锚杆支护技术及理论应用

锚杆支护技术及理论应用

摘要: 本文对锚杆的类型、发展作了简单的介绍，并对国内外锚杆支护技术理论，锚杆支护作用机理进行了分析，在此基础上提出了锚杆支护研究中存在的不足及以后研究的方向。

关键词: 锚固设计理论；锚杆

abstract: accroding to home and abroad bolting theory ,and basing on mechanism ofblotingsome problems about the research of bolting technology is advanced in order to improvethe application of the existing bolting theory technology.

key words:bolting in theory;anchor

0 引言

锚杆支护技术始于国外,是维护围岩稳定的支护技术[1]。1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡。19世纪初期美国首先将锚杆支护用于矿山建设。1934 年阿尔及利亚的cheurfas 大坝的加高工程首次采用10 000 kn 级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体,并获得成功。50年代初，瑞典生产出高效的喷浆机，随着速凝剂的出现锚喷支护在全世界迅速推广。

1锚杆支护的发展

当前锚杆锚固技术以其技术先进、经济合理、质量可靠等优点正在隧道岩体支护中广泛应用并且发展迅速。美国、澳大利亚的矿井

巷道支护中, 锚杆支护占90 %以上。锚杆锚固技术合理地调动岩体的自身强度和自承载能力改善岩体的应力状态。

1.1锚杆支护

锚杆支护通常与刚带、网、混凝土等共同作用对岩体进行加固。我国煤矿1955年开始试用锚杆。当时的锚杆只起悬吊作用, 被动承载而不与围岩共同作用，效果不理想。借鉴国外技术经验，加上我国技术人员科技研究，锚带网和锚梁网等支护方法在现场得到了大量的应用，支护效果显著增强。这时锚杆不仅起到悬吊作用, 更重要的是起到组合拱或组合梁作用。目前有各种各样的锚杆支护系统，例如锚杆带网、锚杆带刚带、锚杆带梁、锚杆桁架及其多种组合广泛地用于各种工程中。

1.2锚杆的分类

目前锚杆的种类很多，几十乃至上百种。分类目前没有统一标准。按照锚杆与岩体锚固方式可将其划分为机械式、粘结式、和摩擦式；按杆体材料又分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、聚酯锚杆；按照锚固长度划分可分集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆；按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆；按锚固体形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球型锚杆等。

我国最早应用于矿山建设的是木锚杆和竹锚杆，其价格低廉取材广泛，但其锚固力较小，在工程中起到的作用不是很明显。随着生产的发展，金属锚杆已逐渐将其取代。在众多锚杆中预应力锚杆是

应用较广泛的一种锚杆。预应力锚杆是在安装锚杆时给锚杆施加相当量的预应力，这样的作用能有效地阻止围岩的开裂、滑移和弱化。不仅消除了锚杆的初始滑移量，而且还能给围岩施加一定的预压应力，提高围岩抗剪切能力和抗拉能力。随着技术的发展，新工艺的进步，现在的锚杆不但锚固力符合工程的需要，其设计逐渐更符合优化的要求，象德国的可伸长的让压性锚杆[2]、俄罗斯的杆体弯曲型可延伸锚杆，可回收锚杆及抗腐蚀性、重量轻、可切割的塑料锚杆[3]等等，它们广泛用于生产建设，在支护强化领域起到了举足轻重的作用。

2锚杆支护技术理论的发展

锚杆和岩体之间的相互作用机理非常复杂，很难通过力学和数学模型进行准确模拟[4]，,,国内外很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨,揭示了锚杆支护的机理。

2.1国外的锚杆支护技术理论

(1) 组合拱理论

组合拱理论是兰氏( t·a·lang) 和彭德(pender)提出的。在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，在杆体两端将形成圆锥体形式分布的压应力。如图1。如果按照一定规律布置一系列锚杆，各个锚杆形成的压应力圆锥体将交错重叠，形成一个防止破裂区扩展的承压拱（组合拱），这个承压拱可承受其上部破碎岩石施加的径向荷载，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧

[5]。承压拱厚度w可按（1）式近似计算，即

w＝l-s（1）

式中：w—承压拱厚度；l—锚杆长度；s—锚杆间排距

锚杆支护力最大值[1]可由下式确定：（2）

如果考虑剪切滑移，锚杆提供最大支护力为：

（3）

式中：—破坏剪切角；—岩石滑移线最大倾角；—锚杆的锚固力；

—锚杆排距；—锚杆间距；

英国与澳大利亚等国家的锚杆支护设计倾向于此理论。

(2) 悬吊理论

1952 年路易斯阿·帕内科(louis a·panek) 等发表了悬吊理论。该理论认为把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固(悬吊)在稳定岩层上,防止破碎岩块的冒落,在坚硬节理发育的岩块处,锚杆通常起这种作用。锚杆长度可按下式确定，即

l＝ l1+ l2+ l3 （4）

式中： l1 ：锚杆外露长度(一般取0.15m)； l2 ：锚杆有效长度；

l3 ：锚杆锚固长度 (一般取0.3～0.4m)；

锚杆有长度的确定: ①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划

定时，应大于等于直接顶的厚度。②当通过实测已确定围岩松动圈

范围时，应大于等于松动圈（即破碎带或冒落带）的高度。锚杆直径按杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即

(5)

式中：—锚杆的锚固力(由拉拔试验确定)；—锚杆杆体材料的抗拉强度；

(3) 组合梁理论

1952 年德国jacobio 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。在美国，由于其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，此理论的应用较多。

(4) 加固补强

该理论认为,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，从而增强锚固区围岩土体的强度(如弹性模量e ，粘聚力c) 。

(5) 销钉理论

销钉作用表现为两方面：①利用锚杆将不稳定块体钉到深部稳定的围岩上。②软岩洞室围岩常发生压剪破坏，破坏了的岩体将沿最不利的滑移面滑动。如沿洞室周边径向布置锚杆，由于锚杆与滑移面斜交，锚杆就会起到防剪抗滑作用。

2.2国内的锚杆支护技术理论