（岩土工程专业论文）自旋锚杆的研究分析与应用.pdf

论文题目：自旋锚杆的研究分析与应用 专业：岩土工程 硕士生：韦正范 指导教师：惠兴田 摘要 ( 签名) 丰蠡蓖 ( 签名) 速秘l 。在煤矿井巷中，回采巷道的长度占矿井巷道总长度6 0 以上，其服务期较短，在满 足安全的前提下，应尽可能减少支护费用，降低支护成本将锚杆进行回收不仅是节约 成本的一种很好的手段，同时也可以实现资源再利用。因此，研究可回收锚杆在回采巷 道中的应用具有十分重要的现实意义。 自旋锚杆是一种无粘结剂的可回收新型锚杆，其锚固力主要是靠刻入岩体的螺丝与 岩体之间的摩擦力提供。国内外很多学者对锚杆的荷载传递机理进行了研究，得到多种 锚杆荷载传递机理模型，有剪应力分布的指数函数模型、剪应力分布的高斯曲线模型等， 但上述荷载传递机理模型主要是针对粘结剂的树脂锚杆或砂浆锚杆进行研究，不适用于 无粘结剂自旋锚杆。本文主要对自旋锚杆在巷道支护中的荷载传递机理进行了研究，得 出了如下结论：自旋锚杆螺旋段的摩阻力分布服从双曲函数模型；摩阻力分布与岩体的 性质以及锚杆所受拉力的大小有密切关系。 对于无粘结剂锚杆( 楔缝式锚杆、涨壳式锚杆等) 的锚固力，很多学者都进行了深 入研究，并推导出了较完整的抗拔力公式。由于自旋锚杆是一种新型锚杆，工程应用过 程中，其抗拔力的确定一般都是通过现场试验和工程类比法获得。目前，南京水利科学 研究院汪滨对自旋锚杆进行了试验研究，推导出了自旋锚杆在砂土中的抗拔力公式，但 不适用于岩体。本文分析了单根自旋锚杆的受力特点，推导出了自旋锚杆在岩体中的抗 拔力公式，得出自旋锚杆抗拔力与岩体的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关。通常， 单根锚杆抗拔力无法满足实际工程要求，需要多根锚杆共同承担，因此要考虑群锚效应， 对单根锚杆锚固力进行折减，本文针对不同锚杆间距、不同性质的岩体进行分析，拟合 出群锚的折减系数。 由于螺旋锚的安装过程及工艺与其它锚杆不同，需要施加一定的扭矩和轴压。因此， 笔者对自旋锚杆安装扭矩进行了深入研究，通过对锚叶进行分析，推导出了安装自旋锚 杆所需的扭矩和轴压公式，得出自旋锚杆的安装扭矩与自身的几何形状、岩体特性和安 装深度等因素有关。最后将自旋锚杆应用于东坡矿务局7 1 2 切眼巷道中，通过监测施工 过程中锚杆的受力状态和巷道的变形情况，证明了自旋锚杆的锚固力能达到设计要求， 完全可以在巷道支护工程中推广应用。结果表明，使用自旋锚杆不仅提高了经济效益， 而且节约了施工时间。 关键词：白旋锚杆；传力机理；折减系数 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d ya n da p p l i c a t i o n o fs p i n n i n ga n c h o rb o l t s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i q u e n a m e：w e iz h e n g f a n i n s t r u c t o r ：h u ix i n g t i a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i nt h et u n n e lo fc o a lm i n e ，t h el e n g t ho fs t o p i n gt u n n e la c c o u n t sf o ra b o v e6 0 o ft o t a l t u n n e ll e n g t h , t h es u p p o r t i n ge n a p e l l s ea n dt h es u p p o r t i n gc o s ts h o u l db er e d u c e da sf a ra s p o s s i b l eu n d e rt h es a f ep l 研n i b e c a u s eo fi t s $ h o r t 盯s e r v i c e t i m e ，a n dt or e c y c l ea n c h o rh o l t i sn o to n l ya g o o dm e t h o dt o 鬟w et h ec o s t , b u ts i m u l t a n e o u s l ya l s om a ym a k et h e “络o i 嘲 l i s e 瓤啦t h e r e f o r e , i th a se x t r e m e l yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ea p p l i c a t i o n o f r e c u p e r a t i v ea n c h o rb o l ti nt h es t o p i n gt u n n e l t h es p i n n i n ga n c h o rh o l ti san e wk i n do fn o l l - c e m e n 血gr e c u p e r a t i v ea n c h o rh o i t , w h o s ea n c h o r i n gf o r c ep r i m a r i l yd e p e n d so nt h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e 宅t tt h e9 吼州e n g r a v i n g i n t ot h er o c km a s sa n dt h er o c km a s si t s e l f s t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e dt ot h el o a d t r a n m f i s s i o nm e c h a n i s mo fa n c h o rh o l tb ym a n yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s ，a n dh a v e o b t a i n e dm a n yk i n d so fl o a dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mm o d e l so fa n c h o rh o i t , i n c l u d i n g e x p o n e n t i a lf u n c t i o nm o d e lo fs h e a r i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o na n dg a u s s i a nc u g v m o d e lo f s h e a r i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o na n df l oo n , b u tt h e s em o d e l si sm a i n l ym m i n ga tc e m e n t i n gr e s i n a n c h o rh o l to rm o r t a ra n c h o rh o i t , a n dn o ta p p l i c a b l ef o rt h en o n - c e m e n t i n gs p i n n i n ga n c h o r b o l t s t u d i e sh a v em a i n l yb e e nd o n et ot h el o a dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fs p i m l i n ga n c h o r h o l tu s i n gi nt h et u n n e ls u p p o r ti nt h ea r t i c l e , a n dh a sd r a w nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：t h e f r i c t i o n a lr e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o no fs p i r a ls e c t i o no fs p i m l i n i ga n c h o rh o l to b e y sh y p e r b o l i c f u n c t i o nm o d e l ，a n di t sd i s m o u t i o nh a sc l o s er e l a t i o nw i t ht h en a t u r eo f r o c km 掷a sw e l la s t h et e n s i l ef o r c em a g m t o d eo fa n c h o rh o l t d e e ps t u d i e sh a v eb e e nd o n et ot h ea n c h o r i n g f o r c eo fn o n - c e m e n t i n ge n c h o rb o l t si n c l u d i n gw e d g e da n c h o rh o i t , s h e l l - e x p e n d i n ga n c h o r b o l ta n ds oo nb ym a n ys c h o 衄a n dm o r ec o m p l e t ew i t h d r a w a lr e s i s t a n c ef o r m u l a sh a v e b e e ni n f e r r e d b e c a u s et h es p i n n i n ga n c h o rh o l ti san e wk i n do fa n c h o rb o i t , a n di t sw i t h d r a w a l r e s i s t a n c ei sg e n e n d l yd e t e r m i n e dt h u l ；ht h ef i e l dt e s ta n dt h ep r o j e c ta n a l o g ym e t h o di nt h e 刚e c ta p p l i c a t i o np r o c e s s a tp r e s e n t , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v eb e e nd o n et ot h e s p i n n i n ga n c h o rb o l tb yw a n gb i n r e nw o r k i n gi nn a n j mw a t e rc o n s e r v a t i o n a c a d e m y o fs c i e n c e a n di t sw i t h d r a w a lr e s i s t a n c ef o r m u l a si nt h es a n d h a v eb e e ni n f e r r e d , b u ti t sn o t a p p l i c a b l ef o rr o c km a s s 1 1 地s t r e s sc h a r a c t e r i s t i c so f a s i n g l e 缸c h b o l th a sb e e na n a l y , 捌 i nt h i sa r t i c l e a n di t sw i t h d r a w a lr e s i s t a n c ef o r m u l a si nr o c km a s sh a v eb e e ni n f e r r e d , a n dw e f i n a l l yo b t a i n e dt h a tt h es p h m i n g 缸c h o r sw i t h d r a w a lr e s i s t a n c eh a sr e l a t i o n s h i pw i t ht h e r o c k1 1 1 a s s sc e m e n t i n gp o w e r , f r i c t i o na n g l e , e x t r u s i o np r e s s u r ea n ds oo i lu s u a l l y , as i n g l e a n c h o rb o l t sw i t h d r a w a lr e s i s t a n c ec a n ts a t i s f yt h ep r a c t i c a lp r o j e c tr e q u e s t , a n di tn e e d s m u l t i p l ee m c h o rb o l tt ow o r kt o g e t h e r , t h e r e f o r e , t h es i n g l ea n c h o rb o l t sa n c h o r i n gf o r c e s h o e db er e d u c e dt oc o n s i d e rt h ea n c h o r s g r o u pe f f e c t i nt h i sa r t i c l e , i nv i e wo fd i f f e r e n t a n c h o rb o l ts p a c i n gd i f f e r e n tn a t u r eo fr o c km a s s ，t h ea n c h o r s g r o u pe f f e c ti sa n a l y z e da n d t h er e d u c t i o nc o e f f i c i e n to f g r o u p 黜h o rb o l ti sf i t t e d b e c s u s et h ei n s t b l l s t i o na n dt h ec r a f to f s p i r a la n c h o fb o l t si sd i f f e r e n tf r o mo t h e ra n c h o r b o l t s , n c c d m gt oe x e r ta c e r t a i nt o r q u ea n dt h ea x i sp r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h ei n s t a l l e dt o r q u eo f s p i n n i n ga n c h o rb o l t sh a sd e i t yb e e na a a l y z e db yt h ea u t h o r , a n dt h et o r q u ea n dt h ea x i s p r e s s u r ef o r m u l a sf o ri n s t a l l a t i o no fs p r a n g 缸c h o fh a v eb e e ni n f e r r e dt h r o u g ha n a l y s i so f t h ea n c h o rl e a f , a n dw eo b t a h l e dt h a tt h ei n s t a l l e dt o r q u eo f s p i n n i n ga n c h o rb o l t sh a sr e l a t i o n w i t hi t so w ng e o m e t r ys h a p e ，t h ec h a m c t e r i s u co fr o c kn l a s sa n di n s t a l l e dd e p t ha n ds o0 1 1 f i n a l l y , b a s e do nt h et h e o r yo f s e l f - s t a b l eh i d d e na r c h , t h es p i n n i n ga n c h o rb o l t sa r ca p p l i e dt o 7 1 2c u t t i n gt u n n e lo f t h ed o n g p oc o a lm i x 蛤9a n dp r o v e dt h a tt h ea n c h o r i n gf o r c ec a na c h i e v e t h ed e s i g nr e q u e s ta n di t sf e a s i b l ef o rt h ea p p l i c a t i o ni nt u n n e ls u p p o r te n g i n e e r i n gt h r o u g h t h em o n i t o ro ft h ea n c h o rb o l t ss t r 髓ss t a t ea n dt h et u n n e l sd e f o r m a t i o ns i t u a t i o ni nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s 1 1 圮r e s u l ti n d i c a t e st h a tu s i n gs p i n n i n g 踯c b o rb o l t sn o to n l ye l l h a l l c c s t h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y , b u ta l s os a v e st h ec o n s t r u c t i o nt i m e k e yw o r d s ：s p i n n i n ga n c b o rb o r f o r c et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m r e d u c t i o nc o e f f i c i e n t 西妥错技支学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料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 学位论文作者签名：韦五i 琶日期：声却牟对 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：韦王屯指导教师签名：受勿汐 舻舌月日 1 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出 目前，国内外适用于不同条件，具有不同功能的锚杆有数百种之多，按锚杆与被锚 固体( 煤、岩体) 的锚固方式大体可以分为粘结式、机械式和摩擦式三类；按锚固段的长 短可以分为端头锚固、全长锚固和加长锚固；按锚杆的工作特性可以分为刚性锚杆和可 延伸锚杆；根据锚杆的长度大小可以分为普通锚杆和高强锚杆【l 】。就煤矿而言，也有数 十种类型的锚杆用于围岩的临时支护或永久支护，与其它支护材料和类型相比，锚杆支 护具有独到之处。锚入岩体内部的锚杆，使一定范围内的围岩成为支护结构不可分割的 组成部分，充分发挥了围岩自支承做用，变。岩石载荷”为“岩石承载”，提高了围岩 自身强度和自稳能力，显著减小了支护体积和支护材料。 近年来，回采巷道支护技术在原有支架支护的基础上取得了很大的发展，新型锚杆 支护技术在类型上也不断地推陈出新，先后实验成功了单一锚杆支护；锚、粱支护；锚 网支护；锚、网、梁支护；锚、棚支护以及锚注支护等 2 - 5 1 。尽管锚杆支护技术己在实 际应用中取得了良好的效果，但在煤矿井巷中，由于回采巷道的长度占矿井巷道总长度 6 0 以上，其服务期较短，所以在满足安全的前提下，应尽可能减少支护费用，降低支 护成本，将锚杆进行回收，这样既可以实现资源再利用，又可以节约成本。因此，研究 开发可回收锚杆在回采巷道中的应用具有十分重要的现实意义。 近年来可回收锚杆的研究工作已引起了社会各界的广泛关注，根据岩层地质条件的 不同，已研制出不同类型的可回收锚杆： ( 1 ) 倒楔式锚杆。由固定楔、活动倒楔、杆体、垫板和螺母等组成。固定楔用铸铁 浇铸在杆体一端，也可用螺纹与之相联，大头在孔底。活动楔用铸铁制做，小头在孔底。 安装锚杆时，倒楔捆绑在固定楔上一同送人孔底，用小直径钢管或钢棍顶住倒楔进行锤 击，即可把锚杆固定在孔底岩石上，再套上垫板，拧紧螺母，锚杆结构见图1 1 。 图1 1 倒楔式锚杆结构示意图 ( 2 ) 涨壳式锚杆。在锥形螺帽的作用下张开，锚固在钻眼内。涨壳式锚杆支护的涨 西安科技大学硕士学位论文 壳与螺杆连接着，但不构成一个整体。因此，螺杆能回收再用。其工作原理如下：转动 螺杆，使锥形楔子或锥形螺帽向下移动，使涨壳向左右张开。这样，涨壳便切入岩体， 把各分层联成一个岩石梁。涨壳式锚杆对钻孔尺寸的精度要求低，锚固力一般在5 0 k n 以 上。锚杆回收后，可用于服务年限较短的工程或临时支护的巷道。但是涨壳式锚杆对不 同岩层的锚固力变化太大，安装工艺未出现机械化，推广受到一定的限制。其结构图如 图1 2 所示 巳? ? fr ，i ff fr ，f ? ? l _ ，一r 习 l ，- ， l 一螺母二一垫板3 杆体4 胀壳体5 锥体 图1 2 塑料胀壳式锚杆 ( 3 ) 自旋锚杆。自旋锚杆是六十年代以来开始研制和试验的一种新型锚杆，由直径 为2 5 - , , 3 0 挣册的3 号冷拉钢筋轧制而成，锚杆长度为1 0 0 0 一1 8 0 0 m l ，螺距为2 0 r a m ，螺 纹棱线高为7 m m 左右，锚杆的下端有特制方头，用来与钻眼安装机连接和托住垫板。 拧入锚杆时不需要用机械的方法强迫推进，利用人工方法稍加轴向推进力，锚杆即可拧 入钻眼，然后靠电钻回转力矩完成。自旋锚杆采用煤矿一般通用的电钻拧入，不需要冲 击力，自旋锚杆支护可以有效地应用于中等硬度以上的围岩中，锚固力一般在8 0 k n 以 上。在回采其间，利用电钻反转锚杆，锚杆即被旋出，实现了锚杆回收再利用。自旋锚 杆的结构示意图如图1 - 3 所示。 图1 3 目旋锚杆的结构示意图 由上面所述可以看出，可回收尼龙套端锚式锚杆锚固力偏低，无法满足设计要求； 涨壳式锚杆针对不同岩层，其锚固力变化太大，锚固力难以确定，致使可回收锚杆的推 广受到一定的限制；自旋锚杆的锚固力通过在现场做试验均能达到设计要求，但是在其 应用过程中，会遇到一系列问题，比如锚杆的可靠度问题、锚固力在后期能否达到设计 要求、螺纹间土体的受力破坏情况以及锚杆各个参数对锚固力影响的大小等，这些问题 大大制约着自旋锚杆的发展，问题出现的关健是缺乏对锚杆特征与参数的了解，使得自 2 1 绪论 旋锚杆设计理论研究在一定程度上落后于锚杆的实际应用，对锚杆支护实践没有起到指 导作用。因此，很有必要对自旋锚杆进行深入研究，为其设计提供一定的理论依据 i i - d l 。 1 2 自旋锚杆的国内外发展动态 自旋锚杆最早使用时间可以追溯到1 8 3 3 年亚历山大米切尔时期，在英格兰潮汐内 湾周围，人们采用自旋锚杆支撑灯塔作为灯塔的基础。有资料记截，英国入曾在1 8 6 3 年将设计的自旋锚杆用于布赖顿西直码头及轻质房屋基础。 有关自旋锚杆的系统研究工作始于2 0 世纪5 0 年代1 9 5 0 年，w i l s o n 在螺旋桩的 承载力和桩的沉降方面进行了很多研究，包括模型试验和荷载试验，提出了扭矩和桩的 承载力之间的关系以及设计公式。后来，一些研究人员对w 1 s o n 的理论提出了建议并 作出一些修正，m e y e r h o f 在2 0 年世纪五六十年代针对螺旋桩的承载力问题提出了塑性 理论，并提出了抗拔力的计算公式；s k e m p t o n 也提出了螺旋桩的承载力公式。2 0 世纪 8 0 年代，e c l e m e n c e 也提出了抗拔力的计算公式，并对交变荷载作用下的承载力进行了 试验研究；2 0 世纪9 0 年代，s n a r a s i m h a r a o 等人对自旋锚杆在粘土及淤泥中的力学性 能进行了试验研究；a s h r a f g h a l y 等人利用计算机分析手段对自旋锚杆的抗拔力进行了 深入细致的研究，并对斜锚、地下水的影响、安装扭矩、群锚等问题进行了试验研究嘲 随着研究工作的深入，从2 0 世纪5 0 年代开始，自旋锚杆逐渐在国外发展成为工程 中的实用技术。a b c h a n c e 公司在输电线塔的基础工程中采用自旋锚杆，1 9 5 9 年制定 了第一个有关自旋锚杆的标准p i s a ( p o w e ri n s t a l l e ds c r e wa n c h o r s ) ，随后根据不同工 程的需要制定了不同系列的自旋锚标准。早期原始的自旋锚杆慢慢地演变成今天标准化 生产的自旋锚杆。 我国自旋锚杆的引进与使用始于2 0 世纪9 0 年代初，在此之前也有少量的自旋锚杆 作触探试验加载的反力装置。在水利行业，南京水利科学研究院洪晓林等人系统地引进、 开发与研究了自旋锚固技术，并将其应用于防灾减灾领域。同一时期，国内武汉水利水 电力学院王钊教授等开始将自旋锚固技术应用于基坑支护和输电线塔基础，到了2 1 世 纪初，一些小型自旋锚杆在煤巷支护领域中开始应用。总体来看，在我国水利、电力、 建筑、煤炭行业都开展了自旋锚固技术试验研究工作，但该项技术试验还处于推广初期， 大规模的使用尚未开始。 目前，我国的经济建设正处于飞速发展时期，土木工程的建设规模不断扩大，鉴于 自旋锚杆用途广泛、优点突出，在我国有着良好的应用前景。 自旋锚固技术要在我国进行推广应用，还有许多工作有待进一步加强，主要包括以 下几个方面： 。 ( 1 ) 自旋锚杆的投入实验工作量还不够，对自旋锚杆的锚固机理研究还不够深入， 还有许多尚未弄清的地方； 西安科技大学硕士擘住论文 ( 2 ) 锚杆的荷载传递机理还没有弄清，还需进一步的研究； ( 3 ) 充分利用、改装现有的钻孔等常用的相关施工设备，研制、开发自旋锚杆安装 专用施工设备，使自旋锚杆安装时设备选择、调用较为方便； “) 制定有关自旋锚杆在工程中应用的相关技术规范，为自旋锚杆的选用与工程设 计提供依据，开发自旋锚杆在工程中的应用设计软件； ( 5 ) 加强自旋锚杆技术的进一步发展和创新，及时解决工程实践中的新问题； ( 6 ) 培育自旋锚的生产、营销和施工队伍，按市场经济的模式发展自旋锚固技术， 使之在我国经济建设中发挥更大作用。 1 3 本文的主要研究内容 本课题针对自旋锚杆的荷载传递机理、锚杆的抗拔力以及安装锚杆所需的扭矩、轴 压问题，通过在巷道中做一系列试验，并利用工程软件f l a c 3 d 有针对性地进行数值模 拟，主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 假定岩体与自旋锚杆之间的摩阻力与锚杆的轴向位移呈线性增加关系，建立了 荷载传递的双曲函数模型。对双曲函数模型进行理论推导，得到自旋锚杆的轴力与摩阻 力沿螺旋段长度分布的计算值，并与数值模拟值和实测值比较，结果比较吻合； ( 2 ) 根据数值模拟得到的围岩破坏形状和自旋锚杆自身的特点，把自旋锚杆的破坏 模形简化为一个锥体形状，从而得出了自旋锚杆的抗拔力是由顶部锚叶剪切阻力、圆筒 破坏面摩擦力和锚杆摩擦力组成的结论，最后推导了单根自旋锚杆的抗拔力公式，并与 井下试验得到的值相比较，结果吻合； ( 3 ) 通过对三根锚杆进行群锚模拟分析，对不同锚杆间距、不同性质岩体的锚杆进 行了数值模拟。模拟结果表明，当锚杆群中相邻锚杆之问的间距大于1 0 倍的锚杆埋置 深度时，不存在群锚效应。随着锚杆埋置深度的增加群锚效应将减小，锚群拉拔力得到 提高，最后对数值模拟结果进行分析，拟合出了群锚的折减系数； ( 4 ) 由于螺旋锚的安装过程及工艺与其它锚杆不同，需要施加一定的扭矩和轴压在 旋转运动作用下旋入岩体中，因而安装扭矩是螺旋锚施工过程中的重要参数。通过对锚 叶进行分析，推导出了安装自旋锚杆所需的扭矩和轴压公式，得出了自旋锚杆的安装扭 矩与自旋锚杆的几何形状、岩体特性和安装深度等因素有关； ( 5 ) 将自旋锚杆用于东坡矿务局7 1 2 切眼巷道的帮部，并对巷道围岩的变形、自旋 锚杆的工作阻力进行监测，其支护效果良好。 4 2 自旋锚杆荷栽传递机理研究 2 自旋锚杆荷载传递机理研究 2 1 锚杆荷载传递机理的研究概况 锚杆的传递机理非常复杂，许多学者对此开展了深入研究，2 0 世纪7 0 年代 e v a n g e l i s t a 和o s t v r m a y e r 等分别对黏性土和粒状土中的锚杆量测到锚固体表面摩阻力沿 锚固长度呈非均匀分布 1 0 - t 1 。f 哂妇等总结了3 0 例现场试验成果，提出了临界锚固长度 概念，认为超过这个长度，极限抗拔力增加很岁1 2 1 。在基于锚杆荷载传递理论分析方法 中，p h i l l i p s 假定摩阻力沿锚固长度按幂函数分布，但只给出适用于岩石锚杆的有关参 数【1 3 1 。王建宁按共同变形原理的分析理论，是一种考虑杆体，浆体和锚固层的共同作用， 按照弹性力学的m i n d l i n 解，由变形协调条件计算锚杆内力的解析法【1 4 1 ，其结果可反映 摩阻力分布的不均匀性，但推演过程繁琐。 国内外典型的锚杆锚固段传力机理研究分析方法如下： ( 1 ) 剪应力分布的指数函数假赳1 5 1 p h i l l i p s 提出锚杆的界面粘结剪应力按指数函数分布，表达式为： 生 气= p 。 ( 2 1 ) 式中；f o 、锚固段顶端处的粘结剪应力、距锚固段顶端x 处的粘结剪应力； d 、爿锚杆直径、锚秆中粘结剪应力与主应力有关的常数。 沿锚固长度的工积分，应用边界条件，施加于锚杆的荷载p 为： p ：型玉 ( 2 2 ) a 整理式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得： 晕：a e 尘d ( 2 3 ) p 分析表明，4 值越小沿锚杆的结合应力分布就越均匀，如图2 1 所示。由上述还可 知，锚杆的锚固段长度愈短，粘结剪应力愈能得到发挥。 ( 2 ) m i n d l i n 解的简化分析方法【l 由1 7 1 m i n d l i n 解的简化分析方法；假定岩体与灌浆体为性质相同的弹性材料或灌浆体较 薄，同时假定埋入岩体中的锚杆为无限长，锚杆与灌浆体之问的变形处于弹性状态。通 过在孔口处，岩体的位移与锚杆杆体的总伸长量相等列等式，计算得出剪应力分布函数 为： 西安科技大学硕士学住论文 弘三如e 卅三幻 i n o j ，i 钆0 6 翟0 4 ( 2 4 ) ， 图2 1 不同a 值剪应力沿锚杆长度的分布 式中：f 沿锚杆长度的粘结剪应力； l，e 、 扣( 1 4 - x 3 - 2 ) a 2 曰5 p 一为锚杆所受的拉拔力o a 岩体的泊松比； e 、e 岩体和锚杆的弹性模量。 将上式进行积分可获得锚杆轴力沿锚杆锚固段的分布为： 1 n = p e x p ( 一言i ：2 ) 。 ( 2 5 ) z 该方法得到的结果是在锚固段顶端剪应力为零的单峰函数曲线。 ( 3 ) 剪应力分布的高斯曲线模式【1 s - 2 0 前面所介绍的采用局部变形理论和采用m i _ m l l i n 解的共同变形理论都是采用弹性方 法求出杆体周围的剪应力分布。其结果均显示，锚固段剪应力在顶端最大，向里逐渐减 小，而且减速也逐渐变小，最终趋近于0 ，剪应力沿锚固段的分布呈现为一条以零为渐 进线的下降曲线。但一些现场试验显示，剪应力的峰值并不位于锚固段顶点，而是出现 在锚固段中的某处，剪应力分布曲线是一种单峰曲线，这与一般理论分析的结果不吻合， 故有学者提出用采用高斯曲线方程描述f 一三曲线： 1 l = d e h l 。r( 2 6 ) 式中：口、b 、d 一待求的曲线参数，b 为负值。 随着荷载的增大，锚固段顶端的剪应力超过灌浆体的剪切强度或锚杆与岩土体的粘 结强度，剪应力的最大值移向锚杆的下端，以渐近方式发生滑动并改变粘结剪应力的分 布，如图2 2 所示。 6 2 自旋锚杆荷载传递机理研究 l 图2 2 加荷过程中剪应力变化曲线 图2 2 的曲线表明，随着锚杆荷载的增加，沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移 粘结剪应力。当锚固段锚杆全长都发挥了最大粘结剪应力时，就要发生相对于灌浆柱的 锚杆滑动，随着进一步的滑动，进而发挥摩擦阻力，锚杆达到极限承载力。此种情况下， 锚杆的剪应力分布就类似于单峰的高斯曲线分布。 由于锚固方式和锚固机理的不同，锚杆的传递力机理也不同，锚杆的剪应力沿锚杆 的轴向分布也大不一样 “2 2 自旋锚杆荷载传递双曲函数模型推导 自旋锚杆主要是利用多点接触力学原理来传递荷载的。锚杆以自旋形式进入岩体 中，杆体上的螺丝深深地刻入到岩体中形成多点接触。由于杆体上螺丝与岩石接触，在 孔壁处产生摩擦力，当岩体沿杆体轴向滑移时，刻入岩体的螺丝会与岩体产生较大的摩 擦力，阻止了岩体的滑动。开挖巷道后的围岩在重力和构造应力等因素作用下必将产生 变形，由于围岩变形产生侧向应力，挤压锚杆，侧向应力作用在螺丝之间的杆体上，而 螺丝产生反作用力作用在岩体上，这样，锚杆在侧向应力的作用下与围岩形成多点接触， 提高了锚杆的锚固作用，这种通过摩擦作用所进行的荷载传递，其传递机理非常复杂 不少学者对自旋锚杆都进行过研究【2 l - 3 e l ，有的学者认为自旋锚杆的摩阻力沿长度方向服 从均匀分布，但通过我们在巷道中所做试验的结果来看，并非如此。因此，笔者将以自 旋锚杆的受力情况为突破口，利用f l a c 3 d 软件对单根锚杆进行拉拔试验数值模拟，结 合现场试验采集到的数据，分析研究自旋锚杆的荷载传递机理。 ， 2 2 1 自旋锚杆受力的基本方程 ( 1 ) 当荷载p 较小时，本文假定被加固的岩体与锚杆之问的摩阻力与锚杆位移呈线 性增加关系，假设锚杆螺旋段的弹性变形为s 。，杆体与被加固岩体的相对位移为s 。， 锚杆的塑性变形一般很小，可忽略不计，通过对锚杆的预张拉可基本消除锚杆与岩体之 间接触间隙的影响，因此锚杆螺旋段内总位移为： s = s 0 + ( 2 7 ) 锚杆荷载传递分析简图如图2 3 所示，单位长度杆体受到的摩擦阻力用g ，表示，用 7 西安科技大学硕士学位论文 髟表示螺距间岩体的反作用力 曩习 d k 隧装豳 i 一、旦7 一厂= 一17 一_ 一、旦， i 二 。 x 7 j 1 出 一 图2 3 锚杆荷载传递分析简图 取单位长度自旋锚杆，由静力平衡条件可得： 办一7 勿一置， 根据虎克定律，锚杆杆体轴力p 与弹性变形的关系为： p ：寻瘢：e 譬 p 2 i 群占a 言 式中：d 一自旋锚杆杆体的直径； 乜岩体的弹性模量。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) ，得到： 以= 犯争+ 鲁 假定锚杆螺旋段表面摩阻力与位移呈线弹性关系，则有： qr = ，蟛= g i s m 式中：g i 岩体的剪切模量，其物理意义为，单位长度的锚固体表面上， 移产生的剪力。 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) ，整理得： s ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由单位剪切位 2 自旋锚杆荷栽传递机理研究 争一是兕+ 而4 r i = 。 q 枷2 脏懈数州愀黼酣口= 厝肭哥貅儿一， p ，。l - - 0 ，可求得锚杆螺旋段的位移为： s ：j l 。蒯玩口 4 - 阜工 ( 2 1 3 )= 一工【2 1 3 ) 础2 瓦 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，则锚杆螺旋段的轴力和表面阻力分别为； p = p ，：堡 7 耐2 4 r 徽2 e 4 r ： 一一x 用才 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可分别用于计算锚杆在荷载作用下螺旋段的位移、轴 力和表面摩阻力沿螺旋段锚固长度方向的分布，将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 9 ) 积分，得到 锚杆螺旋段固体的弹性变形为： = 面4 p + - 1 下6 p = = = r 阿x ( 2 1 6 ) 。，r 2 扭： 在锚固段顶端，瓦= 0 ，令x = 0 ，由式( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 可知该处的位移与表面 摩阻力分别为： s = = 碱4 p 口c h l ( 口爿 = 暑 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 影响q 的因素较复杂，主要与锚固体和锚固层界面的摩擦特性和法向应力有关，可 9 、，一、j 生互生d 口 一 口 ，k一， 西一如 西安科技大学硕士学位论文 通过锚杆荷载试验的p s 曲线反算求得，将式( 2 1 7 ) 代入( 2 7 ) 式得： p 一= s ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 表明，只要确定了锚杆的材料性质和几何条件，并通过p s 曲线求得锚 1 杆产生单位位移所需拉拔力p 后，即可解得口和g i ( q = 刀矿e ) ( 2 ) 荷载p 较大时，螺距间岩体破坏时锚杆荷载传递分析简图如2 4 所示，由图2 4 可以看出，自旋锚杆表面的阻力由未屈服段岩体与杆体之间的摩阻力z 和屈服段岩体之 间的摩擦力五组成，摩阻力石由上述方法求出，屈服岩体之间的摩擦力五由式( 2 2 0 ) 得出【3 1 1 ： 五= 巧0 + ( 1 一允。 ( 2 2 0 ) l | 。 式中：d 岩体的残余强度与岩体抗压强度的比值； 工，岩体屈服段锚杆的长度； 工距原点的距离： _ ，o 有效螺旋段的峰值摩阻力。 图2 4 螺距问岩体破坏时锚杆荷载传递分析简图 2 2 2 自旋锚杆荷载传递模型的结果分析和讨论 从以上各推导公式可以看出，自旋锚杆螺旋段还未岩体屈服时，比值g 。既对锚杆 荷载传递规律有重要影响，具体通过参数口表现。图2 5 ，2 6 为一组不同口值所对应的 轴力和摩阻力沿螺旋段长度的分布曲线图，图中显示，比值q e 愈大，口愈大，轴力 在螺旋段顶端衰减愈快，摩阻力在螺旋段顶端的分布就愈集中；反之，比值愈小，则口 愈小，轴力沿螺旋段衰减愈缓，摩阻力分布就愈均匀。 当拉拔力较小时，自旋锚杆的摩阻力和轴力随荷载作用点距离增大而降低，如图2 7 、 2 8 曲线b 所示，当荷载增大到一定时，最大摩阻力不断向螺旋段后端移动。同时，随 着荷载的增大，当螺距间的作用力置，大于岩体的抗剪强度时，摩阻力的最大值向下端 2 自旋锚杆荷载传递机理研究 移动，以渐近方式发生滑动并改变自旋锚杆的轴力和摩阻力分布，如图2 7 、2 8 曲线a 图2 5 轴力沿螺旋段长度分布 图2 6 摩阻力沿螺旋段长度分布 图2 7 轴力沿螺旋段长度分布 图2 8 摩阻力沿螺旋段长度分布 综上所述，锚固体表面摩阻力的分布和临界锚固长度取决于比值g i 瓦的大小，可 以推断，对坚硬的岩石锚固层，锚固长度愈短，愈能发挥摩阻力的作用。而对软岩层， 摩阻力沿整个锚固长度趋于均匀分布，所需锚固长度较长，在软岩巷道中自旋锚杆的长 度应该适当加长 2 3 自旋锚杆荷载传递机理的数值模拟分析 2 3 1 数值模拟的目的 目前，尽管各个力学分支理论都比较完善，但地下工程中用解析法解决实际问题还 不成熟，受到很多因素限制，只有在极少数的特殊情况下才会有封闭形式的解析解，对 一些比较简单的结构才能找到近似解，对大多数的工程问题，必须使用数值解法。数值 分析方法在煤矿巷道、隧道等设计与施工中应用越来越广，借助于计算机仿真模拟技术， 可以以低成本来实现较大范围内的结构，施工方案选择和参数选取。伴随着岩土力学的 发展，数值模拟软件的日趋成熟，计算机性能的提高，有限元法已成为发展最迅速的用 西安科技大学硕士学位论文 于结构分析的数值计算方法 3 9 4 5 1 。为研究自旋锚杆的荷载传递机理，本文借助于f l a c 3 d 软件进行了数值模拟分析，找出自旋锚杆的荷载传递机理与规律。 2 3 2 参数选取及边界条件 为了找出自旋锚杆的荷载传递机理，选取不同螺旋段长度( 即锚固长度) 进行分析。 本文分别取5 0 0 m m 和1 0 0 0 m m 的螺旋段进行分析，锚杆的孔径取为3 2 m m ，锚杆锚固 段的长度为5 0 0 m m ，其剖面尺寸及所旄加的边界条件见图2 9 。在划分网格时，采用在 锚杆周围划分密集、由锚杆向四周逐渐疏松的原则进行划分，具体的网格划分见图2 1 0 所示，空白单元为岩土介质单元。锚秆与岩体的参数根据东坡矿务局7 1 2 # 巷道地质报告 选取，详见表2 1 。 图2 9 白旋锚杆剖面尺寸及边界条件 2 3 3 假设条件 本节使用有限元分析软件f l a c 3 d 对自旋锚杆的应力分布规律进行验证，可将锚固 在岩体中的锚杆以及受其影响的周围岩土层看作是一个以锚杆轴线为对称轴的圆柱体。 此外，本文在用f l a c 3 d 分析中还将作如下假定： ( 1 ) 锚杆周围的岩体为服从摩尔库