（工程力学专业论文）柔性注压锚杆结构及其力学性能研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 l l ll l rl ll ll li i i i i iiil y 17 4 0 4 4 4 柔性注压锚杆结构及其性能研究 摘要 柔性注压锚杆具有能够主动适应围岩运动，跟踪锚固力变化进行补偿，锚固力 强，锚杆轻巧并可回收再利用，经济环保的优点。相对于传统锚杆容易出现与围岩 粘结力不足、不适于支护易出现大变形的巷道或软岩，锚固力不稳定等现象。因此 对于柔性注压锚杆的分析研究具有重要的理论意义和实用价值。本课题正是在此基 础上提出的。 本文从柔性注压锚杆的地面实验出发，结合弹塑性力学，岩土力学等理论，运 用有限元法对柔性注压锚杆进行接触分析，为该锚杆的设计及生产提供理论依据， 并将模拟结果与理论数值和试验数值进行对比，相互验证，为模型的改进，锚杆结 构的优化打下基础。本论文具体内容如下： 1 从柔性注压锚杆的锚固机理和锚固力特点出发，推导出各锚固力的计算方 法。 2 进行地面试验，研究内注压力对锚杆许用拉拔载荷和抗剪切力的影响，以及 锚杆密封性、承载稳定性试验和失效试验。并用井下试验数据对地面试验的 正确性进行验证。 3 对锚固系统进行接触分析，通过改变一个参数，考察锚杆及围岩的应力、应 变状况和接触应力的大小及分布，从而得出锚杆各设计参数对锚固系统的影 响。 4 运用强度理论建立锚杆许用拉拔载荷的数学模型，并进行接触分析，得出各 结构参数对锚杆许用拉拔载荷的影响 关键词：柔性注压锚杆，锚固系统，有限元法，接触分析，许用拉拔载荷 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 s t u d yo nt h ef l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r ，s s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t f l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o ri sa b l et oa d a p tt ot h ew a l lr o c km o v e m e n tf o r w a r d l y , c o m p e n s a t ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fa n c h o r e df o r c e i th a v em a n ya d v a n t a g es u c ha s s t r o n ga n c h o r e df o r c e ，l i g h ta n dh a n d ya n dr e c o v e r y a b l ea n dr e u s e a b l e i ti sd i f f e r e n t f r o mt r a d i t i o n a la n c h o rw h o s ec o h e s i v ef o r c ei si n s u f f i c i e n ta n da n c h o r e df o r c ei sn o t s t e a d ya n dw h i c hi sn o ta d a p tt os u p p o r t i n gt u n n e lt e n d i n gt ot w i s ta n ds o f tr o c k s ot h e a n a l y s i s a n d s t u d yo ff l e x i b l ep r e s s u r i z e d a n c h o rh a v ev e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h et a s ki sp u tf o r w a r db a s i so na l la b o u tt h a t t h i sp a p e ri ss t a r t i n g 丽mt h ea n c h o rg r o u n d - b a s e dt e s t ，c o n b i n d i n gw i t hm a n y t h e o r ys u c ha se l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c sa n dr o c k - s o i lm e c h a n i c s ，u s et h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o r d ，m a k ec o n t a c ta n a l y s i sa b o u tf l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r , w h i c hp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sc o n t r a s t e dw i t ht h e o r yv a l u ea n dt e s t d a t a ， w h i c hc a l lb ev e r i f i e de a c ho t h e ra n dm a k eab a s i so fi m p r o v e m e n to fm o d e la n d o p t i m i z a t i o na b o u tt h ea n c h o rs t r u c t u r e t h ep a p e rc o n t a i nt h a t ： 1 s t a r t e dw i t ht h ea n c h o r a g em e c h a n i s ma n da n c h o r e df o r c eo ff l e x i b l ep r e s s u r i z e d a n c h o r , c o m p u t a t i o n a lm e t h o do f e a c ha n c h o r e df o r c ei sd e d u c e d 2 m a k et h ea n c h o rg r o u n d - b a s e dt e s t ，s t u d yt h ei m p a c to fi n n e rp r e s so nt h e a l l o w a b l ep u l l - o u tl o a do fa n c h o ra n dt h er e s i s t a n c e ，m a k es e a lt e s ta n dw o r k i n gs t a b i l i t y t e s ta n df a i l u r et e s t a n dt h et e s tc a nb ev e r i f y e db yu n d e r g r o u n dt e s td a t e 3 m a k ec o n t a c ta n a l y s i st oa n c h o r a g es y s t e m ，t h r o u g hc h a n g i n go n eo fp a r a m e t e r s ， i n v e s t i g a t i o nt h es t r e s sa n ds t r a i no fa n c h o ra n dw a l lr o c ka n dt h es i t u a t i o no fc o n t a c t p r e s s ，i no r d e rt os t u d yt h ei m p a c to fp a r a m e t e r so na n c h o r a g es y s t e m 4 u s i n gs t r e n g t ht h e o r y , m a k em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea l l o w a b l ep u l l o u tl o a do f a n c h o ra n dm a k ec o n t a c ta n a l y s i sa n dd e d u c et h ei m p a c to fs t r u c t u r ep a r a m e t e ro nt h e a l l o w a b l ep u l l - o u t1 0 a d k e y w o r d s ：f l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r , a n c h o r a g es y s t e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c o n t a c t a n a l y s i s ，a l l o w a b l ep u l l o u tl o a d 目录 1 绪论1 1 1 课题问题的提出及研究意义1 1 2 锚杆支护技术发展历史与现状2 1 2 1 锚杆支护技术发展历史2 1 2 2 锚杆支护的优点3 1 3 锚杆基本锚固理论及发展4 1 3 1 悬吊理论5 1 3 2 组合梁作用理论5 1 3 3 最大水平应力理论7 1 3 4 锚固理论存在的问题及研究方向8 1 - 4 新型锚杆及岩土锚固新技术9 1 4 1 锚杆的分类9 1 4 2 常见锚杆1 0 1 4 3 柔性注压锚杆与常用锚杆相比的优势1 5 1 5 数值模拟在锚固工程问题上的应用及分析软件1 5 1 5 1 数值模拟在锚固工程问题上的应用1 5 1 5 2 数值模拟软件1 6 1 6 本课题的主要研究内容1 7 2 柔性注压锚杆的锚固力分析1 9 2 1 柔性注压锚杆的工作机理1 9 2 2 锚杆锚固力的类型2 0 2 2 1 拉锚力2 1 2 2 2 胀锚力2 1 2 2 3 托锚力2 2 2 2 4 剪锚力2 2 2 3 柔性注压锚杆锚固力计算。2 3 2 3 1 拉锚力及胀锚力数值计算2 3 2 3 2 托锚力的计算。2 4 2 3 3 剪锚力的计算2 5 2 4 锚固力、锚固参数的匹配与选择2 6 1 i i 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 2 4 1 托锚力与拉锚力的匹配2 6 2 4 2 剪锚力的确定2 7 2 4 3 胀锚力的应用与限制2 7 2 4 4 锚孔、内注压力和杆体直径的匹配2 7 2 5 结论。2 7 3 柔性注压锚杆性能的试验研究。2 9 3 1 试验材料的选择2 9 3 1 1 柔性注压锚杆结构和材料的选择。2 9 3 1 2 围岩锚孔材料的选择3 0 3 1 3 锚杆试验内注介质的材料3 0 3 2 试验设备3 1 3 2 1 地面试验设备3 1 3 2 2 井下试验设备3 2 3 3 试验操作3 2 3 4 试验结果分析3 3 3 4 1 柔性注压锚杆地面试验分析3 3 3 4 2 柔性注压锚杆井下试验结果3 4 3 4 3 锚杆密封性与承载稳定性试验结果3 5 3 5 柔性注压锚杆的失效形式及原因3 6 3 61 2 ；论3 8 4 柔性注压锚杆的有限元接触分析。4 0 4 1 柔性注压锚杆锚固系统数学模型的建立4 0 4 1 1 柔性注压锚杆体纵向应力4 0 4 1 2 柔性注压锚杆体的环向和径向应力4 1 4 1 3 柔性注压锚杆体的内切应力。4 5 4 2 柔性注压锚杆锚固系统有限元模型的建立4 6 4 2 1 锚固系统的力学模型。4 6 4 2 2 锚固系统的物理模型4 7 4 2 3 锚固系统的有限元模型4 7 4 3 柔性注压锚杆接触分析过程4 8 4 3 1 非线性问题有限元求解的基本原理4 8 4 3 2a n s y s 对非线性问题的处理。4 9 i v 青岛科技人学研究生学位论文 4 3 3 接触分析基本理论5 0 4 3 4 柔性注压锚杆锚固系统接触分析过程5 0 4 4 分析结果查看5 1 4 4 1 锚杆体的当量应力5 2 4 4 2 接触应力5 2 4 4 3 围岩的当量应力5 2 4 4 4 锚杆体的变形情况5 3 4 5 分析数据整理5 4 4 5 1 橡胶弹性模量对锚杆锚固系统的影响5 4 4 5 2 内注压力柔性注压锚杆锚固系统的影响5 6 4 5 3 钢丝数量对锚固系统的影响5 7 4 5 4 钢丝直径对锚固系统的影响5 9 4 5 5 锚杆壁厚对锚固系统的影响6 l 4 6 结论6 ：； 5 柔性注压锚杆结构参数对许用拉拔载荷的影响6 5 5 1 柔性注压锚杆许用拉拔载荷数学模型6 5 5 1 1 考虑钢丝强度6 5 5 1 2 考虑橡胶强度6 5 5 1 3 考虑锚杆体的剪切强度6 6 5 1 4 综合考虑三方面确定锚杆许用拉拔载荷。6 7 5 2 有限元分析计算6 7 5 2 1 建立模型6 7 5 2 2 分析过程6 8 5 3 结果分析j 7 0 5 3 1 高分子材料力学性能对柔性注压锚杆许用拉拔载荷的影响7 0 5 3 2 钢丝材料的力学性能对锚杆许用拉拔载荷的影响7 1 5 3 3 钢丝直径对柔性注压锚杆许用拉拔载荷的影响7 2 5 3 4 钢丝数量的影响7 2 5 3 5 钢丝位置对锚杆许用拉拔载荷的影响。7 3 5 3 6 内压对柔性注压锚杆许用拉拔载荷的影响7 3 5 3 7 壁厚对柔性注压锚杆许用拉拔载荷的影响7 4 5 4 模拟结果与数学模型的对比7 5 5 5 模拟结果与试验数据的对比7 6 v 柔性注乐锚杆结构及其力学性能研究 5 6 分析结论。7 7 结论7 9 结束语8 0 参考文献8 l 致谢8 4 攻读学位期间发表的学术论文目录8 5 独创性声明8 6 关于论文使用授权的说明8 7 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 作为岩土工程所面临的对象，复杂的地质体，在漫长的地质年代中，由于不断 经历着地质构造运动、自然风化水蚀以及人类活动的作用，因而产生了大量诸如层 理、断层、节理、软弱夹层、溶槽、溶沟等各样地质缺陷。在一定的时间范围内并 且在定的条件下，这些地质体有可能处于一种相对稳定的平衡状态。如果一旦条 件发生改变，原来的平衡状态很有可能遭到破坏，例如在岩土工程开挖过程中，地 质体原有平衡被打破，其原有应力场重新分布，从而发生岩土体发生变形，进而产 生滑坡、坍落、岩崩、塌陷、地面沉降等地质灾害。为了预防及治理这类地质灾害， 各种支护应运而生。 锚杆支护是将一种将受拉杆件埋入岩土体，使结构物与地层紧紧连锁在一起， 从而使围岩由被动承载变为主动承载，调动和提高岩土的自身强度和自稳能力。这 种受拉杆件工程上称之为锚杆【1 1 。在各类巷道支护中，锚杆支护因具有施工工序简 单，安装快捷，操作方便，机械化程度高以及安全性好等优点，而成为了各地下工 程如矿山、隧道等的主要支护形式之一。 1 1 课题问题的提出及研究意义 伴随着锚杆支护在岩土工程中的广泛应用，锚杆的品种和加工工艺也在不断地 发生着变化。锚固方式由过去单一的集中锚固发展到全长锚固，锚固类型包括了机 械型锚杆、粘结型锚杆及混合型锚杆，树脂材料和高分子材料也被大量应用到锚杆 的生产加工中。但是各类锚杆都有其各自的适用范围，其固有缺点严重地限制着锚 杆锚固的应用范围和条件。 本文是以由中科院宋振骐院士和山东大学王威强教授等人发明的一种新型锚杆 柔性注压锚杆作为研究对象，它的工程应用很大程度上改善了锚杆支护对工作条件 适应性并且提高了其经济性【2 1 。它的空腔锚杆体采用了高弹性高分子材料做成，为 使锚杆能够承受一定的纵向应力，为锚杆设置纵向增强层，一般选择钢丝或高强度 纤维等线性材料。通过向锚杆空腔注入气压( 或液压) ，使管腔内压力增至3 8 m p a ， 锚杆发生变形，锚杆会产生较大的整体径向变形但基本不发生沿杆体方向的纵向变 形，以此实现锚杆的柔性【3 1 。锚杆的这种变形使得锚杆杆体充满锚孔，并主动挤压 周围围岩，施加径向压力，在整个锚杆杆体和围岩的接触面上出现摩擦力和坎嵌变 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 形，从而实现锚杆的全长锚固【4 】，实现对整个系统的锚固作用，这种柔性与刚性有 机结合正是柔性注压锚杆的特点。柔性注压锚杆的结构及杆体横截面如图1 - 1 、图 1 2 所示。 螺母锚盘 密封结构空腔锚杆体 围岩 盲端 图1 - 1 柔性注压锚杆结构图 f i g 1 - 1s t r u c t u r ep i c t u r eo ff l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r 图卜2 柔性注压锚杆体横截面示意图 f i g 1 - 2c r o s s - s e c t i o ns k e t c ho ff l e x i b l ep r e s s u r i z e da n c h o r 柔性注压锚杆既具有一般摩擦型锚杆的基本特征，又能承受较大围岩变形、持 续维持膨胀锚固作用。因此，膨胀锚杆具有许多优点：全长锚固、对围岩施加“挤压 加固 效应，容易控制锚杆的锚固力、摩擦型锚固适应围岩变形且不易因围岩大变 形而失效、便于检测锚杆内腔的压力和监测矿压变化、容易实现锚杆的回收复用且 安装使用方便，耐腐蚀等1 4 l 。因此该锚杆具有良好的发展前景。因此，本课题的研 究具有重要的学术意义和工程意义，同时具有良好的经济和社会效益。 本文通过解析分析、数值模拟分析和试验三方面来研究验证柔性注压锚杆的结 构参数对其性能的影响。 1 2 锚杆支护技术发展历史与现状 1 2 1 锚杆支护技术发展历史 锚固技术，国内习惯统称为锚杆支护技术，国外一般称锚固技术或锚杆加固技 术i s 。利用锚杆进行加固围岩的历史最早可追溯到1 8 7 2 年，英国北威尔士露天页岩 2 矿首次利用锚杆加固边坡，而1 9 1 2 年，德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道。 5 0 年代，世界主要采矿国家大量采用并迅速发展了锚杆支护方法( 包括各种方式的 组合锚杆支护) ，并取得了良好的支护效果，但当时主要的应用和研究的是机械型锚 杆。在1 9 6 0 q 9 7 0 年，树脂型锚杆开始在矿山上应用。到2 0 世纪八十年代以后， 特种锚杆、组合锚杆等各类锚杆得到研制并投入使用，而一些以u 型钢或工字钢支 架作为巷道主要支护形式的国家也开始先后引进锚杆支护技术。例如自1 9 8 7 英国自 澳大利亚引进锚杆支护技术，至1 9 9 4 年煤巷锚杆所占比重达到了8 0 。而锚杆支 护技术发展较早的美国、澳大利亚在1 9 9 5 年其锚杆支护比重己接近1 0 0 【6 8 l 。 在我国，自1 9 5 6 年开始研究锚杆技术以来，由于锚杆的支护理论还不完备，锚 杆的设计方法，监控手段等条件还不完善，因此这段期间我国锚杆支护发展比较缓 慢。直到九十年代，锚杆支护才逐渐发展，且所占比重不断提高。回顾我国锚杆支 护技术的发展可大致分为3 个阶段【9 l ： 1 ) 5 0 - 6 0 年代，在国内采矿巷道工程中大量采用钢丝绳水泥砂浆锚杆支护。 作为这一期间的代表，钢丝绳水泥砂浆锚杆支护的各个锚杆间缺少相互联系，因为 该锚杆结构中没有托板( 盘) 。因此这种锚杆能起到的只用悬吊作用，属于被动承载， 无法改善围岩的力学性能。当时，只有采矿巷道工程支护、铁路和公路隧道施工以 及边坡整治工程等方面会采用锚杆支护技术进行锚固支护。 2 ) 7 0 - 8 0 年代，随着国家对锚杆支护技术的重视，并将其定为“七五 和“八 五”科技攻关项目中软岩巷道支护的主攻方向，锚杆支护技术有了长足的进步，进 入了组合锚杆支护阶段，这一阶段以钢带网和锚梁网为代表。此时，锚杆锚固技术 开始应用与建筑基坑支护，并广泛应用于桥梁建筑、矿山坑道、坝基加固、边坡稳 定、滑坡和危岩整治、基坑开挖支挡、结构抗倾与抗浮等领域。 3 ) 如今，锚杆支护技术逐步进入了高强度预应力锚杆体系阶段。随着以地应力 为基础的锚杆支护设计方法逐渐趋于成熟，高强度全长锚杆支护系统被大量应用于 工程建设，并成为了这一阶段的标志，同时为了实现对围岩动态的检测，顶板离层 指示仪和测力锚杆等设备的发展，为这一目标的实现提供了技术支持手段。以上事 实都表明我国在锚杆支护技术方面取得了具有先进性和实用性的进步，煤巷锚杆支 护技术水平又上了一个新台阶，步入了崭新的发展阶段。 1 2 2 锚杆支护的优点 锚杆支护与其他支护形式的比较的优越性【舻1 2 】： 1 ) 支护成本低。锚杆支护所用结构物体积小，能极大地节约工程材料，有效地 提高土地利用率，具有显著的经济效益。 3 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 2 ) 综合效益明显。巷道采用锚杆支护后，使回采工作面上下端头及上、下两巷 超前支护段的顶板管理得到加强，并简化了上、下两头及超前支护的工序。这就为 回采工作面的快速推进创造了良好条件；综采综放工作面采用锚杆锚索支护一次掘 凿短了衔接安装时间，又保证了综采设备的安装质量；掘进工作面采用锚杆支护， 能够及时有效地控制顶板，减少顶板事故的发生；回采工作面，采用锚杆支护后， 上、下端头及超前支护段的帮顶始终处于稳定状态，减少了二次支护所带来的冒顶 片帮事故的发生。 3 ) 锚杆支护所需木材和钢材少，因此能够节约材料，同时可以减少支护材料的 运输和装卸的工作量，减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境。 4 ) 改善了巷道的维护状态，能够保持巷道围岩的长期稳定。在地质条件相同的 情况下，巷道围岩采用锚杆支护后的变形量通常比采用棚式支护减少一半以上。在 岩体开挖后，锚杆支护能够迅速安装并提供支护抗力，有利于保护岩土体的固有强 度，防止岩土体进一步扰动，同时控制岩土体变形的发展，使得施工安全性提高。 5 ) 锚杆支护将传统的棚式被动支护，改为主动支护。它能够提高岩土体软弱结 构面及潜在滑移面的抗剪强度，改善岩土体的其他力学特性，尤其是能够使岩土体 应力状态向有利于稳定的方向转化。 6 ) 锚杆的作用部位、密度、方向、结构参数等因素都可以根据需要进行设定和 调整，能够以最小的支护抗力，达到最佳的稳定效果。 7 ) 采用锚杆支护后，巷道围岩的稳定性好，巷道服务期间基本不用维修，因而 能够保持开采面和切眼的畅通，为快速推进回采工作面，高产高效创造有利条件。 8 ) 施工简单，机械化程度高，可大幅度提高巷道掘进速度。 9 ) 抗冲击力强。 1 0 ) 有利于巷道防火。 1 1 ) 适用范围较大。不仅适用于煤巷、还适用于巷道的维修等方面。 3 锚杆基本锚固理论及发展 由于巷道岩土体结构复杂多变，加上锚杆埋入其中，为观测和研究锚杆的力学 行为及锚固作用原理带来了较大困难，因此锚杆锚固理论并不完善，对于锚固机理 的研究目前还没统一的理论。目前，传统的锚杆支护理论有：悬吊作用原理、组合 梁作用原理、挤压加固作用原理等。 4 青岛科技人学研究生学位论文 1 3 1 悬吊理论m 1 悬吊理论是最早的锚杆支护理论，前提是必须要有稳定的岩层，锚杆将下部不 稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上，阻止岩层或岩块的脱落。它认为：锚杆支护 的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，如图1 3 所示，以增强 较弱岩层的稳定性。这一理论直观、易懂且使用方便。应用这里理论，在利用锚杆 加固时，锚杆长度可根据坚硬岩层的高度或平衡拱的高度来确定，锚杆所受到的锚 固力等于下部被悬吊的岩层的重量。 虽然这一理论直观易懂，但存在很多缺陷。通常计算时认为锚杆所受锚固力等 于下部悬吊岩层重量，但这种现象只存在于松散岩层或不稳定岩层完全与稳定岩层 脱离时，而这些情况并不多见。虽然悬吊理论可以解释在坚硬岩层存在于锚杆锚固 范围内的情况下锚杆的支护作用，但在软岩巷道中，尤其当软岩巷道跨度较大时， 围岩的普氏拱高般都会大于整个锚杆的长度，在这种情况下，对于锚杆能够成功 对围岩进行支护加固的原因，悬吊理论难以对其进行合理解释。总之，悬吊理论只 考虑到锚杆的抗拉作用，对于锚杆增强岩层的抗剪能力，提高整体岩层的强度等方 面没有涉及，因此利用该理论计算出的锚杆载荷会与实际数值相差较大。 坚硬岩层 1 3 2 组合梁作用理论1 钔 坚硬岩层 图卜3 悬吊作用示意图 f i g 1 3s u s p c n d e x ta c t i o ns k e t c h 当所开掘的巷道位于层状岩体中，而顶板在一定范围内不存在坚硬稳定的岩层 时，悬吊理论不再适用。组合梁作用理论应运而生。组合梁作用理论是被较早提出 的理论，也是一般公认的支护作用原理之一。这一理论把薄层状岩体看成一种梁( 简 支梁或悬臂梁) ，在没有锚固时，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪力不足， 在载荷作用下，每层梁都会产生各自的弯曲变形，上边缘受压，下边缘收拉。如图 1 4 左图所示。而在顶板锚杆作用下，它们被紧固成组合梁，如图1 - 4 右图所示。一 方面各层板相互挤压，两接触面间压力增大使得两岩层间的摩擦力随之增加，摩擦 5 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 阻力以及锚杆的定位作用可以阻止锚固系统中的岩层沿层面出现滑动，从而避免围 岩分层现象的出现；而另一方面，锚杆使得多层的围岩成为一个整体，从而使得围 岩的抗剪刚度提高，以此阻止岩层产生水平错动。同时，在上覆层岩作用下，各层 内应力和挠度也都大为减小，因此增加了组合梁的抗弯强度。把锚杆埋入岩土体一 定深度，相当于把简单叠合的数层梁变成组合梁，组合梁越厚，其内部最大应力、 应变和挠度也就越小，而组合梁的承载能力越大。锚杆提供的锚固力愈大，各岩土 层间的摩擦阻力愈大，组合梁整体化程度愈高，其强度也愈大。 斌 图卜4 组合梁理论不意图 f i g 1 4c o m b i n a t i o n b e a mt h e o r ys k e t c h 利用组合梁理论进行锚杆支护设计时，锚杆的锚固力q 要满足条件： q n z p ( 1 1 ) 其中：一相邻锚杆问的距离； 置一组合梁载荷，可取最小支护抗力只血，要大于或等于锚固深度范围内岩 体自重。 锚杆长度厶v 为锚杆外露端，锚固端及组合梁有效长度之和，即 工m = 1 + t + l 2 ( 1 2 ) 其中：厶锚杆外露端长度； 三：锚固端长度； r 一组合梁的有效厚度，其大小由式( 1 - 3 ) 确定： t = 0 6 1 2b 式中：k 一安全系数，如果巷道采用掘进机掘进，安全系数一般取2 - 3 ， 用钻爆掘进时，安全系数要取较大值，一般设定为3 5 ： 巧一软岩或动压巷道围岩载荷增大系数； 6 ( 1 3 ) 当巷道采 式( 1 4 ) 中：组合梁自重，k n ； 卜一巷道跨度，m ； 酽一岩石弹性模量， v p a 。 与悬吊理论相比，组合梁理论充分考虑到锚杆对围岩层状分离及岩层滑动的约 束作用，能够从原理上比较全面地分析锚杆所起的作用。但是由于组合梁的有效厚 度难以确定，因此，与其相关的众多因素无法得到可靠数据。此外，在水平应力较 大的巷道中，顶板破坏、失稳的主要原因是水平应力，而组合梁理论中并没有考虑 水平应力对围岩稳定性、组合梁强度及锚杆载荷等方面的影响。因此组合梁理论只 适用于层状顶板锚杆支护的设计。 1 3 3 最大水平应力理论n 町 最大水平应力理论认为矿井岩层的水平应力具有明显的方向性，在巷道中典型 的三个方向的应力，最大水平应力、垂直应力以及最小水平应力中，最大水平应力 通常是三者中的最大值，并且有可能达到最小水平应力的2 倍以上。 该理论指出：要使巷道稳定性达到最佳，则巷道要与最大水平应力平行，在此 时，巷道所受最大水平应力影响最小；反之顶板或底板稳定性最差的巷道的方向一 定与最大水平应力垂直，在这个方向上，巷道所受影响最大；而一般情况下，巷道 出现顶板变形，偏向巷道一侧的现象是由于该巷道与最大水平应力呈一定的夹角， 在这种情况下，巷道两侧受力不平衡，其中一侧由于产生水平应力集中，受力要大 于另一侧。 最大水平应力认为整个围岩的变形是因为岩层受到最大水平应力作用，抗剪切 能力下降，从而引起岩层的错动或松动。而锚杆在围岩中就是要约束限制顶板和底 板岩层由于膨胀而产生的沿轴向的移动以及因剪切应力而产生的与轴向垂直的错 7 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 动。因此所选用的锚杆材料必须具有大的抗剪切阻力、大刚度及大强度，只有这样 才能起到约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论论述了锚杆支护在增强巷道围岩的稳定性方面所起的作用以 及水平应力对巷道稳定性的影响。借助于计算机数值模拟功能，在锚杆设计时，模 拟出锚杆在不同的支护情况下，对围岩控制作用和效果，并对锚固系统进行优化设 计。数据检测在该理论的实际使用起着非常重要的作用，因为该理论要求根据监测 结果对初始设计进行修改完善。 1 3 4 锚固理论存在的问题及研究方向【1 - 1 9 j 在岩石锚固系统的研究方面，目前仍停留在以锚杆为主体的研究水平上，还没 有上升到把锚固技术看作一个系统来作整体研究。在锚杆锚固范围内的围岩岩体、 锚杆体以及使两者结合的粘结剂等内部固定物和外部固定物四部分，相互作用，完 成与周围岩体的力传递以及对围岩的支护增强，组成了岩石锚固系统。通过匹配不 同的系统结构，整个锚固系统可以得到串联或并联等不同的功能。而传统意义上的 锚杆锚固理论只将锚杆在锚固过程中的行为作为研究对象，忽略了其他部分的相互 作用，因此有些行为传统的锚固理论无法解释，例如同一锚杆在具有不同特性的围 岩中，采取不同的锚固方式，选用不同的粘结剂和托盘螺母等外部固定部分，其锚 固效果大不相同。事实上不论是端部锚固或是全长锚固，都可被视作锚固系统，它 们属于岩体锚固系统的两大基本分类。由于岩体锚固系统概念的提出一些过去研究 单一锚杆支护系统时所讲不通的问题可以很容易解释了。因为它将系统各部分要素 的功能以及相互间的影响进行了综合全面的考虑，选择最合理的方式，使整个锚固 系统取得最佳的工作状态。因此岩体锚固系统研究必将对锚固系统力学特性研究、 锚固机理的阐明以及锚固工程参数设计与实践有着重要的意义，但目前国内外都还 没有针对岩体锚固系统做出全面深入的研究【切。 现阶段对于岩体锚固作用机理的研究，仍然是对三大作用机理的具体解释和说 明，实质上是对三大作用机理做进一步补充和完善，因此利用现有机理的研究很难 从本质上对锚杆不同于其他支护形式的特点，例如，锚杆支护能够有效控制围岩大 变形且用料节省等，进行清楚地解释。这就要求将岩体锚固作用机理的研究方从单 一锚杆受力状况转变为从岩体锚固系统出发，以岩体结构为研究中心。 在锚杆加固设计理论研究的关键点在于初始设计，有效的初始设计是应用锚杆 加固设计理论的前提。一方面依靠经验法或理论法合理选取和确定初始设计参数， 另一方面来讲，由于经济、工程条件等因素的限制，对于国内每条巷道不可能做的 一一测量，因此需要研究一种工程实用的估算初始设计参数的方法，这无疑也是对 8 1 4 1 锚杆的分类 锚杆的分类方式有很多种，通常采用以下几种方法 2 0 - 2 1 】： 按锚杆传力方式可将其分为拉力型锚杆( 通过锚杆与岩土体问的粘结将力传到 土层中) ，压力型锚杆和压力分散型锚杆( 采用全长自由的无粘结预应力钢绞线与 底部锚具连接，通过传力锚具对注浆体施加压应力，并使灌浆体与周围岩土体产生 粘结剪应力来提供锚杆的承载力) ； 按注浆形式分为常压注浆锚杆及高压注浆锚杆； 按锚固体形态可分为圆柱型，端部扩大型及连续球体型锚杆； 按锚杆形成的方式分为钻孔和自钻式锚杆； 按使用年限分可分为临时性锚杆( 即工作年限小于2 年) 和永久性锚杆( 即工 作年限大于或等于2 年) ； 按应用对象分为岩石锚杆，土层锚杆和海洋锚杆； 按有无施加预应力分预应力锚杆( 锚杆外锚头在固定前先施加一定的预应力从 而使岩土体主动受压，有利于控制岩土体的变形) 和非预应力锚杆； 按锚固长度可分为全长锚杆型和端头锚固型( 即集中锚固型) 以及混合型锚杆。 其中集中型锚杆是指起到限制围岩的变形并且提高了围岩的强度，改变了围岩的受 力状态的是锚杆的拉张力，只有当围岩体为自稳性较好的整体结构或块状结构且松 动圈在一米一下，基本不被采动影响时才适合采用端头锚固型锚杆。而全长锚固型 锚杆能够起到约束住产生围岩绝对变形和相对锚孔壁的相对变形的剪切应力，并能 够限制围岩的横向变形。因此当围岩的松动圈较大，超过1 米，围岩稳定性较差， 且要求锚杆服务时间较长，超过1 0 年时，该巷道或跨度较大的硐室需要采用这种类 型的锚杆进行支护加固。 与端头锚固型相比，全长锚固型锚杆具有以下优点： 1 ) 全长锚杆在工作时，受力最大部位是锚杆的中部，而锚杆两端受力较小，因 此在锚孔口处的围岩受力较小，系统的完整性较好。而端头锚固锚杆正好与之相反， 而且它对顶板深部的围岩的强度要求较高，一旦强度不符合要求，端头锚固锚杆就 会失去锚固支护能力。总之如果以巷道顶板的整体性和安全性为第一考虑要素时， 应首选全长锚固锚杆。 劲全长锚固锚杆通过内压或粘结剂使得锚杆与锚孔间没有间隙，因此经全长锚 9 柔性注压锚杆结构及其力学性能研究 固锚杆支护后的围岩抗剪能力大大提高，各岩层间的相互错动或滑动受到显著约束。 顶板稳定性大幅提升。 3 ) 经由全长锚杆支护后，锚杆与周围岩层形成锚固系统，锚杆能够有效地约束 围岩的变形及位移，避免产生离层现象，从而提高围岩的稳定性，一般全长锚固时， 围岩的变形量比集中锚固时要减少一半以上。 按锚固方式可分为机械锚固型、粘结锚固型和混合型三种。机械型锚杆是指锚 固装置或杆体和锚孔壁接触，并以摩擦阻力作为实现锚固作用的锚杆，因此这种锚 杆通常也被称之为摩擦型锚杆。简而言之机械锚固型锚杆就是依靠锚固装置与锚孔 壁之间接触面上产生的摩擦力来约束围岩滑动，约束围岩的应变或变形。这种起着 约束围岩变形的摩擦阻力受到锚孔壁处围岩强度的影响。因此，要求使用该锚杆支 护加固巷道围岩的自稳性要好。粘结型锚杆则是利用胶结材料将杆体部分或全长与 锚孔壁粘结起来，以粘结力为主起锚固作用。粘结型锚杆的实质就是利用粘结材料 将锚杆杆体与锚孔壁围岩粘结为一个整体，以改善围岩受力状态，提高围岩刚度及 抗剪能力。杆体与锚孔壁的粘结可分为部分粘结和全长粘结。由于粘结型锚杆工作 的薄弱环节就是粘结材料部分，因此选取的粘结材料的粘结能力以及固化后的强度 决定了这种锚固方式的锚固力大小。由于粘结型锚杆对于围岩要求不高，因此可以 应用在围岩整体性较差的环境下。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。 1 4 2 常见锚杆 1 机械锚固型锚杆瞄l 1 ) 楔缝式锚杆 例如竹锚杆【2 1 】。竹锚杆由杆体、快硬膨胀水泥锚固剂、托板与楔子组成，如图 1 - 5 所示。其中1 是楔子，用于锚杆定位；杆体，2 是托板，用于锚杆与楔子的连接； 3 为锚杆杆体；4 是快硬膨胀水泥锚固剂，用于填充锚杆与锚孔的间隙。这里锚杆杆 体具有抗腐蚀、耐高压、阻燃、耐用等优点，主要归功于锚杆体材料，它采用的是 竹纤维，经特种黏合剂粘合后在高温高压下加工成一体。 岂 _ - _ r 、r 吖 图1 - 5 竹锚杆 f i g 1 - 5b a m b o oa n c h o r 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 这类锚杆在锚杆头部的楔缝中插入楔子，通过岩石的反力及岩石同锚头材料的 摩擦阻力获取锚固力，具有施工快的优点，主要应用于施工期间或使用年限较短的 洞室加固，但其锚固力小，且锚固力会随时间增加而降低。 2 ) 胀壳式锚杆 该锚杆是利用在锚杆头部的胀壳内的带有楔梢插入锚孔时向外部扩张，压紧岩 层，从而获得锚固力。例如机械可回收型锚杆【州，结构如图1 - 6 所示。图中可以看 出，该锚杆由起到连接作用的托盘，可膨胀的锚杆壳体，以及使锚杆杆体膨胀的楔 子和镦头组成。在安装锚杆时，锚杆先被安置于锚孔，尽可能使楔子夹紧锚孑l 壁， 然后旋转锚杆杆体，由于锚杆杆体内表面由螺纹，所以楔子会向下移动，锚杆杆体 胀开，此时锚杆外表面的锯齿状胀壳压紧锚孔壁，起到锚固作用。这种锚固方式选 用的强度越大，与锚孔越匹配的锚头，越高的加工质量，锚杆胀壳与孔壁间的接触 状况越好，围岩完整性越高，其锚固力越大，锚固效果越好。 3 ) 螺旋锚叶锚杆 2 9 - 3 0 l 螺旋锚叶锚杆又称螺旋锚杆。可将螺旋锚杆简化为如图1 7 所示的形式，锚杆 结构可分为用于切入岩层的锚头、成螺旋状的锚叶、用于连接以及传递力和力矩的 锚杆以及用于固定的连接件几部分。锚杆安装时，由于螺旋状的锚叶将给予的旋转 力矩转化为向下的轴向力。因此，这种锚杆具有结构简单，安装方便、施工速度快 捷等特点。 接爻 图卜6 胀壳式锚杆图卜7 螺旋锚叶锚杆 f i g 1 - 6i n f l a t a b l es h e l la n c h o r f i g 1 - 7s c r e wa n c h o r 4 ) 爆固式锚杆 将装有火药的钢管插入锚孔并使之爆炸。爆炸使钢管扩张，锚杆与岩层压紧， 以此产生锚固力。这种锚杆的优点在于能够在锚杆安装之后瞬间完成多根锚杆的