DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-30957-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634052
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Mengsen Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في خصائص الفشل وآليات تحمل الأحمال لكتل الصخور المكسورة المثبتة باستخدام نظام اختبار محاكاة فيزيائي ثلاثي الأبعاد تم تطويره ذاتيًا. تركز الدراسة على عينات ذات درجات متفاوتة من التكسير مدعومة بمسامير مشدودة مسبقًا، وتحلل استجابتها الميكانيكية من خلال منحنيات الإجهاد والانفعال، وأنماط الفشل، وقوى المحاور للمسامير، والانبعاثات الصوتية. تكشف النتائج الرئيسية أن العينات السليمة تتكسر في البداية عند السطح الحر، مما يؤدي إلى تطوير شقوق قص بزاوية 40°~60°، بينما تنخفض القوة القصوى للعينات المثبتة مع زيادة درجة التكسير. من الجدير بالذكر أن درجات التكسير الأعلى تؤدي إلى تغييرات أكثر وضوحًا في منحنيات تحميل المسامير، حيث تتعرض المسامير في الصف العلوي لشد وقص مشترك، مما يؤدي إلى أنماط تشوه مميزة.
تسلط الاستنتاجات المستخلصة من التجارب الضوء على أن الدعم من المسامير المشدودة مسبقًا يعزز بشكل كبير قوة كتلة الصخور المثبتة، خاصة عند درجات التكسير المنخفضة، بينما تضعف القوة عند درجات أعلى. توقيت تفعيل المسامير أمر حاسم، حيث يتأثر بدرجة التكسير الأولية، مع ملاحظة تفعيل مبكر في العينات الأكثر تكسيرًا. بالإضافة إلى ذلك، تم وضع قانون انتقال ديناميكي بين الهيكل الحامل للأحمال ودرجة التكسير، مما يشير إلى أنه بالنسبة لدرجات التكسير المنخفضة، يبقى الهيكل الداخلي الحامل للأحمال جزئيًا سليمًا، بينما بالنسبة لدرجات أعلى، تصبح المسامير هي المكونات الرئيسية الحاملة للأحمال، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار مع زيادة حجم كتلة الصخور المكسورة وفشلها في النهاية. هذه الرؤى ضرورية لتحسين استراتيجيات الدعم في الصخور المحيطة بالطرق.
طرق
في هذه الدراسة، تم تطوير جهاز اختبار محاكاة فيزيائي ثلاثي الأبعاد للتحقيق في آلية تثبيت المسامير المشدودة مسبقًا في كتل الصخور المكسورة. يتميز الجهاز بأبعاد داخلية تبلغ 300 مم × 300 مم × 300 مم، ويحتوي على حواجز مصنوعة من ألواح فولاذية Q235 بسماكة 50 مم. تم تطبيق ضغط عمودي ($\sigma_1$) على كتلة الصخور المثبتة باستخدام مكبس YE-2000 بمعدل تحكم في الإزاحة يبلغ 0.5 مم/دقيقة. لتقليل الاحتكاك، تم تطبيق الفازلين على الأسطح التلامسية بين العينة والجهاز. تعرضت العينة لتشوه انضغاطي تحت التحميل العمودي، مما أدى إلى تشوه جانبي أدى إلى توليد قوة جانبية ($\sigma_2$) على الحواجز، بينما exerted المسامير المشدودة مسبقًا قوة ($\sigma_3$) على العينة.
شملت المنهجية التجريبية استخدام مقاييس الإجهاد لجمع بيانات القوة من المثبتات، حيث كانت مقاييس الانفعال عرضة للتلف أثناء التشوه. تم مراقبة إشارات الانبعاث الصوتي (AE) باستخدام ستة حساسات AE ملحقة بالألواح الفولاذية، مع تردد أخذ عينات يبلغ 2.5 ميجاهرتز وحد عتبة محدد عند 40 ديسيبل لتقليل الضوضاء. خضعت العينة السليمة لاختبار ضغط، مما كشف عن قوة قصوى تبلغ 3.83 ميغاباسكال وانفعال قمة يبلغ 0.16. تم اختيار أربع حالات تكسير مميزة لمزيد من الاختبار—60%، 80%، و100% من الانفعال الأقصى، بالإضافة إلى الحالة بعد القمة—مما يسمح بتحليل آليات تحمل الأحمال الميكانيكية مع التحكم في تأثيرات الطاقة المرنة. تم مراقبة قوة الشد المسبق للمسامير في الوقت الحقيقي، محققة قوة مستهدفة تبلغ 0.6 كيلو نيوتن قبل بدء الاختبار.
نقاش
في هذا القسم، تبحث الدراسة في آليات تحمل الأحمال لكتل الصخور المثبتة التي تتعرض لدرجات متفاوتة من التكسير تحت دعم المسامير. يظهر النموذج الفيزيائي أنه عند حفر الطريق، تتعرض الصخور المحيطة لإعادة توزيع الإجهاد، مما يؤدي إلى فشل تدريجي من السطح إلى الداخل. تزداد قدرة تحمل الأحمال لكتلة الصخور بسبب تأثيرات التمدد وتعزيز المسامير، حيث يوضح النموذج الميكانيكي تطبيق أقصى إجهاد رئيسي وضغط محصور على كتلة الصخور المثبتة. تستخدم الدراسة مواد تماثلية لإعداد العينات، باستخدام مزيج من الرمل، الأسمنت، الجبس، والماء، مع تحديد نسب الكتلة المحددة من خلال الاختبار. تم تحديد نسب التشابه الهندسي لاختبارات المحاكاة، وتم تفصيل المعلمات الميكانيكية لكل من المواد التماثلية وعينات الفحم الخام.
تكشف النتائج أن قدرة تحمل الأحمال لكتلة الصخور المثبتة تتأثر بالقوة الكامنة للصخور وتعزيز المسامير. تشير منحنيات الإجهاد والانفعال إلى مراحل سلوك مميزة، بما في ذلك الانضغاط، التشوه المرن، والفشل غير المستقر، مع اختلاف كبير في القوى القصوى عبر درجات التكسير المختلفة. من الجدير بالذكر أن تطبيق المسامير المشدودة مسبقًا يعزز قوة العينات السليمة وتلك ذات درجات التكسير المنخفضة، بينما تضعف القوة مع زيادة التكسير. تشمل أنماط الفشل الملحوظة الانقسام الشدي والشقوق القصية، حيث تحافظ المسامير بفعالية على سلامة كتلة الصخور، خاصة في العينات الأقل تكسيرًا. تختتم الدراسة بأن التفاعل بين الهيكل الحامل للأحمال لكتلة الصخور وتأثير تثبيت المسامير أمر حاسم، حيث يعتمد توقيت تفعيل المسامير وكفاءة التعزيز العامة على درجة التكسير الأولية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-30957-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634052
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Mengsen Liu et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
The research investigates the failure characteristics and load-bearing mechanisms of anchored fractured rock masses using a self-developed three-dimensional physical simulation test system. The study focuses on specimens with varying degrees of fracturing reinforced with prestressed bolts, analyzing their mechanical responses through stress-strain curves, failure modes, bolt axial forces, and acoustic emissions. Key findings reveal that intact specimens initially fracture at the free surface, developing 40°~60° shear cracks, while the peak strength of anchored specimens decreases with increasing fracturing degree. Notably, higher fracturing degrees lead to more pronounced changes in bolt load curves, with upper-row bolts experiencing combined tension and shear, resulting in distinctive deformation patterns.
The conclusions drawn from the experiments highlight that the support from prestressed bolts significantly enhances the strength of the anchored rock mass, particularly at lower fracturing degrees, while strength deteriorates at higher degrees. The timing of bolt activation is crucial, as it is influenced by the initial fracturing degree, with earlier mobilization observed in more fractured specimens. Additionally, a dynamic transition law between the load-bearing structure and the fracturing degree is established, indicating that for lower degrees of fracturing, the internal load-bearing structure remains partially intact, whereas for higher degrees, the bolts become the primary load-bearing components, leading to instability as the fractured rock mass bulks and ultimately fails. These insights are essential for optimizing support strategies in roadway surrounding rock.
Methods
In this study, a three-dimensional physical simulation test device was developed to investigate the anchorage mechanism of prestressed bolts in fractured rock masses. The device, with internal dimensions of 300 mm × 300 mm × 300 mm, features baffles made from 50 mm thick Q235 steel plates. Vertical pressure ($\sigma_1$) was applied to the anchored rock mass using a YE-2000 press at a displacement-controlled rate of 0.5 mm/min. To reduce friction, Vaseline was applied to the contact surfaces between the specimen and the apparatus. The specimen experienced compressive deformation under vertical loading, resulting in lateral bulking deformation that generated a lateral force ($\sigma_2$) on the baffles, while the prestressed bolts exerted a force ($\sigma_3$) on the specimen.
The experimental methodology included the use of stress gauges to collect force data from the anchors, as strain gauges were susceptible to damage during deformation. Acoustic emission (AE) signals were monitored using six AE sensors attached to the steel plates, with a sampling frequency of 2.5 MHz and a threshold set at 40 dB to minimize noise. The intact specimen underwent a compression test, revealing a peak strength of 3.83 MPa and a peak strain of 0.16. Four distinct fracturing states were selected for further testing—60%, 80%, and 100% of the peak strain, along with the post-peak state—allowing for an analysis of mechanical load-bearing mechanisms while controlling for elastic energy effects. The pre-tightening force of the bolts was monitored in real-time, achieving a target force of 0.6 kN before testing commenced.
Discussion
In this section, the study investigates the load-bearing mechanisms of anchored rock masses subjected to varying degrees of fracturing under bolt support. The physical model demonstrates that upon roadway excavation, surrounding rock experiences stress redistribution, leading to progressive failure from the surface inward. The load-bearing capacity of the rock mass increases due to bulking effects and bolt reinforcement, with the mechanical model illustrating the application of maximum principal stress and confining pressure on the anchored rock mass. The study employs analog materials for specimen preparation, utilizing a mixture of sand, cement, gypsum, and water, with specific mass ratios determined through testing. The geometric similarity ratios for the simulation tests are established, and the mechanical parameters of both the analog materials and raw coal samples are detailed.
The findings reveal that the load-bearing capacity of the anchored rock mass is influenced by the inherent strength of the rock and the reinforcement from bolts. Stress-strain curves indicate distinct stages of behavior, including compaction, elastic deformation, and unstable failure, with peak strengths varying significantly across different fracturing degrees. Notably, the application of prestressed bolts enhances the strength of intact specimens and those with low degrees of fracturing, while the strength deteriorates as fracturing increases. The failure modes observed include tensile splitting and shear cracks, with the bolts effectively maintaining the integrity of the rock mass, particularly in less fractured specimens. The study concludes that the interaction between the rock mass’s load-bearing structure and the bolt anchoring effect is critical, with the timing of bolt activation and the overall reinforcement efficiency being contingent upon the initial fracturing degree.