（固体力学专业论文）锚杆内锚固段应力分布及设计计算方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 工 工页 ab s t r a c t a t p r e s e n t , t h e a n c h o r a g e h a s b e e n w i d e l y u s e d i n t h e e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n s o f t u n n e l s u p p o r t a n d l a n d - s l o p r e i n f o r c e m e n t b y i t s c o s t - e f f e c t i n g a n d e f f i c a c i o u s f e a t u r e s . i t s m e c h a n i s m a n d d e s i g n m e t h o d h a v e b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d a n d d e v e l o p e d f a s t . t h e r e i n f o r c e d f o r c e t o r o c k s b y r o c k b o l t i s t r a n s f e r r e d t o t h e s t a b l e r o c k b o d y b y t h e i n t e r n a l a n c h o r a g e s e c t i o n . t h e r e f o r e , t h e i n t e r n a l a n c h o r a g e i s t h e m o s t i m p o rt a n t p a r t . t h e s t u d y o f t r a n s f e r m o d e , d i s t r i b u t i o n r e g u l a t i o n a n d t h e f u n c t i o n o f t h e a n c h o r a g e s e c t i o n c a n p r o v i d e b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t ruc t i o n o f t h e r o c k b o l t . t h e r e s u l t s w i l l p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e r e i n f o r c e m e n t o f s t a b i l i t y o f e n g i n e e r i n g . i n t h i s p a p e r , t h e p r e s e n t s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t o f t h e t h e o r y a n d t e c h n o l o g y o f t h e a n c h o r a g e a r e d e s c r i b e d b a s e d o n s t u d y r e s u l t s a n d p r a c t i c a l e x p e r i e n c e b y r e a d i n g m a n y r e l a t i v e r e f e r e n c e s . t h r o u g h t h e c o mp a r i s o n o f t h e t h e o r y a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f t h e f i l l e d p u l l i n g t e s t r e s u l t s i n y i x i n g p u m p e d - s t o r a g e p o w e r s t a t i o n , t h e r e a s o n a b l e m i x i n g r a t i o a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e g r o u n d i n g a g e n t h a v e b e e n g r a s p e d , a n d t h e s t r e s s - s t r a i n d i s t r ib u t i o n s t a t e o f t h e i n t e r n a l s e c t i o n , t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y a n d d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a n c h o r b o l t h a v e b e e n a n a l y z e d . s o t h a t m a n y r e g u l a r r e c o g n i t i o n h a v e b e e n o b t a i n e d . p r o p o s e s o f d e s i g n c a l c u l a t i o n m e t h o d f o r a n c h o r b o l t h a v e b e e n m a d e a n d o n e r e l a t i v e s i m p l e a n d r e a s o n a b l e d e s i g n c a l c u l a t i o n m e t h o d h a s b e e n p r o v i d e d f o r t h e r e f e r e n c e b y r e s e a r c h e r s a n d d e s i g n e r s a n d w o r k e r s i n t h e f i e l d o f a n c h o r a g e . k e y w o r d s : r o c k b o l t i n t e r n a l s e c t i o n s h e a r s t r e s s d i s t ri b u t i o n d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n me t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1页 第1 章 绪论 1 . ， 前言 锚杆支护法的主要目的就是将支承围岩的载荷作用于岩体，通过对围 岩的约束力锚固力来提高围岩体强度、改变围岩体应力状态，进而发挥 岩体的自 身承载能力，以控制围岩变形及防止岩石塌落，加强地下洞室围岩 的稳定性。 锚杆支护法是 1 9 1 0 年美国开始使用的，1 9 4 0 年以后，在煤矿井下支护 方面得到了广泛应用。1 9 5 0年以后，欧洲各国也广泛地推广应用。 2 0世纪 5 0 年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时性措施。5 0 年代中期， 在国外的隧道工程中开始广泛采用小型永久性灌浆锚杆和喷射混凝土代替以 往的隧道衬砌结构【11 。 我国锚杆支护技术经过 4 0多年的探索和实践，取得了很大进展。如在 全国煤矿中，1 9 % 年锚杆支护率已达 2 9 %。但是锚杆支护的应用范围仍局 限于围岩比较稳定的地方。在围岩较松软和受开挖挠动的地下洞室中，锚杆 支护率较低m 。 地下洞室开挖后，破坏了原始岩体的力学平衡，围岩应力重新分布， 其表现为顶板下沉、 底板鼓起、 两帮挤人等。 围岩应力分布是个渐进的过程， 并且围岩的收敛由浅人深、逐渐减弱的。安设在围岩中的锚杆，其刚度、强 度与围岩有较大差别，这与围岩的不均匀变形相矛盾，从而产生了限制围岩 变形的力锚固力。锚杆的锚固力对控制大变形地下洞室围岩的变形具有 重要作用。锚杆技术先进的国家，锚杆支护的发展历程表明，锚固力的大幅 提高是锚杆支护得以迅速发展的重要原因。因而，对锚杆内锚固段上锚固力 的传递方式、分布规律及其承载能力等的研究，也就显得尤为重要。 本文主要在前人研究成果和实践经验的基础上，拟通过现场试验和理 论分析， 对锚杆内锚固段的应力应变分布规律进行探索，以找出更为合理的 锚杆设计计算方法。 1 . 2 1 . 2 . 1 国外锚杆支护概况 1 91 2 国外锚杆支护应用概况 年美国开始在煤矿中使用锚杆支护顶板，1 9 1 5 -1 9 2 0年美国金属 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 矿也开始使用锚杆，并得到迅速发展和推广。1 9 4 0年后半期，在煤矿井下 支护方面得到了广泛应用。5 0年代英、法、德、瑞典等也开始应用和研究 锚杆支护。 英国 1 9 4 6年首次试验机械涨壳式锚杆，1 9 5 2年在 n c b矿大量 使用。但由于机械式点锚固锚杆不适应英国的煤层条件，6 0年代英国锚杆 支护实际上已经停止使用。法国于 1 9 4 9年开始在铁矿中使用锚杆，5 0年代 在煤矿中开展点锚固锚杆的试验，但至 1 9 6 3年仍未成功。美国因地质条件 和开采条件较好， 机械点锚固锚杆得到大量推广，1 9 5 1年就有 5 0 0多个矿 井用锚杆，其中 煤矿多达4 5 0 多个m 6 0年代中期后，法国引进试验了由德国发明、6 0年代进人商品化的全 长树脂锚杆。期间由于发生了几起严重的围岩坍塌，促使法国开展了较为深 人的 研究， 使法国锚杆支护发展较快，千吨煤田 锚杆的用量从 1 9 7 0 年的2 3 根上升到 1 9 8 2 年的8 0 根n。 英国到8 0 年代中 后期才重新发展锚杆支护。主要引进了澳大利亚技术， 包括:( 1 ) 采用高强的澳大利亚锚杆系统， 包括高强树脂全锚、清洁钻孔、 锚杆与钻孔的紧密装配等， 树脂粘结强度达到5 i o m p a ， 锚固力达到2 5 0 k n 以 上; ( 2 ) 根据实际的地质、开采条件， 研究围岩的应力状态，掌握岩层移 动、锚杆荷载分布和发展规律， 合理设计锚杆支护。此后英国锚杆支护得到 了迅速发展，1 9 9 4年英国锚杆地下洞室已占 地下洞室总量的 8 0 %。 美国、 澳大利亚几乎所有的地下洞室都采用锚杆支护， 并认为不能用锚杆支护的岩 层，开采是不经济的。 1 .2 . 2国外锚杆支护发展情况 国外锚杆支护应用十分广泛，但仍局限于围岩较稳定的地下洞室。著 名的雪山 ( s n o w y m o u n t a i n ) 工程的p e n d e r 围 岩分类方法将围 岩分成6 类， 雪山隧道工程协会根据 p e n d e r的分类选取支护方式，在质量较好的三类围 岩中，建议采用锚杆支护或以锚杆支护为主的形式，而在质量较差的三类围 岩中，不宜采用锚杆或以锚杆为主的支护。 新奥法 ( n a t m)围岩分类将围 岩分为7 个级别，建议采用锚杆支护的为质量较好的前4 类。另外，锚杆的 安设速度也是制约更好、更广泛应用锚杆的一个重要因素。因此，必须提高 锚固强度， 以增大锚杆间距。 为此， 英国研制成锚杆锚固力达5 0 0 k n的“ 大 锚杆” ( b i g b l o t ) . 国外锚杆支护的发展方向是:提高锚杆的锚固力，并使其得到充分发 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3页 挥，扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效率。 1 . 3 国内锚杆支护应用发展情况 1 . 3 . 1国内锚杆支护应用概况 我国锚杆支护始于 5 0年代，在隧道、矿山、水利、国防、人防等各部 门都获得应用。7 0 -8 0年代，国家 “ 七五” 、 “ 八五” 科技攻关中将锚杆支 护列为软岩地下洞室支护的主攻方向之一。 铁路、煤炭、部队等部门都开展 了锚杆支护的研究和推广应用工作。 1 .3 .2国内锚杆支护发展情况 同国外相比，我国锚杆支护主要存在锚固力低、可靠性差等问题，见 表 1 - 1 。 锚固支护的发展历史表明，随着锚固力的提高，锚杆支护就迅速发 展，因此，锚固力是发展锚杆支护的关键。 表1 - 1 国内外锚杆支护技术性比较w 英、 澳 中国 锚杆类型全长粘结锚杆端锚锚杆、管缝锚杆 锚杆直径 2 0 mm 1 4 - 1 6 m m, 3 0 m m ( 管缝 ) 、 43 mm 长度 1 . 8 m, 2 . 4 m, 3 . 0 m1 . 6 一 2 . 0 m 间距 3 0. 9 m0 . 6 0 . 8 m 锚杆钻孔间隙 6 mm2 6 mm 粘剂性质 树脂 抗剪强度:3 0 mp a 抗压强度:7 0 mp a 粘结强度:1 2 - 1 6 mp a ( 钢筋) 、5 一1 6 mp a ( 软岩 ) 水泥药卷 抗压强度:4 0- 5 0 m p a 粘结强度:5 - 1 0 mp a 钢筋) 3 -4 mp a( 软岩) 1 . 3 .3 我国锚杆支护存在的问题 我国锚杆支护主要存在以下问题: ( 1 )锚杆支护应用范围还不十分广泛，特别在围岩比较松软、变形较 大的地下洞室中，由于锚杆强度低及允许围岩变形量小等原因，造成锚杆支 护应用受到限制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 ( 2 ) 较多使用锚固力低、可靠性差的端锚锚杆，全锚锚杆主要是水胀 式和管缝式锚杆，树脂全长锚杆的使用比例较小。 ( 3 ) 锚杆密度大，安装速度慢，跟不上掘进速度。 上述三个问题都涉及锚杆的锚固力问题，提高锚杆锚固力是扩大锚杆 使用范围、减少顶板事故、加大锚杆间距、加快安设速度的技术关键，因而 研究锚固力的作用方式，也是其中最关键的一个环节。 1 . 4锚杆支护理论和发展现状 国外锚杆支护理论的发展和现状 . 1 . 1悬吊作用 44 11月. 1 9 5 2 -1 9 6 2 年， l o u i s a . p a n e k 经过理论分析及实验室和现场测试，提 出 锚杆的作用是将直接顶板悬吊到上覆坚硬岩层上 ( 图 1 - 1 ) ;在软弱围岩 中，锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上 ( 图 1 - 2 ) ， 拱高 可采用普氏的压力拱理论估算。 坚硬岩层 里硬转层 图1 - 1 坚硬顶板锚杆的悬吊 作用图1 - 2软弱顶板锚杆的悬吊作用 利用悬吊理论进行锚杆支护时，锚杆长度可根据坚硬岩层的高度或平 衡拱的高度来确定，锚杆的锚固力及布置可根据所悬吊岩层的重量来确定。 悬吊作用能很好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩层时的锚杆支护。跨度较大 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5页 的软岩地下洞室中，拱高往往超过锚杆长度，悬吊作用难以解释锚杆支护获 得成功的原因。 1 .4 . 1 . 2组合梁作用 1 9 5 2 年德国j a c o b i o 等发表了组合 梁作用理论，其实质是通过锚杆的径向 力作用将叠合梁的岩层挤紧，增大层间 的摩擦力，同时锚杆的抗剪能力也阻止 层间错动，从而将叠合梁转化为组合梁 ( 图 1 - 3 ) 。利用组合梁作用进行锚杆 支护设计时，锚杆的锚固力q由下式确定: q ? d z p ,( 1 一 1 ) b 图 1 - 3组合梁作用 a -叠合梁 b 一组合梁 式中1 ) 一 一 一 锚杆的间距; p , 一一组合梁载荷 p , . m.( 最小支护抗力) 。 锚杆长度由式 ( 1 - 2 )和式 ，不小于锚固深度范围内岩体自重，可取 ( 1 - 3 )确定: t = 0 . 61 2 b ( 1 - 2 ) 式中 t -组合梁的有效组合厚度; b 一一 组合梁跨度; k 一一安全系数，掘进机掘进取2 - 3 、钻爆掘进取3 -5 ; k p 软 岩 或 动 压 地下 洞 室围 岩 荷 载 增 大 系 数; (p 与组合层层数有关的系 数; 刀 岩体抗拉强度折减系数; 叮 : - 一岩体平均试验 抗拉强度。 编 = 石+ t + 乓( 1 - 3 ) 式中 l m 锚杆长度; g 锚杆外露端长度; 西南交通大学硕士研究生学位论文第 6页 乓一一锚固端长度。 锚杆间距d的设计以保证最下一层岩层的稳定性为依据。 d 1 .6 3 气 刀 i 口l l ( 1 - 4) k , k p y , h , 式中 77 , 最下层岩层抗拉强度折减系 数; 6 c 1一最下层岩层的试验抗拉强度; k , 安全系数; k 最下层岩层的厚度 y i 最下层岩层的密度 组合梁理论很好地解释了层状岩体锚杆的支护作用，但难以用于锚杆 支护设计。 根据组合梁作用原理， 组合梁是保持岩体稳定的支护体， 但组合 梁的承载能力难计算， 组合梁形成和承载作用过程中， 锚杆的作用难以确定。 并且将锚固力等同于框式支架的径向支护力也不太确切。 1 .4 . 1 . 3拱形压缩带作用 早在 1 9 5 5 年，t . l .vr a b c e w i c z 就提 出安装锚杆后能使地下洞室围岩中形成连 续的压缩带 ( 图 1 - 4 ) ，其观点是:锚杆 的作用是使围岩中产生一定厚度的压缩带 以承受围岩压力 。7 0年代初 ，美国 t .a .l a n g 和p e n d e r 提出 锚 杆的 拱形压 缩 带作用原理， t .a .l a n g通过光弹 性试验 证实了拱形压缩带的存在。 采用拱形压缩带作用进行锚杆支护时 锚固力q由下式确定: q 一 p d 2 ( 1 - 5) 式 中 k p p ,. 刀 p一一压缩带的支护抗力 k ， 为 安 全 系 数 ; 锚杆的 图 1 - 4拱形压缩带作用 1 -锚杆的两端在围岩中压缩形 成锥形体; 常取为2 - 受 压 锥 形 体 连 结 形 成 环 形 带 西南交通大学硕士研究生学位论文第 ，页 d 一 一 一 锚杆的间距; 刀 拱形压缩带支 护抗力系 数，叮 小于1 ， 其与锚固 深度和围 岩应力状态有关。 拱形压缩带理论很好地揭示了软弱围岩中锚杆的作用，它与组合梁理 论类似，但拱形压缩带的承载能力还难以确定，且很难与锚杆锚固强度联系 起来。 1 .4 . 1 .4销钉作用 锚杆的销钉作用 ( 图 1 - 5 )表现为两个方面:( 1 )利用锚杆将不稳定的 岩块钉到深部稳定的围岩上 ( 图 1 - 5 a ) ; ( 2 )软岩地下洞室围岩常发生剪切 破坏， 破坏了的岩体将沿最不利的滑移面滑动 ( 图1 - 5 6 ) a 利用销钉作用进行锚杆支护设计，对于块状围岩的大洞室，一般采用 赤平投影先确定不稳定块体，而后进行锚杆支护设计。对于普通地下洞室由 于不连续面的参数难以获得，以及计算分析工作量太大而难以进行。对于软 点切峨 4 5一 ，9 / z 图 1 - 5 销钉作用 a -示意图; b 一分析图 西南交通大学硕士研究生学位论文第 8页 岩地下洞室，锚固深度不应小于剪切滑移楔体的长度，锚杆间距应不超过锚 固深度的1 / 2 ，锚固力不小于围岩稳定所需的最小支护抗力。 软岩中的销钉作用，是根据锚杆抵抗剪切滑移破坏提出的，但围岩破 坏形式是复杂多样的，尤其是当剪切滑移受到锚杆抑制时，围岩破坏可能转 化为其它形式，按照剪切滑移破坏设计的锚杆支护难以适应实际围岩变形破 坏的变化。 以上锚杆作用经典理论的主要特点是认为锚杆使岩体中形成有利于围 岩稳定的结构，由结构承受围岩压力，目 前仍较多用于我国锚杆支护设计， 对于人们认识理解锚杆支护具有重要意义。但锚杆的锚固强度、结构的承载 能力、围岩压力三者的关系，以及各自的定量化都是目 前的难题;并且在复 杂的地下岩体中， 锚杆往往不仅仅是某一种单纯的作用形式，而是多种的且 相互影响的作用形式，这给用经典理论指导锚杆支护设计带来困难。 1 .4 . 2国内锚杆支护理论的发展和 现状 + x 1 二 1 .4 .2 . 1 弹塑性理论分析模型 ( 1 )弹塑性理论分析模型匀 是采用塑 性应变软化本构关系，通过石膏一 硅藻土材 料三向压缩试验，回归出塑性区围岩 c ,巾 值随八面体塑性剪应变的衰减规律。 ( 2 ) 将锚杆的作用简化为对锚固围岩 从锚杆的两端施加径向约束力，即提高围 压，由试验得出围压与岩体残余强度的关 系。在上述工作的基础上，利用弹塑性理论 能够定量分析锚杆的支护效果。该理论模型 与以往的理论分析相比，采用了先进的塑性 软化本构关系，理论分析结果与实际更加接 近 。 1 .4 .2 . 2中性点理论 中性点理论17 1 根据锚固后静态锚杆的 静力平衡关系，提出锚杆体表面的剪应力方 4a 1 - t 图1 - 6 锚杆受力简图 1 井巷半径; l -锚固深度; p 一中 性点半径;u 。 一锚杆径 向 位移值;p ， 一中 性点对应的 锚杆径向位移值;a k一中 性点 到锚杆终端对应的锚杆径向位移 值;z 一锚杆与孔壁间的剪应 力;f , 一中 性点外的锚杆轴力 分布;f 2 一中 性点里的 锚杆轴 力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9页 向不可能一致，存在剪应力为零的中性点 ( 见图 1 - 6 ) ，并在岩性均质、均 匀载荷、 圆形地下洞室的假设下， 利用弹塑性理论推导出锚杆的剪应力分布， 给出了中性点位置的计算公式: p二一.艺了 下 ， ，宁 i r l ( 1 - 6 ) 式中 p - i 苗 杆中 性点半径: r 地下洞室长度; i 一锚杆长度。 根据全长锚杆的应力分布和中性点理论，提出了全长锚杆的设计方法。 中性点理论使人们对围岩中锚杆应力状态及依作用原理有了新的认识。 1 .4 .2 .3典型类比分析法 典型类比分析比法【8 1 是将典型工程现场测试资料、围岩分类和简便实用 的岩石力学分析方法三者结合起来， 综合应用了经验分析、位移等效原理、 边界元有限元数值模拟和复杂系统的综合集成技术， 其主要思路为:( 1 ) 工 程围岩的分类;( 2 )以同类围岩典型工程的成功经验和现场测试资料为类比 的基准;( 3 ) 对工程施工程序和方法的建议是与典型工程相近;( 4 )比 较两 者条件的异同，分别考虑其影响;( 5 )参照典型工程实测力学参数，利用简 易的力学分析工具， 对该工程围岩变形与破坏特性作粗略评估;( 6 ) 参考上 述定量分析， 综合考虑有关因素，以 估计范围 值的形式提出 定性与半定量的 咨询意见。 典型类比 法是以典型工程为比 较的类比， 并且参照数值分析的结 论，这比普通的类比方法更为有效。 1 .4 . 2 .4围岩松动圈分类法 围岩松动圈分类法1 9 7 是董方庭教授等根据理论分析和大量现场测试结 果，得出了岩体开挖后，洞室表面围岩产生松驰的范围。主要认为: ( 1 ) 地应力与围 岩相互作用会产生围岩松动圈; ( 2 ) 松动圈产生过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是地下洞 室的主要支护对象，松动圈尺寸越大，地下洞室收敛变形也越大，支护越困 难; ( 3 ) 依据松动圈的大小采用不同的原理设计锚杆支护。建议:小松动 圈采用喷射混凝土支护，中松动圈采用悬吊作用原理设计锚杆支护，大松动 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 0页 圈采用组合拱原理设计锚杆支护。 松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用在于确定各种经典锚杆支护 作用理论的适用条件和范围，可操作性较强。 综上所述，国内外锚固理论研究的成果已经较好地解释各种岩石条件 下锚杆对岩石的稳定功能，但要更有效地应用于锚杆支护的实践应用，尚需 对锚固理论进行深人的分析和试验研究工作，才能形成符合工程实际的计算 公式和量化参数。 1 .5 当前锚杆支护理论分析及设计计算存在的问题 i .当前对于锚杆的理论分析工作已做了较多的探索，提出了很多方法 和结论，但针对主要承受荷载的锚杆内锚固段的作用研究仍不很深人。 2 .锚杆作用的岩体介质差异很大，测试中的防腐、绝缘处理难度较高， 因此，目前的测试方法和技术，尤其在锚杆的微观测试方面，难度非常大。 存在的问题较多，难以取得能够从理论上进行深人分析或对理论公式进行很 好验证的测试数据。同时，一些理论推导和程序计算的结果，有可能存在问 题，也影响着理论分析和设计方法的发展。 3 .当 前，在计算锚杆荷载时，多是假设锚杆剪应力按全长均匀分布， 这与锚杆实际作用情况不符。工程上采用的工程类比 法或简单估算的方法进 行设计施工，因对所采用方案的合理性缺少定量评估依据，可能在一定程度 上造成工程的浪费或产生安全隐患。 1 . 6 本文试验背景及主要研究内容 1 .6 . 1试验背景 本文的试验是以江苏宜兴抽水蓄能电站主厂房锚杆加固方案为工程背 景的。该工程位于江苏省宜兴市西南郊的铜官山区，距市区 i o k m 左右， 是为配合已立项建设的连云港核电站正常运行而兴建的主要调峰电源项目。 该电站计划安装4 台2 5 0 m w的发电机组，总装机容量为 l 0 0 0 mw。电站的 主要建筑物有上、下水库，输水系统，地下厂房洞室群和地面设施等。 地下厂房洞室群位于输水系统中部，主要由主、付厂房，主变室，尾 水洞，母线洞，交通洞等组成。主、 付厂房开挖尺寸较大，长x 宽x 高约为 1 6 3 .5 x 2 2 x 5 0 . 2 ( m ) ， 主厂房 埋深约3 3 0 m左右。 岩性主 要为茅山 组中 段中 厚一 厚层状岩屑砂岩夹泥质粉砂岩组成。节理裂隙较发育，岩体完整性较差，局 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 1页 部有滴水、涌水现像。岩体类别为i v -i i i 类。主厂房初步选定用锚索与锚 杆相结合的加固方案。锚索长度约 2 5 m 左右，锚杆长度 6 -8 m ，二者相间 布置。由于拟建洞室较大，岩体条件较差，为保证加固技术与措施的可靠和 工程的安全，必须对加固措施进行试验和检验。为了解锚杆在该地质条件下 的承载能力及作用情况和效果，研究、制定锚杆加固技术方案，评估、检验 加固措施及效果，受江苏省电力公司的委托，进行了本文的试验。 1 . 6 . 2主要研究内容和思路 由于对岩体开挖后其表层松驰情况的测试和研究方面，已有研究成果 可供借鉴，本文试验主要目的放在对锚杆内锚固段的受力状态测试方面，因 此，在现场拉拔试验测试中，采用了适当的锚杆张拉技术，模拟出近似于锚 杆内锚固段的受力状态，进行有关试验和数据测试。 本文拟通过对有关测试结果的整理计算和理论分析，找出锚杆内锚固 段的应力、轴力分布规律，研究其作用机理，以找出相对合理的锚杆内锚固 段设计计算方法，从而能够进行或指导锚杆的设计和计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 2页 第2 章 试验概况 2 . 1 试验概况 2 . 1 . 1 试验目的 1 .通过锚杆现场拉拔试验，测试锚杆杆体 ( 内锚固段)应变分布，测 试锚杆与注浆体、注浆体与孔壁的峰值抗剪强度，测量岩体表面位移、锚杆 杆体位移等数据，研究锚杆应力、轴力的分布规律，分析和优化锚杆设计参 数，以制定合理的锚杆设计计算方法。 2 .通过试验，进一步了解注浆材料的合理配比及性能，以优化锚杆加 固注浆工艺措施和技术，并提供锚杆施工设计参考。 2 . 1 . 2 试验内容 锚杆整体抗拔力张拉试验 共有两组，每组三根锚杆，长度均为6 0 0 c m 。第一组锚杆轴线垂直于岩 体层面，第二组锚杆轴线平行于岩体层面。两组锚杆的编号分别是l 6u 0 0 l 6 01 2 0 编 和i !., , 嗡 ，嗡 ， 其中 上 标一 和 / / 符 号 分 别 表 示 锚杆 轴 线与 岩 层层面的垂直与平行， 符号旁的数字则表示同组中 第几根锚杆，下标6 0 0 表 示锚杆的长度为6 0 0 c m ( 以下类似的符号意义与此相同) 。 2 . 锚杆内锚固 段承载力试验 该试验共进行七组， 每组三根锚杆， 各组中 锚杆长度分别为3 2 , 6 4 , 9 6 , 1 2 8 , 1 6 0 , 0 2 24 ， 2 2 a0 2 2 4 ， 1 9 2和2 2 4 c m 。 试 验 锚杆编 号 分别为姚 : ，雌 : ，0 s 2 , 电a 在该组试验中锚杆轴线与岩层层面的关系是随机的，没有进行 固定关系的试验。 3 .注浆体与孔壁和注浆体与锚杆体之间峰值抗剪强度试验 试验分两组，第一组杆体垂直岩层层面，第二组杆体平行岩层层面。 每 组三 根 锚 杆 长 度 均 为3 0 c m ， 两 组 锚 杆 编 号 分 别为 : 嗡， 嗡 ， 嗡和弓 孟 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 3页 ,2 31 23 0 ，l / 33 0 。 4 .注浆材料配比 及物理力学性能试验 ( 详细内 容见后面3 . 1 节) 2 . 1 .3 试验场地与锚杆布置 为了使试验条件尽可能与主厂房地区一致，试验场地选在了靠近主厂 房的p d 6 试验洞 1 4 8 5 m地段的右支洞底端。 该段在主厂房轴线上方5 0 m处， 因其与主厂房靠近，岩体特征应该说对主厂房有足够的代表性。试验段的展 开及各试验锚杆的布置 ( 以锚杆编号表示) ，如图2 - 1 所示。 原设想是把所有试验锚杆均布置在该支洞底端扩挖的大洞室内，因大 洞室底板浮渣太厚，局部又有涌水，不能布置锚杆，两侧边墙及掌子面上岩 面的平整度达不到规定要求，也无法按设计方案布置锚杆，只好采取在现场 较平整的位置随机布置，且在大洞室布置不下时，有部分短锚杆只好布置在 小洞洞壁上。 试验段的地质条件从总体上说是与主厂房一致的，岩性是以茅山组中 段岩屑砂岩夹泥质粉砂岩为主，岩体多呈微风化，局部弱风化状，两者均为 中厚厚层状相互交替出现。主要层面节理为 n 5 0 -7 0 0 , n e l 1 5 -3 0 0 和近 s n , wl 6 0 -8 0 0 及近e w, s l 6 0 -8 0 0 的两组。 该两组节理多呈组平行发育， 间距5 1 5 c m。试验段处无大的构造裂隙， 但节理裂隙较发育，大部分岩体 比较破碎，岩体类别为 i n -i v 类。为了对每根锚杆的受力状态进行地质影 响分析，图2 - 1 中还给出了每根锚杆附近处的详细地质素描，同时在试验中 也分别记录了每根锚杆的方位和倾角 ( 见表 2 - 1 ) ，这里的锚杆倾角是指锚 杆轴线与其水平投影的夹角。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 4页 。 中厚层岩屑砂 岩， 较破碎; 中 厚层泥质粉砂 岩， 较破碎; 中 薄层砂岩，发 育 n t 0 w , s e l 7 5 0 裂隙岩体破碎， 图2 - 1 试验段地质条件与锚杆布置展开图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 巧 页 表2 - 1 试验锚杆方位 序 号 锚 杆 编 号 锚杆长度 ( c m) 锚杆轴线与 层 面关系 锚 杆 方位 锚杆 倾 角 1 嗡 6 0 0垂直n6 0 w6 7 o 2 l i a o 6 0 0垂直n6 0g w6 50 3 l .s o o 6 0 0垂直n5 4o w 6 6o 4 1l u6 0 0 6 0 0平行n31 * e 3 - 5 l z 60 0平行n3 5 o e3 - 6 3l u6 0 0 60 0平行n41 o f2 o 7 1 2 2 4 22 4随机s41 o e5 - 8 送2 4 2 2 4 随机 s 3 9 o e5 0 9 咤 2 4 22 4随 机s6 3 e4 - 1 0 马 9 2 1 9 2随机s2 50 e8 - i 1 1 1 9 2 1 9 2随机s 3 0 0 e6 - 1 2 0 . 2 1 9 2随机s43 0 e 8 0 1 3 端 6 0 1 6 0随机n1 3 0 w4 - 1 4 端 6 0 1 6 0随机n1 6 0 w2 - 1 5 端 6 0 1 60随机n5 6 0 w5 0 1 6 0 1 2 8 1 2 8 随机 n6 90 w5 - 1 7 0 1 2 8 1 28 随机 n7 5 0 w5 - 1 8 1 31 2 8 1 2 8随机n5 3 0 w5 - 1 9 场 6 9 6随机n5 4 0 w5 - 2 0 0 9 6 9 6随机n5 7 0 w2 - 21 0 1 6 9 6 随机 n6 2 0 w5 0 2 2 心 6 4随机s 6 5 0 e3 - 23 0 6 4 6 4随机s6 00 e3 - 2 4 0 6 4 6 4随机s 51 0 e1 0 2 5 1 j 3 2 3 2 随机 s 2 8 0 e0 0 2 6 端 2 3 2 随机 s 3 5 0 e1 0 27 0 1 2 3 2 随机s 41 0 e- 4- 28 k 30 3 0 垂直 s 3 3 0 e6 40 29 k 30 3 0 垂直 s6 80 e6 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 6页 序 号 锚杆 编 号 锚杆长度 ( c m) 锚杆轴线与 层面关系 锚杆 方 位 锚杆 倾 角 3 0 ti 3 0 3 0 垂直n8 3 0 w6 5 0 31 t / i3 0 3 0 平行n3 5 0 e5 0 3 2 : j/ 2t 3 0 3 0 平行n3 8 0 e60 3 3 : / 3ti 3 0 3 0 平行n3 5 0 e8 0 2 . 1 .4测试内容与测量方法 试验中锚杆的测试内容主要有三项: 1 .锚杆杆体的轴向应变测量 这是本次试验的主要测试内容。试验中，每组锚杆共有 3根，其中 2 根为应变测量锚杆，每个测点分别在钢筋相同长度位置上对称的两侧各布置 一个应变片， 测点布置见图2 - 2 ， 图中所标长度单位为c m. 测试元件是3 x 1 0 的应变片，记录仪器为y j - 2 6 液晶显示应变仪。该项测试的关键技术是帖在 锚杆杆体上的应变片在孔内注浆体中的防腐绝缘技术，这也是目 前影响锚杆 测试技术的一个关键因素。我们在进行了长期摸索研究和反复试验的基础 上，成功地解决了该项技术，在试验中应变测点的有效率几乎达到了 1 0 0 % ( 有两个测点是在从我所向试验现场的运输过程中被挤坏而失效) 。 5 1 : o l 7 2 s仙 翔l “ 如 九l引 萨.j户一一 - / i d i l y斗 丁 除 组一一生止-l0. z 0- ls 下 尸”=n ， 护. 产- 4 . 尹几尹 2d1 2 5 l 3 o l巧 j 3 l 司. 图2 - 2杆体轴应变测点布置 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 7页 2 .锚杆杆端位移测量 位移测试仪器为千分表，安装方式见图2 - 3 。其中，图2 - 3 a 是锚杆端部 无混凝土垫磁的千分表安装方式，图 2 - 3 b是锚杆端部有混凝土垫磁的千分 表安装方式。 千斤顶 口q ? 7 5 0 ) 带侧孔的金属套环 a ) 无垫磁b ) 有垫徽 图2 - 3杆端位移测试方案示意图 3 . 岩体表面位移测量 测试方法仍采用千分表，测点布置 分别距杆体径向距离为5 , 2 5 , 5 0 c m, p 平 5 . 2 0 . 2 5 c m 在选择测点时应尽量离开托梁支座的影 响 ( 如图 2 - 4 ) 。该项测试只对锚杆内 锚固段承载力试验进行，对其它两项试 验不进行。 除了上述三项测试内容之外，我们 还用千分卡尺测量了张拉过程中千斤顶 活塞的伸出量 ( 以便与杆端位移测试结 果对照)和千斤顶的油压值 ( 以计算其出力) 。 2 . 1 .5 试验锚杆的现场施工与养护 图2 - 4杆端位移测试示意图 首先在试验段的岩面上根据其平整度布置锚杆孔位，并作好锚杆编号 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 8页 的标记。然后用一台 k z j - 1 0 0 b型的潜孔钻机风压钻孔，钻头直径 8 5 m m. 成孔直径 9 0 m m 。钻孔深度一般按设计要求多钻 5 - 1 0 c m 。 孔钻好以后先用 清水洗孔，然后再把孔中的水用高压风吹出。 安装锚杆之前先在锚杆上设置对中支架，因杆体较短，刚度较大，一 般只在杆体的两端各设置一个对中支架，个别较长的锚杆中间再加一个。对 中支架设置好之后，还要布设注浆管和排气管，然后开始注浆。注浆前要按 材料配比在搅拌机内把材料搅拌均匀，通过注浆管在一定的压力下 ( 一般在 0 .5 一 0 .8 m p a ) 把注浆体注人到钻孔中，直到注浆材料由排气孔中溢出为止， 然后把注浆管扎死，防止孔内浆液外流，静置硬化。在硬化之前不允许扰动 杆体，同时也要把测试导线保护好。注浆后自然养护 1 4 天开始张拉试验。 2 . 1 . 6 张拉设备与试验步骤 试验中锚杆的张拉设备是由我部自行研制的 2台张拉千斤顶，型号为 y q q - 7 5 0 和y l q - 4 0 0 ，该千斤顶的最大出力分别为7 5 0 k n和4 0 0 k n ，最大 行程分别为 1 5 0 m m和 5 0 m m 。该设备体积小， 性能稳定， 操作使用方便。 千斤顶油压是由手动油压泵提供，中间用高压油管相连接，整个加压系统油 压稳定，不漏油，出力均匀，能较好地满足试验要求。具体试验步骤是:先 设置垫嫩，安装托梁，调整千斤顶高度，使托梁平面与杆体轴线基本垂直， 安装千斤顶，连接油路，测试连线，调平仪器，试压 ( 2 0 k n左右)一切正 常后卸压，再调平仪器，记下初读数，正式加载试验。试验时锚杆张力分级 施加，每级增量一般为2 5 k n左右。每加一级荷载稳定五分钟左右，进行测 试记录， 然后再加下一级荷载， 直至加到最大试验荷载为止( 一般为p = 2 8 0 - 2 9 0 k n左右) 。 2 . 2 试验方法分析 2 .2 . 1实际工程中锚杆受力特点分析 实际工程中洞室、边坡或基坑中的普通锚杆受力特点如图2 - 5 所示。其 所受的力是由 杆端附近的岩体向外变形引起的，这种变形是由于岩体开挖之 后表层岩体应力被解除， 在应力重新调整的过程中，表层一定厚度的岩体必 然产生向 外的变形， 这种变形牵拉杆体向外位移，同时较深部的岩体要对杆 体的向外位移产生约束作用，这样在杆体上就分成内外两部分完全不同的受 力状态。 杆体外面部 分，即1 。 段， 杆体表面剪应力方向向 外;里面部分，即 州 . . . 曰. . 口. . .一 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 9页 1 。 段， 杆体表 面剪应力 方向 向内， 如图 2 - 5 a 所 示。 在内 外 段交界 处锚杆上 的剪应力为零， 这就是所谓锚杆的中性点理论。 剪应力沿杆体的分布如图2 - 5 b 所示;轴应力沿杆体的分布如图 2 - 5 c所示。上述轴应力分布形态已为工程 实践所证实。因此，要想使现场拉拔试验结果能正确地反映工程实际，就应 使试验的锚杆受力状态与图2 - 5 中所示的锚杆受力状态一致。 _ f n 图2 - 5实际工程中锚杆的受力状态分析 2 .2 .2常规的锚杆现场拉拔试验方法及存在的主要问题 以往所进行的锚杆现场拉拔试验，一般都是用千斤顶在锚杆的外端施 加一个张力p ，在p的作用下，杆体内的受力状态如图2 - 6 所示。当施加的 张 力p 达到 某一数值时， 如p 二 p o 时， 杆体被拔出， 则认为p o 即 为 该锚杆的 极限承载力。此时注浆体与杆体之间的平均粘结力或称结合力t oo ， 用( 2 - 1 ) 式表示: ( 2 - 1 ) 第 2 0页 西南交通大学硕士研究生学位论文 注浆体与孔壁之间的 平均粘结力d o ， 用( 2 - 2 ) 式表示: nr.母1 心b ) c ) 图2 - 6常规拉拔试验方法中锚杆的受力状态 图2 - 7合理的锚杆现场拉拔实验方法 ( 2 - 2 ) 式中d , d , l 分别为锚杆直径、钻孔直径和锚杆长度。 第 2 1页 西南交通大学硕士研究生学位论文 上述试验方法对起牵拉作用的锚杆，如电线杆两侧的锚固装置等是合 适的，而对洞室、基坑或边坡中的锚杆则不能很好地反映其实际受力情况。 因为在上述岩土工程中的锚杆，其外端并不存在一个张力 p ，在杆体内所产 生的剪应力方向不同，剪应力和轴应力沿杆体长度的分布形态也不一样 ( 见 图2 - 5 与2 - 6 ) ，因此， 按常规方法进行的锚杆现场拉拔试验不能很好地反映 洞室、边坡等岩土工程中的锚杆实际受力状态。 2 .2 . 3锚杆现场拉拔试验方法 为了使试验结果能较好地反映工程实际，我们提出了一种新的锚杆现 场拉拔实验方法，该方法的原理是把锚杆的受力分成两部分，一部分受岩体 的 外 鼓变 形作 用， 即 图2 - 5 中 的1 。 段， 另 一部 分受岩 体的 约束作用， 即 图2 - 7 中 的1 ， 段， 锚杆的 承 载能 力大 小只 与 受约 束的 部分1 。 段 有关， 与l 。 段 关系 不大。 现 场试 验的目 的 就是 要确 定lb 段的 长 度与 锚杆张 力p 的 对 应关系。 具 体作 法 是: 我 们用千 斤 顶的 张 力p 代替表 层岩 体的 外 鼓力， 作用 到lb 段的 外 端上，同 时对1 。 段的岩体表面 ( 原是分界面) 创造一个自 由 变形条件， 为此 使千斤顶的反力通过托梁支座传 到远离l b 段的 岩体表面 上去， 如 图 2 - 7所示。为了叙述上的方 便，参照在预应力锚索的名词 中， 把1 。 段叫 锚杆的 张 拉段、ib 段叫锚杆的内锚固段， 将该试验 方法称作锚杆的内 锚固 段承载力 试验。 按上述方法进行的试验，锚 杆内 力简图如图2 - 7中 a , b , c 所示。 将其与图2 - 5 中i 6 段对比， 可以看出二者的受力状态基本一 致。图2 - 6 与2