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青岛科技大学研究生学位论文 柔性注压锚杆结构参数与锚固性能分析研究 摘要 柔性注压锚杆是一种新型结构锚杆，其锚固作用机理不同于传统的刚性锚 杆。通过内注压力，锚杆对锚孔施加径向挤压力，为围岩提供主动锚护。由于其 杆体本身具有柔性，可主动适应围岩运动、跟踪补偿锚固力变化。该锚杆可容易 的实现全长锚固，克服了传统锚杆与围岩粘结力不足、锚固力不稳定和对软岩与 大变形巷道适用性差的缺点。锚杆重量轻、可回收复用，经济实用。本研究能够 完善柔性注压锚杆锚固机理的研究，并为柔性注压锚杆的优化设计提出参考意 见，具有重要的理论意义和实用价值。 作者采用弹性力学、材料力学、高分子材料学、岩土力学等理论分析方法， 与实验室模拟相结合，通过有限元方法对柔性注压锚杆的三维应力场、位移场和 围岩锚固接触等进行分析计算，指导锚杆的设计与加工，优化锚杆结构设计。主 要研究工作如下： 1 柔性注压锚杆三维应力场与位移场的弹性解析分析，分析围岩因素对锚杆体 受力与变形的影响，给出柔性注压锚杆的三维应力场计算方法，并建立锚杆 变形、三维应力场与锚杆、锚孔各项参数之间的关系。 2 对柔性注压锚杆产生的锚固力分类，并对其进行弹性解析分析，分析锚杆的 结构参数对锚固力的影响。 3 运用有限元分析方法对锚杆体与围岩进行锚固接触分析，考察锚杆结构中各 参数对锚固效果的影响，归纳出影响的规律，为柔性注压锚杆的优化设计提 供指导。 4 对柔性注压锚杆进行实验室试验，测算出锚杆的拉锚力和抗剪性能，考察内 压和其他因素对它们的影响，并与理论计算结果和数值模拟计算结果进行比 较分析；进行失效试验和分析，给出它的典型失效形式，为锚杆设计制造提 供帮助。 理论计算、数值分析和实验结果表明，柔性注压锚杆能对围岩进行有效锚固， 克服了传统锚杆对软岩和大变形巷道适应性差的缺点，锚固机理合理、锚杆结构 可靠、锚固稳定性良好。柔性注压锚杆的设计应遵循文中总结的规律。 关键词柔性注压锚杆解析分析有限元分析失效分析锚固机理 柔性注压锚杆结构参数i 锚尉性能分析研究 a n a l y s i s 。a n ds t u d yo ns t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ff l e x i b l ep r e s s u r i z e d a n c h o ra n da n c h o r a g ep r e f o r m a n c e a b s t r a c t 1 1 1 ef l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o ri san e wt y p eo fa n c h o r ，t h ea n c h o r i n gp r i n c i p l e o fw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a la n c h o nt h eb o l tr a d i a l l ye x t r u d e sa n c h o r e y eb yf i l l i n gi n t e r n a lp r e s s u r e ，w h i c hc r e a t e sa c t i v ea n c h o r a g ef o ra d j a c e n tr 0 出a n d a sar e s u l to ft h ef l e x i b i l h yo fa n c h o rb o d y i tc a na c t i v ea d a p tf o rt h em o t i o no f a d j a c e n tr o c ka n dc o m p e n s a t et h ev a r i a b l ea n c h o r i n gf o r c e i ti st h ef u l l - l e n g t ha n c h o r , a n do v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a la n c h o rw h i c hi si n s u f f i c i e n t a d h e s i v ef o r c e ，u n s t a b l ea n c h o r a g e ，a n da d a p t a b i l i t yf o rs o f tr o c ka n dl a r g ed e f o r m i n g t u n n e l n l eb o l tc a nb er e c o v e r e da n dm u l t i p l e - u s e d t h ew e i g h ti sl i g h t t h i sr e s e a r c h c a l lc o m p l e t ea n c h o r i n gm e c h a n i c sa n dg u i d et h eo p t i m i z i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r e o f f l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o ri th a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n du s ev a l u e a u t h o rc h o o s e st h e o r e t i c a la n a l y t i c a lm e t h o do f e l a s t i c i t y , m e c h a n i c so f m a t e r i a l s a n dh i g hm o l e c u l a rs y n t h e t i cm a t e r i a la n dr o c km e c h a n i c s ，a n da s s o c i a t e sw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t w ea n a l y z ea n dc o m p u t et h et r i d i m e n s i o n a ls t r e s s ，s t r a i nf i e l da n d a n c h o r i n gc o n t a c tb yf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ，w h i c hg u i d e sn so p t i m i z e dd e s i g na n d m a n u f a c t u r ea n c h o r t h em a i nr e s e a r c he f f o r t s ，a sf o l l o w ： lb ya n a l y t i ca n a l y s i so ft r i d i m e n s i o n a ls t r e s sf i e l do ff l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r , a n a l y s et h ei n f l u e n c eo fa d j a c e n tr o c kt ot h es t r e s sa n ds t r a i nf l i e do fa n c h o r g a i n t h ec o m p u t i n gm e t h o do ft r i d i m e n s i o n a ls t r e s sa n ds t r a i nf l i e do fa n c h o ra n dt h e r e l a t i o no fa n c h o rd e f o r m a t i o n , s t r e s sf i e l d t h ed i a m e t e ro fa n c h o r , i n t e m a l p r e s s u r e ，t h ed i a m e t e ro fa n c h o re y ea n dt h ep a r a m e t e r so fl o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e d l a y e ro f a n c h o r 2 c l a s s i f ya n c h o r i n gf o r c ec r e a t e df r o mf l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r , m a k ee l a s t i c 青岛科技大学研究生学位论文 a n a l y s i s ，a n da n a l y z eh o wt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa n c h o ra f f e c ta n c h o r i n g f o f e e 3 a p p l yf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h ea n c h o r i n gc o n t a c to fa n c h o r a n da d j a c e n tr o c k ，s t u d yo nh o wt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa n c h o ra f f e c t a n c h o r i n ge f f e c t i v e n e s s ，i n d u c et h ei n f l u e n c i n gm e c h a n i c s ，a n dp r o v i d eg u i d a n c e f o ro p t i m u md e s i g no ff l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r 4 b yl a b o r a t o r yt e s t ，m e a s u r et h ed r a w i n ga n c h o r i n gf o r c ea n ds h e a rp e r f o r m a n c eo f f l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o ra n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo fi n t e r n a lp r e s s u r ea n d p a r a m e t e r so fi t c o m p a r el a b o r a t o r y r e s u l t sw i t ht h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s b yf a i l u r et e s ta n da n a l y s i s ，g a i nt h ec l a s s i c a lf a i l u r ef o r m st o g u i d et h em a n u f a c t u r eo fa n c h o r t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，n u m e r i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t et h a tt h e f l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o ri se f f e c t i v eo na n c h o r i n ga d j a c e n tr o c ka n do v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a la n c h o rt h a ti sn o tg o o da ta d a p t a b i l i t yf o rs o f tr o c ka n d l a r g ed e f o r m i n gt u n n e l t h ea n c h o r i n gm e c h a n i c si sp r o p e r , a n c h o rs t r u c t u r ei sr e l i a b l e ， a n dt h es t a b i l i t yo fa n c h o r a g ei sg o o d t h ed e s i g no ff l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r s h o u l dk e e pt ot h es u m m i n g u pl a w k e yw o r df l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r a n a l y t i ca n a l y s i s f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s f a i l u r ea n a l y s i s a n c h o r a g em e c h a n i c s 主要物理量名称及符号表 巴压缩带的支护抗力 锚杆间距 玎一拱形压缩带支护抗力系数 p , u 一最小支护抗力 只一组合梁载荷 f 组合梁的有效厚度 口一组合梁跨度 k 一安全系数 亿一软岩或动压巷道围岩载荷 增大系数 矿一与组合层层数有关的系数 吼岩体平均实验抗拉强度 k 锚杆长度 厶一锚杆外露端长度 岛一锚固端长度 叩一最下层岩层抗拉强度折减 系数 仃。一最下层岩层的实验抗拉强 度 扛一最下层岩层的厚度 一最下层岩层的容厚 只高强度钢丝所受的拉力 最高分子材料所受的拉力 e 高强度钢丝的弹性模量 r 高强度钢丝的根数 d 高强度钢丝的直径 e 高分子材料的弹性模量 d 锚杆内径 d 锚杆外径 p 锚杆加注的内压 p 拉拔荷载 n 锚孔的直径 1锚杆体材料的泊松比 口。锚杆体所受的径向应力 仃。锸杆体所受的环向应力 “。锚杆体的径向位移 五拉密常数 e 围岩材料的弹性模量 口围岩材料的泊松比。 仃。围岩所受的径向应力 仃。围岩所受的环向应力 b 钢丝卜嘲丝的许用应力 柔性洼压锚杆结构参数。j 锚固性能分析研究 尸】钢丝许用拉拔荷载 p ，】高分子材料的许用应力 口锚杆与弱面的夹角 i 。锚杆最大抗剪力 州 - 高分子材料的许用拉拔荷载 咽环板上的最大拉应力 【f 】钢丝与锚杆体高分子材料之 k 系数 间的最大许用剪切强度 h 】托板材料的抗拉强度 【尸”1 锚杆最大许用剪切拉拔荷载b 托锚力 【p 】锚杆的最大许用拉拔载荷d 。托板直径 尼锚杆最大拉锚力 “锚杆耐磨承载层摩擦系数 三有效锚固长度 【】锚杆的许用轴向力 妇】锚杆的许用切向力 i l r一托板的厚度 t一系数； m 一托板抗拉强度 巴锚杆胀锚力 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其 他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人躲乡灿糸 日期：依炉7年月印日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密一 ( 请在以上方框内打“4 ) 本人签名：岁出山。寿、日期：沙口7 年多月加日 导师签名日期：矽。7 年石月加日 青岛科技人学研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 锚杆与锚固技术的发展回顾 巷道开挖后，破坏了岩体原始的力学平衡，围岩应力重新分布，表现为底板 下沉、底板鼓起、两帮挤入，甚至冒顶和片帮。矿压观测表明应力重分布是个时 问过程，并且围岩的收敛由浅入深，收敛速度逐渐衰减。安设在围岩中的锚杆， 其刚度、强度与围岩有较大差别，并且只能整体移动，这与围岩的不均匀形相矛 盾，从而产生了限制围岩变形的力，国标g b j 8 6 8 5 将其定义为锚固力。根据作 用机理不同，巷道支护基本分为两大类：一种是用支架、砌体等方法直接支撑围 岩，称为支护；另一种是注入水泥或化学剂等来补强围岩，以发挥围岩的自承作 用，称为加固。从锚杆与围岩的相互作用关系来看，锚杆支护是兼具有支护与加 强作用的支护形式。 锚杆支护是主动支护，与传统的棚式支护相比，具有显著的优越性，主要体 现在：可及时加固围岩，充分利用岩土自身强度和承载能力，保证施工安全与工 程稳定；改善巷道的稳定状况，有利于巷道围岩长期稳定；减轻了支护结构自身 重量，节约工程材料，大幅度降低巷道支护的成本，并提高了掘进工效。因此， 世界各国都在大力发展岩土锚固技术。探索正确的巷道支护理论、选择安全可靠 的支护方法、确定经济合理的支护参数以及实用高效的施工工艺成了长期以来人 们所致力解决的一个重大理论及技术课题。 1 1 1 国内外锚杆支护技术现状 锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，它可以起到加固、悬吊、合成梁和挤 压连接体等作用，在支护中使用锚杆可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石 本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体承载能力。 同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有节省材料、巷道断面利用率高、支护及 时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优点。因而， 井下巷道采用锚杆支护是一种行之有效的支护手段，成为世界主要产煤国家煤矿 支护的主要形式。美国、澳大利亚的煤矿巷道普遍采用锚杆支护，其支护比例已 接近1 0 0 ，英法两国煤巷的锚杆支护比例也分别达到了5 0 和8 0 以上1 2 , 3 j 。 各种锚固技术的使用距今己有9 0 多年的历史。据记载，美国于1 9 1 2 年首先 在阿伯施莱辛( a b e r s c h l e s i n ) 的弗罩登斯( f r i e d e n s ) 煤矿使用锚杆支护顶板， 柔性注压锚杆结构参数0 锚性能分析研究 1 9 1 5 年至1 9 2 0 年在金属矿山也开始使用锚杆，并有所发展和推广。从1 9 3 4 年阿 尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆及1 9 5 7 年前西德b a u e r 公司在深 基坑中使用土层锚杆至今，锚固技术在世界各地都得到了广泛应用。与此同时， 锚固技术的理论研究也引起了人们的重视。1 9 5 2 年路易斯帕内科( l o u i sp a n e k ) 等提出了悬吊作用理论，雅可比( j a c o b i o ) 等提出了合成梁作用理论。1 9 5 5 年由 拉布希威兹( r a b c e w i c z ) 提出，后由兰氏( l a n g ) 等人发展得出拱形压缩带作用理 论，成为块状岩体围岩隧道锚杆支护机理的经典理论。目前，国外仅各类岩石锚 杆就多达6 0 0 余种，每年使用的锚杆量达2 5 亿根。日本等国土锚用量在逐年成 倍增加。德国、奥地利的地下开挖工程，己把锚杆作为施工中重要的支护手段， 无论硬土层或软土层几乎没有不使用锚杆的。在我国，5 0 年代后期，先后在京西 矿务局安淮煤矿、河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位开始使用楔缝式岩石锚杆 支护矿山巷道。进入6 0 年代，普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护开始在矿山巷道、 铁路隧道和边坡整治等工程中大量应用。1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预 应力锚索。7 0 年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用土层锚杆支护。近十余年 来，随着我国改革开放后工程项目不断增加，岩土锚固技术也得到了突飞猛进的 发展。高应力、大变形、大跨度、遇水膨胀等复杂情况下的地下工程建造技术有 了新的突破。锚杆结构与工艺不断提高，新型锚固施工机具和锚固材料不断涌现； 同时，理论研究也取得了一定进展，国内不少单位采用理论分析、模型试验、现 场测试等方法，研究岩土工程中锚杆的作用机理、加固效果以及相应的设计计算 方法，为复杂地层中的锚杆设计与施工提供理论依据。相应的锚杆设计与施工规 范的颁布与实施，使得岩土锚固技术逐步走向科学化和规范化。 1 1 2 锚固工程的主要应用 随着锚固技术的拓宽和发展，其应用正在日益扩大，概括起来，锚固工程主 要有以下几个方面的应用： ( 1 ) 深基础和地下结构工程支护，主要用在深基坑支护、高层建筑地下室抗 浮、地下结构工程支护，如地下停车场、地下铁道或地下街、地下商场、地下工 业用厂房等； ( 2 ) 边坡稳固工程，主要有边坡加固、斜坡挡土、锚固挡墙和滑坡防治： ( 3 ) 结构抗倾覆应用，如防止高塔倾倒、防止高架桥倾倒、防止坝体倾倒、 防止挡土墙倾覆； ( 4 ) 在加压装置中的应用，如桩的静荷载试验装置、沉箱下沉加重； ( 5 ) 井巷及隧道工程支护，主要是用来防止隧道( 井巷) 坍塌和控制隧道( 井、 巷) 围岩变形； ( 6 ) 道桥基础加固，如防止桥墩基础滑动、悬臂桥锚固、吊桥桥墩锚固、大 2 青岛科技人学研究生学位论立 跨度拱形结构物稳固； ( 7 ) 现有结构物补强与加固，主要是利用锚固技术对己产生裂缝、变形和滑 移等破坏的现有结构物进行加固治理： ( 8 ) 其它工程方而的应用，如对水坝下游冲击区和排洪隧洞冲击区实施锚固 保护等。 1 1 3 锚杆支护理论研究综述 已有的锚杆理论研究主要从锚固系统中荷载传递机理出发，讨论了锚固系统 中荷载分布规律以及诸多因素对锚固力的影响，研究的目的是如何取得最大锚固 力。但是从工程上讲，得到最大锚固力并非最终目的。最终目的是在确保工程安 全的同时，力求经济、快速。这就要求研究如何有效、合理的利用锚固力，即从 加固效果角度出发研究锚固作用机理。 锚固的主要作用就是充分利用锚杆周围岩土层自身抗剪强度，通过锚杆传递 结构物的拉力，从而保持结构物或地层丌挖面的自身稳定。岩土锚固作用机理的 普遍认识可概括为l l 6 l ： 1 1 3 1 悬吊理论 1 9 5 2 1 9 6 2 年，l o u i sa 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峰硬岩层上，如图1 1 所示。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都的自然拱上，如图卜2 所示， 拱高可以采用普氏的压力拱理论估算。 坚硬岩层坚硬岩层 图卜1 坚硬】页板锚料的悬吊作用 f i g 1 1s u s p e n d e da c t i o no fa n c h o ri ns t i f fr o o f 利用悬吊作用进行锚杆支护设计时，锚杆长度可根据峰硬岩层的高度或平衡 拱的高度来确定，锚杆的锚固力及稚置可根据所悬吊岩层的重量束确定。 悬吊理论能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩层时的锚杆支护。但在跨度 较大的软岩巷道中，普氏拱高往往超过锚杆长度，悬吊理论难以解释锚朽支护获 得成功的原因。 莱性注压锚杆结构参数锚同性能分析研究 二：二二：二! 二：么 二二二! ：二耋 i 置一i 一叠一量。一量i ，_ ) ；) ! 蔓皇：t ：誊三蔓一： j? ：j jv，v ：j ：jj：j?。：t ： ： | | | | | | ： | | | | lj j ；i j ? j 毒三毒喜j 舞：基j ；! = ：j j ： s _ i j f ： j ：。z 扛j j ：曩m j 遮。 | | 青岛科技人学研究生学位论文 巴一压缩带的支护抗力，常取为k 。只。j n ，k ，为安全系数，尸。为最小支护 抗力： n 一锚杆间距： 露一拱形压缩带支护抗力系数，茚小于1 ，它与锚固深度和围岩应力状态有关。 成拱理论揭示了软围岩中锚杆的作用，它与组合梁理论类似。但拱形承压带 的承载能力难以确定，且很难与锚杆锸固强度联系起来。 1 1 3 3 组合梁理论 组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，如果巷道直接顶板较厚，在顶板 一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，项板锚杆的作用就是一方面依靠锚杆的锚固 力增加各岩层i 、日j 的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象：另 一方面，锚杆杆体也增加了岩层间的抗剪强度，防止了岩层间水平错动，从而将 巷道项板锚固范围内的几个薄岩层缩紧成一个较厚的岩层，这样厚岩层的最大弯 曲应变和应力都将大大减小，而且组合的粱越厚，梁内最大弯曲应变和应力也就 越小。图卜4 是顶板锚杆组合梁作用示意图，在均布载荷下，组合梁的承载能力 是叠合量的1 3 倍。 幽卜4 】_ 贞板组台粱作h j f i g 1 4c o m b i n a t i o nb e a mi nr o o f 利用组合梁理论进行锚杆支护设计时，锚杆的锚固力q 由下式确定： q 2 n 2 p ( 卜2 ) 式( 卜2 ) 中： 一锚杆的间距： 只。一最小支护抗力，根据弹塑性地压理论，若支护阻力小于最小支护抗力， 则围岩压力由变形地压转为松动地压，巷道失稳。 p , - - ，可取c 。，不小于锚固深度范围内岩体自重。 锚杆长度由式( 卜3 ) 和式( 卜4 ) 确定： 柔性注压锚杆结构参数与锚同性能分析研究 矧z 口薯 ( 卜3 ) 式( 卜3 ) 中： f 一组合梁的有效厚度； 占一组合梁跨度； k 一安全系数，掘进机掘进取2 3 、钻爆掘进取3 5 ； k 一软岩或动压巷道围岩载荷增大系数； 一与组合层层数有关的系数； ，7 一岩体抗拉强度折减系数； 吼一岩体平均实验抗拉强度。 三吖= 工l + f + 2 ( 1 4 ) 式( 卜3 ) 中： 锚杆长度； 厶一锚杆外露端长度； 厶锚固端长度。 锚杆间距的设计以保证最下一层岩层的稳定性为依据： 胍现j 蒜 m 的 式( 卜5 ) 中： 聃一最下层岩层抗拉强度折减系数； c r l 一晟下层岩层的实验抗拉强度； k 一安全系数； 矗一最下层岩层的厚度； n 一最下层岩层的容厚。 组合梁理论较好的解释层状岩体锚杆的支护作用，但难以用于锚杆支护设 6 青岛科技人学研究生学位论立 计。根据组合梁原理，组合梁实保持岩体稳定的支护体，但组合梁的承载能力难 以计算，组合梁形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。在组合梁设计中，采 用弹塑性分析得出的最小抗力来确定锚固力，往往难以准确的反映软围岩的情 况，同时将锚固力等同于框式支架的径向支护力是不确切的。 1 1 3 4 增强理论 对于节理密集破碎岩体，或是较为软弱的土体，施加锚杆，可使破碎岩体具 有完整性。在软弱土体中增加筋骨，可增强锚固区围岩土体的强度( 如弹性模量 等) 。 1 ，1 3 5 最大水平地应力理论 澳大利亚w g a l e 博- 士( 1 9 8 7 ) 通过数值模拟分析及现场观测，得到了水平应力 对巷道稳定性的最基本的认识：巷道轴向与最大主应力方向平行时，巷道受水平 应力的影响最小；二者垂直时，巷道受水平应力的影响最大；二者呈一定夹角时， 巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低，因而项板的变形会偏向巷 道的某一侧。并提出在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏， 出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于 轴向的岩层剪切错动。因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪切阻力大的 特点才能起到约束围岩变形的作用。 1 1 3 6 围岩松动圈支护理论 围岩松动圈理论认为：地应力与围岩相互作用会产生围岩松动圈；松动 圈形成过程中产生的碎涨力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象。松动 圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难。依据松动圈的大小采用不同 的原理设计支护。小松动圈直径为0 至u 4 0 c m ，采用喷射混凝土支护即可；中松动 圈为4 0 到1 5 0 c m ，宜采用悬吊理论设计锚杆支护：大松动圈直径大于1 5 0 c m ，需要 采用组合拱原理设计锚杆支护参数。松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用主 要在于确定普通锚杆的适用条件和范围。 1 1 3 7 销钉理论 销钉作用表现为两方面：利用锚杆将不稳定块体钉到深部稳定的围岩上； 锚杆穿过滑动面时，也具有阻滑抗剪作用。 根据销钉理论进行锚杆支护设计，对于块状围岩的大型洞室，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。对于普通巷道由于不连续面的 参数难以获得，以及计算分析工作量太大而难以进行。对于软岩巷道，锚固深度 不应小于剪切滑移楔体的长度，锚杆间距不应超过锚固深度的 2 ，锚固力不应 小于围岩稳定所需的最小支护抗力。 软岩中的销钉理论，是根据锚杆抵抗剪切滑移破坏提出的，但围岩破坏形式 柔性注压锚杆结构参数与锚州性能分析研究 是复杂多样的，尤其是当剪切滑移破坏受到锚杆抑制时，围岩破坏可能会转变为 其他形式，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。 上述理论反映了在特定条件和锚固方式下锚杆的加固作用，但相应的力学模 型还显粗糙，与实际情况出入较大，只是由于计算方法简单，物理概念明确，在 目前岩土锚固工程中仍被广泛应用。随着岩土锚固工程中由支撑概念向加固概念 的转变，许多研究人员通过室内模型试验、数值仿真模拟、现场试验等手段对锚 固作用机理进行了深入细致的研究。 1 1 4 锚杆锚固研究存在的问题及发展方向 一般锚杆有5 种失效方式【7 8 】：( 1 ) 粘结破坏。这种破坏有3 种情况：锚杆与粘 结剂接触面破坏；围岩与粘接剂接触面破坏；破坏面深入到围岩体内几个毫米。 ( 2 ) 杆体钢筋拉断。常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中，是杆体的 薄弱环节。采用滚丝法加工丝扣，或对该段进行热处理，是防止这种失效的有效 措施；( 3 ) 托板失效。围岩对托板的压力超过了托板的承载能力，致使托板破裂 脱落。( 4 ) 剪折失效。穿过弱面的锚杆被弱面错动剪断或折弯，致使锚固失效； ( 5 ) 锚空失效。由于局部围岩破坏造成锚固失效。锚杆或锚喷支护隧洞，由于围 岩荷裁和围岩中弱面的不均匀性，常发生局部破坏，致使锚杆剪锚力迅速丧失， 径向锚固力也大幅度降低，从而引发更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的隧 洞中，局部破坏被保护表面的构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。 锚固研究目前集中在刚性锚杆( 索) 及相关问题的研究，如锚杆的分布、作 用机理、匹配问题等。通过物理模型试验、数值仿真模拟、现场观测等手段，较 深入探讨了锚杆( 索) 加固机理。虽然研究工作取得了一定进展，但也存在不少 问题。尽管锚固技术出现较早，但对锚固系统的力学性能及其计算理论的研究却 起步较晚。虽然广大岩土力学工作者在这一领域进行了大量的工作，包括理论上 的探讨、试验研究和现场实测工作，也取得了不少成果。但由于岩土的地质条件、 施工技术条件复杂多变以及锚固体( 包括锚杆体、灌浆体等) 在岩土体中的力学行 为受众多因素的影响，给理论分析及其实测带来较大的困难，许多成果缺乏普遍 性和准确性，锚固理论的研究出现较大的困难。因此，目前锚固段的力学传递机 理的理论研究远远的滞后于应用领域。也制约了应用研究的进一步发展。主要表 现在以下几个方面。 1 、缺少合理的锚固力学传递计算模型 锚固系统是由多种介质组成，包括锚杆( 索) 杆体、灌浆材料、岩土体材料以 及这些介质交界面。在这些材料中，除锚杆杆体的力学特性比较简单之外，其余 的介质都具有复杂的力学特性。包括具有物理非线性、几何非线性、非均质性和 青岛科技人学研究生学位论文 非连续性。尤其是在这些介质的交界面上，表现更为复杂。因此，如何选择合理 的计算模型来进行描述，使问题得到简化，既能客观地反映实际情况，又能使理 论分析成为可能，获得比较切合实际的理论解，是锚固理论发展的关键。 2 、锚固体的应力分布规律还不能得到正确地描述 在锚固理论发展的早期，人们直观地认为，当锚固段在极限荷载条件下，作 用在锚固体上的剪应力沿锚杆长度呈均匀分布。因此，锚固段的锚固力与锚固长 度成f 比，导致在国内外的多数关于锚固段的计算方法及计算规范都是建立在这 一基础上。实际上，许多学者通过现场试验和实测数据注意到在不同锚固段剪应 力的不均匀性。如p h 订l i p s 采用幂级数来描述，张季如、唐保付用双曲函数来描 述i ”。由于假设与实际不符，不能j 下确地反映锚固状态的实际情况。同时作用在 锚固体上的剪应力的大小与分布与岩土体的力学性质有关，但这些都没有公式可 以很好的反映出来。根据前述的这些理论与研究，锚固段所受的最大剪应力峰值 是在锚固段的最外端，这一点是与试验结果以及数值分析结果相悖的。因此，这 些理论与研究难于推广应用。这正是锚固理论发展的一个关键问题，应该在合理 的锚固传递计算模型基础上，获得锚固段剪应力和轴向应力的具有普遍意义的分 布规律，为锚固计算和设计提供理论依据。 3 、对锚固界面的力学特性研究甚少 对于锚固理论的研究，关键应有合理的计算模型。而合理的计算模型的前提 应该是研究对象的力学特性，包括岩土体、灌浆体、锚固体以及这些介质之间的 界面。通过室内实验室工作研究表明，锚固系统的失败，大多数情况是出现在灌 浆体和岩土体之间的界面上，而恰恰是这个界面上具有复杂的力学特性，问题的 难点在于：一是不同的灌浆材料在特定的岩土材料中的界面的力学特性及其参数 是不同的；二是如何建立合理的界面力学模型。 4 、缺少锚固力学传递机理及其随荷载增大的应力分布演化研究 锚固力学传递规律及其演化过程是锚固理论的重要组成部分，它反映锚固系 统从加载到失败的过程，尤其是临近失败的力学状态。它是锚固设计的重要依据， 包括锚固有效长度的确定、锚固设计参数的选取、锚固设计方法及其安全系数的 确定等等。当然，这些工作应该建立在前面几点问题实现的基础上。 由于目前对锚固力的传递只有定性描述，多采用粘结应力均匀分布的形式。 因此应加强在软岩与大变形巷道中，摩擦式锚杆、拉压锚杆与围岩的相互作用机 理和柔性注压锚杆引起的围岩应力重分布的研究，并提出切实可行的锚杆承载力 的理论分析和实用计算方法。 鉴于理论分析和数值分析与实际情况出入较大，采用等效模型研究锚杆( 索) 的加固作用，岩体力学参数的选取难以准确把握；锚杆加固机理的研究限于刚性 柔性注雎锚杆结构参数j 锚周性能分析研究 锚杆，缺乏对柔性锚杆的研究，原有关刚性锚杆的研究结果能否用于柔性注压锚 杆有待于理论和实际的验证。因此对柔性注压锚杆的研究也就赋予了新的内容与 重要意义。 1 2 新型锚杆及岩土锚固新技术 锚杆支护是目前国内外公认的一种有效的支护方式。但由于各种锚杆的构造 不同。锚杆作用机理差异甚大，国内外大量工程实践证明，各种不同种类锚杆，在 不同的地质条件下，有不同的“支护”效果。因此，对锚杆进行分类并对其之间的 异同进行比较，已开始受到广大工程技术人员的重视【m 12 1 。 1 2 1 锚杆种类划分 锚杆种类划分的方法比较多，目前较为流行的划分方法主要有两种。 1 2 1 1 按锚固长度分类 现有锚杆按锚固长度可划分为两大类，即集中( 端头) 锚固类锚杆和全长锚 固类锚杆。锚固装置或杆体只有一部分和锚孔壁接触的锚杆，称之为集中类锚杆； 锚固装置或杆体全部和锚孔壁接触的锚秆，称之为全长类锚杆。 1 2 1 2 按锚固方式分类 集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆按锚固方式的不同又可分为三种形式，即 机械锚固型、粘结锚固型和混合型。锚固装置或杆体和锚孔壁接触，以摩擦阻力 为主起锚固作用的锚杆，称之为机械型锚杆。利用胶结材料把杆体和锚7 l 壁粘结 住。以粘结力为主起锚固作用的锚杆，称之为粘结型锚杆。锚杆体既有机械锚固 力作用也有粘结力作用的锚杆，称之为混合型锚杆。 根据上述分类方法，笔者总结了现有的主要类型锚杆，并将其进行了分类， 分类如图卜5 、图1 - 6 所示。 1 2 2 锚杆的分类比较 1 2 2 1 集中锚固类锚杆 这类锚杆是由锚杆的张拉力挤压岩体，约束岩体变形从而提高围岩强度及改 变其受力状态。一般地说，这类锚杆对锚固点要求比较高，整体结构的岩体及块 状结构的岩体( 不存在三级以上岩石结构面，其力学作用与整体结构的岩体相 似) 、围岩自稳性较好、松动圈4 0 0 1 0 0 0 m m 且不受采动影响的中等断面巷道，宜 用集中类锚杆。 1 2 2 2 全长锚固类锚杆 这类锚杆多是在岩石变形时，起锚固作用的。围岩绝对变形或锚孔壁岩石与 青岛科技人学研究生学位论文 竹锚杆 扩头地锚 机械可回收锚杆( 涨壳型) 沙结固预应力锚杆 螺旋锚片锚杆 压力分散型锚杆 水泥锚杆 树脂锚杆 图卜5 集中锚同类锚杆分类 f i g 1 5c l a s s i f i c a t i o no f c e n t e ra n c h o r 型 膨胀锚杆 木锚杆 管缝锚杆 膨胀水泥锚杆 柔性注压锚杆 全长水泥锚杆 全长树脂锚杆 钢筋砂浆锚杆 内锚外注锚杆 i 望i 1 - 6 全长锚同类锚秆分类 f i g 1 6c l a s s i f i c a t i o no ff u l l 一l e n g t h a n c h o r 锚杆相对变形时，锚杆起约束剪应力及横向变形作用。在围岩稳定性差，松动圈大 于1 米，服务年限1 0 年以上的巷道或大断面硐室宜采用全长类锚杆。 1 2 2 3 机械型锚杆 这类锚杆作用的实质，是围岩变形时，锚固装置和锚孔壁接触面产生摩擦阻 力约束围岩变形，摩擦阻力大小，主要取决于锚孔壁岩石的强度。因此，当围岩自 稳性较好时，可选用机械型锚杆。 1 2 2 4 粘结型锚杆 这类锚杆的锚固机理是利用胶结材料把杆体部分或全长与锚孔壁秸结成整 体，达到端锚或全长锚固的目的。锚固力的大小，主要取决于粘结力或胶结材料固 化后的强度，在围岩整体性不是很好的情况或有三级以上岩石结构面的块状结构 岩体，宜用粘结型锚杆。 1 2 ，3 几种常见的锚杆介绍 1 2 3 1 竹锚杆i 7 1 该类锚卡t 出杆体l 、快硬膨胀水泥锚回n 2 、托板3 与楔子4 组成，如图1 - 7 所 示。其杆体材料是由竹纤维与特种粘合剂在高温高压下加工而成，具有抗高压、 抗腐蚀、阻燃、耐久性好等特点。 l - 2 3 2 机械可回收型锚杆 该类锚杆由胀壳式锚头、带有镦头的杆体及托盘组成，如图1 - 8 所示。胀壳 柔性洼压锚杆结构参数，锚同性能分析研究 幽卜7 竹锚杆幽卜8 机械司回收型锚杆 f i g 1 7b a m b o oa n c h o rf i g 卜8m e c h a n i c a lr e t r i e v a b l ea n c h o r 式锚头由外表面加工成锯齿状的胀壳和带有内螺纹的锥形楔体组成，锚杆尾部的 镦头由杆体镦出。组装好的机械式端锚锚杆送入孔底后，旋转杆体，使锥形楔体 向下滑动，迫使胀壳张开，使锚杆锚固在岩体中。机械式端锚锚杆的锚固力主要 取决于胀壳式锚头的材质、外形、加工质量、胀壳与孔壁的接触情况、岩石性质 及锚固点附近岩石的完整性。 1 2 3 3 沙结固预应力锚杆l l 4 j 这类锚杆所利用的是砂的膨胀性所产生的与岩壁的摩擦作用而提供锚固力， 结构如图卜9 所示。在内锚头砂体长度满足要求后，砂固结预应力锚杆的锚固力 是由内锚头围岩强度和锚杆体强度决定的。其长期锚固力是由内锚头围岩的长期 变形和强度特性决定的，同时可能受砂体动载荷性能的影响。 图卜9 沙结固预应力锚杆 f i g i - 9s a n dc o n s o l i d a t e da n c h o r 1 2 3 4 螺旋锚片锚杆【1 5 , 1 6 】 图卜1 0 螺旋锚片锚杆 f i g 卜1 0s c r e wa n c h o r 螺旋锚片锚杆又称螺旋锚板。最简单的螺旋锚如图卜1 0 所示，由锚头、锚叶、 锚杆和连接件几部分组成。锚头有切入土层的作用；锚叶为螺旋状，安装时将旋 转力矩转变为向下轴向力，使整个锚杆向下运动，承载时锚叶依靠土体承担主要 载荷；锚杆有连接与传递力、力矩的作用。螺旋锚具有成本低、承载快、安装简 单、施工速度快和可回收复用的特点，广泛用于边坡的治理和抢修、堤防抢险加 固、煤巷的支护、电力与通信线塔基础和管道基础之中。 1 2 3 5 小直径快硬水泥锚杆【l z j 该种锚杆由快干膨胀水泥锚固剂2 ，等强金属杆体1 与轻型托盘3 组成，结构 青岛科技人学研究生学位论文 如图卜1 l 所示。其中，秆体采用异直径特殊对接，加大螺纹端直径，使杆体具有 等强性及可伸性，锚固端采用弯曲异性，捣入式安装。 图卜1 1 小直径快硬水泥锚杆 f i g l 一1 1 s m a l ld i a m e t r a lr a p i d h a r d e n d i n gc e m e n ta n c h o r 图卜1 2 交叉异性树脂锚杆 f i g 1 1 2c r o s so p p o s i t er e s i na n c h o r 1 _ 2 3 6 交叉异性树脂锚杆m 1 2 l 该种锚轩由树脂锚固剂2 ，交叉异性丰t 体l 与托盘3