锚杆支护理论

锚杆支护理论

（1）悬吊理论。1952年路易斯•阿•帕内科（Louis.A.Panek ）等提出了第一个锚杆支护理论—悬吊理论，该理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板浅部较软弱破裂岩层悬吊在深部稳固的岩层上，增强浅部较软弱岩层的稳定性。

（2）组合梁理论。1952年德国Jacobio 等基于层状地层提出了组合梁理论。该理论认为通过在岩体内施加锚杆，可以将多层薄岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，因此，锚杆锚固范围内岩层被视为组合梁，并认为组合梁作用的实质就是通过锚杆的预拉应力将锚固区内岩层挤紧，增大岩层之间的摩擦力；同时，锚杆本身也具有一定的抗剪能力，可以约束岩层间的错动。锚固范围内岩层同步变形，这种组合厚岩层在载荷作用下，其最大弯曲应力和应变较之前单一薄岩层都将大大减小，该理论充分考虑了锚杆对离层及层间滑动的约束作用。组合梁理论适用于若干层状岩层组成的巷道顶板。

(a) 未打锚杆

(b) 布置顶板锚杆

1—锚杆 2—层状地层

图7-30 锚杆的组合梁作用 （3）组合拱理论。兰氏（T•A•Lang ）和彭德（Pende ）通过光弹试验提出组合拱理论。组合拱理论认为，在拱形巷道围岩中安装预应力锚杆时，在锚固区内将形成以杆体两端为端点的圆锥形分布的压应力，只要沿巷道周边安装的锚杆间距足够小，相邻锚杆的压应力椎体将相互交错，在巷道周围锚固区中部形成一个连续的压缩带（拱）。承压拱内岩石处于径向、切向均受压的三向应力状态，使得岩体强度大大提高，支撑能力相应增加。该理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中应用广泛。

图7-31 组合拱（压缩拱）作用示意图

（4）新奥法。20世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabcewicz在总结前人经验基础上，提出了新奥法（NATM），目前新奥法已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，米勒（L.Miiller）教授比较全面地阐述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。1980年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为：“在岩质为砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工方法”。施工时遵循下列原则：①应当考虑岩体的力学特性；②应当在适宜时机构筑支护结构，避免围岩中出现不利的应力应变状态；③为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构；④现场量测监控围岩动态，根据允许变形量求得最适宜的支护结构。新奥法的上述定义简明扼要地揭示了新奥法核心问题-充分利用围岩自承能力，使围岩本身形成支承环。

（5）围岩强度强化理论。侯朝炯、勾攀峰提出来巷道围岩强度强化理论。该理论认为：①巷道锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；②锚杆提高了锚固体的力学参数E、C、Φ，改善了锚固体的力学性能；③锚固体的峰值强度和残余强度都得到强化。锚固体的峰值强度和残余强度随锚杆支护强度的增加而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。该理论的分析方法是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，由实验室锚固块体试验确定围岩塑性应变软化本构关系，再利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果。

（6）松动圈理论。20世纪70年代末期，以中国矿业大学董方庭为首的“松动圈巷道支护研究室”，提出围岩松动圈支护理论。该理论包括三个部分：（1）巷道工程的外载荷问题：围岩松动圈理论认为，围岩破裂过程中所产生的碎胀力（剪切力）是支护的危险载荷；（2）围岩分类方法：围岩松动圈是围岩应力、围岩强度、水的影响等综合因素的指标，它与支护难度关系密切；（3）巷道锚喷支

护机理及技术：小松动圈（Lp≤40cm ）是围岩自稳的条件，中松动圈（Lp=40-150cm ）用悬吊理论，大松动圈（Lp≥150cm ）用组合拱理论。

（7）最大水平应力理论。20世纪90年代初澳大利亚学者盖尔（W.J.Gale ）提出了最大水平应力理论。该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力且具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5~2.5倍。巷道顶底板稳定性主要受水平应力影响：①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶板变形破坏偏向巷道某一帮；③与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。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，因此要求锚杆强度大、刚度大、抗剪切阻力大等特点。

最佳方向）

（c）最劣方向

应力集中

（b）应力集中平面

断面

（a ）平行（b ）斜交（c ）垂直 图7-32 巷道走向与最大水平应力不同夹角下巷道破坏