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砌体梁分析(Voussoir Beam Analysis)[纪念钱鸣高院士]

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1 引言

我国著名的采矿工程专家、中国工程院院士、中国矿业大学钱鸣高教授,因病医治无效,于2022年9月23日在北京去世,享年90岁。钱鸣高教授1932年12月出生于江苏省无锡市,1995年入选中国工程院。钱鸣高教授是我国煤矿矿山压力与岩层控制学科主要奠基人之一,他最典型的研究和贡献是采场上覆岩层的"砌体梁理论"以及老顶破断规律及其在破断时在岩体中引起的扰动理论;他创立了以采场上覆岩层活动规律和支架-围岩系统为核心的工程理论体系,建立了"矿山压力预测,控制和监测"的实用工程技术;提出了岩层控制的关键层理论和符合科学发展观的"绿色开采技术"体系等【引自光明日报的公 众 号】。
钱鸣高教授1954年毕业于东北工学院(现在的东北大学),毕业后即进入中国矿业大学工作。他是当年东北工学院有名的"54煤"的其中一员,其同学包括在东北工学院工作的林韵梅、徐小荷、王泳嘉、郑雨天以及在中国矿业大学工作的华安增等,这些老师为新中国的采矿教育事业以及采矿岩石力学学科的发展作出了重要贡献。为了纪念钱鸣高教授,本文回顾了砌体梁理论分析以及最新的发展动态。

2 采矿顶住砌体梁分析

砌体梁理论的其中一个应用是判别采矿顶住的稳定性。顶柱的稳定性可以使用刚性分析【地表顶柱稳定性的刚性分析(Rigid Analysis)】和弹性分析【地表顶柱稳定性的弹性分析(Elastic Analysis)】,当侧向应力水平很低时并且跨度/高度比比较大时,顶柱在重力作用下可能会发生弯曲裂缝,在这种情况下,一种非常经典的解析方法是砌体梁分析(Voussoir Beam Analysis)。

2.1 破坏模式

砌体梁的破坏模式有三种:第一种是在柱墩出垂直滑动引起的剪切破坏,其计算原理与前两种方法相同;第二种是由于重力作用引起的弯曲破坏,这种破坏模式与弹性分析的弯曲类似,但梁会发生断裂;第三种是由于压缩产生的局部粉碎性破坏。砌体梁分析作了如下假设:

(1) 顶柱不能承受拉应力,当发生弯曲时,主要通过形成抛物线压缩拱来实现自支撑;

(2) 砌体梁的变形发生在柱墩的滑动之前,抗滑稳定性在压力拱形成之后决定;

(3) 不考虑由原岩应力和/或开挖的几何形状引起的初始侧向应力,假定梁最初无应力;

(4) 横切结构的角度小于节理面假设的最小摩擦角。


2.2 输入参数

当使用Mohr-Coulomb强度准则进行刚性或弹性分析时,不需要原岩的单轴抗压强度UCS,但进行Voussoir分析,由于需要使用UCS计算局部挤压破坏的安全系数,因此无论采用哪一种强度准则,都必须输入UCS值。此外,如果使用Hoek-Brown准则,则需要输入岩石的弹性模量和泊松比。


2.3 计算指标

砌体梁分析有三个计算指标:

(1) 剪切安全系数

剪切安全系数的计算方法如下式所示:

其中

(2) 压缩安全系数

压缩安全系数FOS=UCS/产生的最大水平压应力

(3) 拱穿透概率

拱穿透概率(Arch Snap-Thru Probability)是砌体的主要破坏模式,计算使用的是Diederichs(1999)建议的算法[Diederichs, M. S. and P. K. Kaiser (1999). "Tensile strength and abutment relaxation as failure control mechanisms in underground excavations." 。

在Voussoir分析中计算的屈曲参数(buckling parameter)代表了由Voussoir分析迭代程序确定的在给定的几何形状和岩体模量下不稳定的拱形结构的百分比。Hutchinson等人(1996)确定出屈曲参数=35%作为超过屋顶应被视为不稳定的极限。这个35%的设计极限恰好对应于跨中挠度的变形梁,即为梁厚度的10%。因此,拱的稳定性也可以通过监测中跨的位移来评估,相对于无弯曲的状态。上述输入数据的计算结果如下:

可以看出,在剪切作用下破坏的失败的概率为0.6%,压缩作用下破坏的概率为0%,拱穿透下的破坏概率很低。如果逐渐减小矿柱的厚度,破坏概率逐渐增加,当矿柱厚度达到0.5m时,三种破坏模式同时达到,致使顶柱塌落。


2.4 砌体梁理论的挑战

随着数值模拟技术的发展,传统的砌体梁理论受到了严重挑战,特别是基于离散块体理论的技术能够更深入地了解顶柱的破坏机理,Hatzor(1998)[The stability of a laminated Voussoir beam: Back analysis of a historic roof collapse using DDA]使用DDA方法模拟了砌体梁;Oliveira(2014)[Revisiting the applicability of voussoir beam theory for tunnel design in Sydney]使用UDEC模拟了砌体梁;Abousleiman(2020)[Expanding Understanding of the Voussoir Beam Analog in Flat Roof Excavations Using the Discrete Element Method]也使用离散元模拟了砌体梁,下面总结这方面最新的研究动态。


3 砌体梁研究动态
下面总结了砌体梁分析的研究动态。这是根据GeotechSet数据集内的文献按照关键词"Voussoir"的出现次数进行排列的,最少的出现次数截至到5次。

(2017) Subsidence Prediction of Overburden Strata and Surface Based on the Voussoir Beam Structure Theory [82]

(2012) Deformation mechanisms and stability analysis of undermined sedimentary rocks in the shallow subsurface

(1998) The Stability of a Laminated Voussoir Beam - Back Analysis of a Historic Roof Collapse Using DDA

(2014) Revisiting The Applicability Of Voussoir Beam Theory For Tunnel Design In Sydney

(1999) Stability of large excavations in laminated hard rock masses the voussoir analogue revisited

(1999) Tensile strength and abutment relaxation as failure control mechanisms in underground excavations

(1996) Analysis and design of an underground hard rock Voussoir beam roof

(2017) Voussoir beam model for lower strong roof strata movement in longwall mining – Case study

(2021) Expanding application of the voussoir beam analog to horizontally bedded and passively bolted flat-roof excavations using the discrete element method

(2007) Modeling of a Multiply Jointed Voussoir Beam in the Centrifuge

(1999) The Voussoir Beam Reaction Curve 

(2019) Failure mechanism and fracture aperture characteristics of hard thick main roof based on voussoir beam structure in longwall coal mining

(2009) Narrabri Coal Mine Stage 2 Longwall Project Mine Subsidence Predictions and Impact Assessment

(1998) Numerical Evaluation of the Response in Bending of An Underground Hard Rock Voussoir Beam Roof

(1987) Back-analysis of roof conditions in the Great Northern Seam, Newcastle Coal Measures, Australia, using voussoir beam theory

(1996) Cablebolting in Underground Mines

(2018) Μulti-jointed stratified hard rock roof analysis and design

(1998) The Influence of Joint Spacing on the Stability of a Laminated Voussoir Beam­back Analysis of a Roof Failure Using DDA

(1991) Failure of a linear Voussoir arch a laboratory and numerical study

(2002) Risk considerations for crown pillar stability assessment for mine closure planning

(2020) Strategies for surface crown pillar design using numerical modelling – A case study

(2011) Stability Analysis of Shallow Tunnel of Norra Länken [5]

来源:计算岩土力学
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首次发布时间:2022-12-03
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