專(zhuān)利名稱(chēng)：一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法，特別是用于爆破等動(dòng)載環(huán)境下巖柱抵抗動(dòng)力損傷和表面剝蝕的加固方法。屬于采礦技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在地下大型硐室工程、采礦工程中，為保證開(kāi)挖空間周?chē)鷰r石的安全穩(wěn)定，常常在開(kāi)挖空間預(yù)留各式各樣的巖(礦)柱支撐上部巖層。這些巖(礦)柱通常在設(shè)計(jì)初期能夠很好地滿足支撐需要，但隨著使用年限增加，巖柱中的裂紋不斷擴(kuò)展，出現(xiàn)開(kāi)裂、表面剝落現(xiàn)象。特別是當(dāng)巖柱處于爆破、循環(huán)活載環(huán)境時(shí)，這種剝落更加迅速和嚴(yán)重。究其原因，巖體是一種內(nèi)部布滿微裂紋、微空隙的缺陷介質(zhì)，抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10-1/8，而且對(duì)動(dòng)載應(yīng)力波十分敏感。當(dāng)受到爆破、地震及機(jī)械振動(dòng)等動(dòng)載作用時(shí)，動(dòng)載應(yīng)力波將促使巖柱內(nèi)部缺陷繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致巖柱內(nèi)部損傷不斷增大；同時(shí)動(dòng)載應(yīng)力波將在巖柱的表面反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致巖柱外表出現(xiàn)剝蝕。在內(nèi)部損傷和外表剝蝕的共同作用下，巖柱承載能力不斷下降，嚴(yán)重影響其支撐效果。而現(xiàn)有巖柱設(shè)計(jì)都是基于彈性靜力學(xué)強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)，缺少對(duì)動(dòng)載荷動(dòng)力效應(yīng)的合理考慮，也沒(méi)有相應(yīng)的防護(hù)與加固措施。如“一種殘采礦山礦柱加固方法”(中國(guó)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01010263789. 1，公開(kāi)號(hào)CN101943008A)中用混凝土或鋼筋混凝土對(duì)礦山殘柱進(jìn)行加固，這是一種典型的基于靜力學(xué)理論的加固方法，鋼筋混凝土屬于剛性材料，主要起到強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)作用；而且由于大量使用鋼筋，成本較高。另外，在一些礦山工程實(shí)踐中，有在巖(礦)柱周?chē)斗懦涮铙w來(lái)支撐巖層的做法，(如曹?chē)?guó)榮，“合理利用礦山井下充填加強(qiáng)地表開(kāi)采保護(hù)”，《黃金科學(xué)技術(shù)》，2005，13 (6) 27-34 ;秦帥，余一松，樊忠華，單強(qiáng)，“充填體與預(yù)留原巖礦柱相互作用機(jī)理研究”，《采礦技術(shù)》，2011，11 (4) :28-31)，這種做法也是通過(guò)側(cè)限圍護(hù)來(lái)增加巖(礦)柱的支撐強(qiáng)度，這種方法中充填體通常填滿巖(礦)柱周?chē)乃锌臻g，它在增強(qiáng)巖(礦)柱強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)際上改變了巖(礦)柱原有的空間狀態(tài)，這對(duì)于需要利用巖柱周?chē)臻g的情況是不適用的?？梢?jiàn)，目前的巖柱加固主要基于靜力學(xué)強(qiáng)度理論，加固部分對(duì)巖柱主要起到圍護(hù)補(bǔ)強(qiáng)作用，尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)動(dòng)載作用的巖柱防護(hù)和加固方法。含纖維成份的噴射混凝土具有韌性強(qiáng)、可抵制動(dòng)載等特點(diǎn)，非常適合于動(dòng)載環(huán)境下的巖柱加固。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是基于動(dòng)載下巖柱的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)理提出一種可抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法。該方法施工工藝簡(jiǎn)單，加固結(jié)構(gòu)能有效吸收動(dòng)載能量、避免巖柱表面的動(dòng)力剝蝕，同時(shí)可以增大巖柱圍壓，遏止巖柱內(nèi)部損傷演化，最終起到增強(qiáng)巖柱承載能力、延長(zhǎng)巖柱服務(wù)年限的作用。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法，包括下述步驟第一步配料
取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土 ；所述纖維直徑為
0.3-1. Omm,長(zhǎng)10_50mm ;所述纖維攪拌混凝土中纖維體積率0. 5-1. 5,水灰比0. 35-0. 5 ；第二步噴層施工將第一步所得纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱、固化；噴層厚度為20-150mm或巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 01-0. I。本發(fā)明一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法中，所述水泥與砂石的重量比為 I (3.0-4. 5)，所述砂石選用粒徑為2-10mm的粗砂或碎石。本發(fā)明一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法中，所述巖柱橫截面形狀為圓形、矩形、正多邊形、橢圓形中的一種。本發(fā)明一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法中，所述纖維選自鋼纖維、植物纖維、聚酯纖維中的一種。本發(fā)明一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法中，噴層施工前，用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物，為噴層創(chuàng)造良好粘結(jié)條件。本發(fā)明由于采用上述工藝方法，在巖柱表面施作一層纖維混凝土噴層加固，主要特點(diǎn)在于1、通過(guò)噴層吸收動(dòng)載能量，消弱巖柱表面的動(dòng)載拉應(yīng)力，防止巖柱發(fā)生表面剝蝕；2、通過(guò)噴層的圍護(hù)效應(yīng)，給巖柱提供圍壓，增強(qiáng)其承載能力。其機(jī)理簡(jiǎn)述于下參見(jiàn)附圖1，當(dāng)動(dòng)載作用于巖柱時(shí)，應(yīng)力波在其表面形成拉伸應(yīng)力波，如果沒(méi)有強(qiáng)韌性纖維噴層，拉伸應(yīng)力波將直接作用于巖柱，并引起表面剝落；但當(dāng)巖柱表面存在噴層時(shí)，應(yīng)力波將被噴層吸收，由于噴層中具有纖維成份，韌性和抗拉強(qiáng)度都很高，不至于被輕易拉壞，因而起到了吸收動(dòng)載能量和抵抗動(dòng)力剝蝕的雙重作用。同時(shí)，如圖2所示，巖柱在外載作用下發(fā)生軸向壓縮、側(cè)向膨脹，具有強(qiáng)韌性和高抗拉強(qiáng)度的纖維混凝土又起到了變形約束效果，即對(duì)巖柱起到圍護(hù)增強(qiáng)作用。本發(fā)明施工時(shí)，利用高壓氣泵將攪拌好的纖維混凝土噴射至原結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，無(wú)須支外模施作鋼筋等結(jié)構(gòu)，施工工藝簡(jiǎn)單；用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物，為噴層創(chuàng)造良好粘結(jié)條件，噴射后的混凝土與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)合性好，可保證它們協(xié)同受力，具有適應(yīng)性強(qiáng)、不改變?cè)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件形態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。在噴射混凝土中加入各類(lèi)纖維成份后，更增加其韌性和吸能特性，可有效抵制各類(lèi)動(dòng)載作用， 有效遏止巖柱的內(nèi)部損傷和表面剝蝕。綜上所述，本發(fā)明施工工藝簡(jiǎn)單、制備的巖柱加固結(jié)構(gòu)能有效吸收動(dòng)載能量，是一種能在動(dòng)載環(huán)境下降低巖柱內(nèi)部損傷，避免巖柱表面的動(dòng)力剝蝕，同時(shí)通過(guò)增大巖柱圍壓， 遏止內(nèi)部損傷演化，最終起到增強(qiáng)巖柱承載能力、延長(zhǎng)巖柱服務(wù)年限的作用。適于使用在動(dòng)載環(huán)境下的硐室工程、采礦工程中巖柱的加固。


附圖I為動(dòng)載下巖柱噴層加固與作用機(jī)理不意圖；附圖2噴層微裂縫中纖維抗拉作用示意圖；附圖3不同加固方法下大理巖巖柱表面質(zhì)點(diǎn)速度；附圖4不同厚度鋼纖維噴層下的花崗巖柱強(qiáng)度特征；附圖1、2 中I-巖柱2-噴層3-纖維
4-拉伸應(yīng)力波5-纖維持力 6-巖柱膨脹變形張力附圖3中曲線7為爆破作用下，無(wú)加固措施巖柱表面測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度；曲線8為爆破作用下，用鋼筋混凝土加固措施巖柱表面測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度；曲線9為爆破作用下，用本發(fā)明方法加固措施巖柱表面測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度；附圖4中曲線10、11、12、13分別對(duì)應(yīng)纖維長(zhǎng)10mm、25mm、40mm、50mm的纖維混凝土加固后的
巖柱結(jié)果動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)例I 對(duì)同一采礦場(chǎng)的3個(gè)直徑為4m，高8m的大理巖巖(礦)柱，一個(gè)不做任何加固，一個(gè)用鋼筋混凝土加固，一個(gè)用本發(fā)明提出的噴射纖維混凝土加固，當(dāng)上部采場(chǎng)爆破作業(yè)時(shí)， 監(jiān)測(cè)3個(gè)礦柱表面質(zhì)點(diǎn)速度和破壞情況，比較不同方法的加固效果。在鋼筋混凝土加固中，用02. 5的鋼筋以400mmX400mm的網(wǎng)狀間距焊牢后用素混凝土抹面，厚度30mm?；炷林兴酁槠胀ㄋ?，強(qiáng)度等級(jí)32. 5MPa ;水泥砂石=1:4; 砂石粒徑控制在3-10mm范圍；水灰比0. 4。在用本發(fā)明方法施工中，將纖維攪拌混凝土垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱，厚度30mm。鋼纖維混凝土中水泥為普通水泥，強(qiáng)度等級(jí)32. 5MPa ;水泥砂石=1:4; 砂石粒徑控制在3-10mm范圍；纖維選用粗1mm、長(zhǎng)10_25mm的鋼纖維；纖維體積率0. 8 ；/jC 灰比0. 4。圖3為三種情況下的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看到，爆破作用下，無(wú)加固措施巖柱表面測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度(圖3中曲線7)和用鋼筋混凝土加固巖柱的表面測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度(圖3中曲線8)達(dá)到峰值后保持不變，表明巖柱表面發(fā)生了剝落。而用本發(fā)明方法加固的巖柱，其表面質(zhì)點(diǎn)速度(圖3中曲線9)增大后又很快恢復(fù)到平衡位置，即吸收了動(dòng)載能量且沒(méi)有發(fā)生破壞。以上對(duì)比顯示了本發(fā)明方法在抵抗動(dòng)載上的顯著力學(xué)效果，同時(shí)，本發(fā)明方法還省去了鋼筋混凝土加固方法中鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)這一工序，施工簡(jiǎn)單易行。實(shí)例2 花崗巖柱在纖維噴射混凝土加固后的動(dòng)態(tài)沖擊特性。對(duì)一組OlOOmmXlOOmm的花崗巖柱，分別在表面施加厚度0mm、5mm、10mm的纖維混凝土(兩種噴層厚度相當(dāng)于巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 05和0. I)。纖維混凝土中水泥為普通水泥，強(qiáng)度等級(jí)32. 5MPa ;水泥砂石=I 3 ;砂石選用粒徑小于3mm的細(xì)砂；纖維選用粗0. 3mm、長(zhǎng)10mm、25mm、40mm、50mm的植物纖維；纖維體積率0. 5 ;水灰比0. 35。對(duì)用不同纖維混凝土處理后的巖柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，圖4為所得的巖柱動(dòng)態(tài)強(qiáng)度結(jié)果，曲線10、
11、12、13分別對(duì)應(yīng)纖維長(zhǎng)10mm、25mm、40mm、50mm的纖維混凝土加固后的巖柱結(jié)果。可以看出，花崗巖柱經(jīng)過(guò)纖維混凝土加固后的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度比沒(méi)有加固時(shí)大大提高， 在噴層厚度為5mm(相當(dāng)于巖柱半徑的0.05)時(shí)，動(dòng)載強(qiáng)度提高了(30-40) %，；噴層厚度為IOmm(相當(dāng)于巖柱半徑的0. I)時(shí)，動(dòng)載強(qiáng)度提高了(50-60)%;纖維長(zhǎng)度對(duì)加固效果有一定影響，但沒(méi)有噴層厚度影響明顯。以上內(nèi)容是結(jié)合實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干等同替代或變型，而且性能或用途相同，則應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法，包括下述步驟第一步配料取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土；所述纖維直徑為 0. 3-1. Omm,長(zhǎng)10_50mm ;所述纖維攪拌混凝土中纖維體積率0. 5-1. 5,水灰比0. 35-0. 5 ；第二步噴層施工將第一步所得纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱并固化；噴層厚度為20-150mm或巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 01-0. I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法，其特征在于所述水泥與砂石的重量比為I : (3.0-4. 5)，所述砂石選用粒徑為2-10mm的粗砂或碎石。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法,其特征在于所述巖柱橫截面形狀為圓形、矩形、正多邊形、橢圓形中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法,其特征在于所述纖維選自鋼纖維、植物纖維、聚酯纖維中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法,其特征在于噴層施工前,用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物。
全文摘要
一種抵抗動(dòng)載的巖柱加固方法，包括下述步驟，首先取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土；然后，將纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱并固化。噴層可以充分吸收爆破、地震、機(jī)械振動(dòng)等的動(dòng)載能量，使巖柱免受動(dòng)載損傷；且噴層中的纖維成份使噴層具有較大的抗拉強(qiáng)度，抵抗動(dòng)載應(yīng)力波在巖柱表面形成的拉伸應(yīng)力和巖柱膨脹變形造成的橫向張力，在強(qiáng)度上起到圍護(hù)加固作用。本發(fā)明施工工藝簡(jiǎn)單、制備的巖柱加固結(jié)構(gòu)能有效吸收動(dòng)載能量，是一種能在動(dòng)載環(huán)境下降低巖柱內(nèi)部損傷，避免巖柱表面的動(dòng)力剝蝕，同時(shí)通過(guò)增大巖柱圍壓，遏止內(nèi)部損傷演化。適于使用在動(dòng)載環(huán)境下的硐室工程、采礦工程中巖柱的加固。
文檔編號(hào)C04B28/00GK102603240SQ20121008004
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者周子龍, 李國(guó)楠, 李夕兵, 江益輝, 鄒洋 申請(qǐng)人:中南大學(xué)