину.

Для определения величины силы закрепления использовался косвенный метод, измерение деформаций центрального стержня, которым осуществлялось вдавливание сегментов замка. Деформации стержня определялись по изменению сопротивления двух полумостов тензодат-чиков, наклеенных на стержень клеем ЕР 250. Каждый полумост состоял из четырех тензорезисторов марки КФ5П1-10-200В12А сопротивлением по 194 Ом с базой 10 мм, последовательно соединенных между собой (по два в каждом плече). Изменение сопротивления датчиков регист-ри-ровалось прибором ИИД-3. Усилия в стержнях определись по тарировочным

Предел прочности пород на одноосное сжатие, ст, МПа

300 -

250 -

200 -

150 -

100 -

50

10

20

30

40

Относительные деформации, е,10-4

графикам, которые были составлены для каждого стержня, путем их нагружения через два образцовых динамометра с предельной нагрузкой по 30 кН.

Анализируя результаты исследований, можно отметить, что отклонения фактической прочности закрепления от расчетной для всех пород, кроме песчаника, носят случайный характер и могут не учитываться при вычислениях. Однако при прочности пород более 50 МПа наблюдается систематическое снижение фактического сопротивления анкеров по сравнению с расчетным. Результаты расчетов, приведенные в [1, 2], показывают что в крепких породах, напряжения в элементах замка близки к пределу пропорциональности для стали Ст.3, а если учесть неравно-

Рис. 4. График зависимости временного сопротивления пород от их предела прочности на одноосное сжатие

Рис. 5. Взаимосвязь напряжений и деформаций в элементах замков анкер-инъекторов

мерность распределения нагрузки по площади контакта замка с породами и неидеальное соприкосновение его элементов между собой, то нелинейность деформирования проявится еще раньше. Для проверки этого положения и оценки достоверности проведенных исследований за пределами факторного пространства, выполнены дополнительные исследования по определению деформаций элементов замков на машине Р-50, результаты которых приведены в табл. 3 и на рис. 5.

Из рис. 5 видно, что интенсивные пластические деформации элементов замка начинаются при напряжениях 170^180 МПа, следовательно, при проектировании прочности закрепле-ния в породах с пределом прочности при одноосном сжатии более 60 МПа, по известным формулам сопротивления материалов, необходимо учитывать деформации замка. Для этого по графику определен модуль деформации участка пластического течения

Е = о1/е1 = 80/40-10-4 = 2-104 МПа.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Моделированием прочности закрепления анкер-инъекторов подтверждена высокая стабильность рабочей характеристики исследуемой конструкции замка анкера.

50

60

0

0

2. При значениях прочности пород от 17 до 86 МПа установлена прямо пропорциональная зависимость сопротивления анкера от прочностных характеристик пород и площади контакта с ними сегментов замка.

3. Многочисленными исследованиями (более 120 опытов и почти 800 измерений) подтверждена правомерность аналитических и аппроксимированных моделей расчета площади контакта со стенками шпура элементов замка, а также математической модели расчета несущей способности ан-кер-инъекторов (среднее значение отклонения фактического сопротивления от расчетного, даже за пределами факторного про-странства не превышает 10 %).

4. Наличие выступов на поверхности сегментов замка снижает сопротивление и ухудшает стабильность рабочей характе-

1. Кулинич К.В. Исследование и проектирование оптимальных параметров анкер-инъекторных конструкций в подземных сооружениях: Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. - 19 с.

2. Дмитриенко В.А., Кулинич К.В. Результаты исследований прочности закрепления клинораспорных податливых анкеров// Изв. Вузов. Сев.-

ристики анкер-инъектора. Множество наблюдений подтверждает относительно равномерное разрушение пород под замком анкера при отсутствии на его поверхности рифлений.

5. При прочности пород более 60 МПа и глубине внедрения более 1 мм, необходимо выполнять проверочный расчет напряжений в элементах замка, если они достигают значения 190-200 МПа, то требуется корректировка глубины внедрения на величину деформации сегментов замка.

6. При определении усилия требуемого для внедрения элементов замка на заданную глубину необходимо использовать временное сопротивление пород сжатию, которое находится в корреляционной зависимости от прочности пород на одноосное сжатие, и площадь вертикальной проекции сегментов вдавливания замка.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Кавк. регион. Техн. науки. - 2003. - Приложение №4. - С. 31 - 34.

3. Дмитриенко В.А., Кулинич К.В. Проектирование параметров податливого клинораспорного анкера// История становления и развития науки в Шах-тинском институте ЮРГТУ(НПИ): Сб. науч. тр./ Шахтинский институт ЮРГТУ - Новочеркасск, 2003. - С. 173-179.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Кулинич К.В. - кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», Шахтинский институт ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ).