锚杆作用机理及不同锚固方式的力学特征

!" 拉 拔 试 验 锚 杆 的 轴 向 应 力 分 布
与支 护 结 构 中 的 普 通 锚 杆 相 同#拉 拔 锚 杆 中 轴
向作用力的产生也是以锚杆与围岩之间发生相对位
移为前提的#但这 种 相 对 位 移 不 是 由 两 者 的 变 形 性
质差异以及围岩整 体 应 力 场 的 改 变 所 引 起#而 是 靠
点及中性点后的最 大 值 均 有 一 定 程 度 的 外 移!并 因
此造成轴力随深度 的 变 化 曲 线 斜 率 发 生 改 变!但 轴
力总的变化趋势未 发 生 变 化!即 在 锚 尾 处 仍 具 有 较
大值!并随深度增加 而 增 大 直 至 中 性 点 处 达 到 最 大
值!过中性点之后随 深 度 增 加 而 逐 渐 减 小 直 到 锚 头
全丧失情况下的 轴 向 应 力 分 布 曲 线# 图 # 显 示!锚
杆与围岩间的粘结 性 能 削 弱 后!粘 锚 力 达 到 最 大 值
的位置以及锚杆的 中 性 点 位 置 将 向 深 部 转 移!且 过
了中性点之后仍有可能出现第二个峰值点#轴力的
变化趋势与图"所 示 情 况 相 近!即 轴 力 值 在 锚 尾 处
关 键 词 !锚 杆 作 用 $锚 固 方 式 $力 学 特 征 中 图 分 类 号 !!#!:@" " " 文 献 标 识 码 !,
""在锚杆支护技 术 应 用 于 岩 体 工 程 之 前#人 类 就 开始了对锚杆作用本质的探索 & $=% 随着锚杆支 护 工 程实践的不断丰富#关 于 锚 杆 作 用 机 理 的 认 识 也 日 益接近于全面和 准 确& 半 个 世 纪 以 来#有 关 煤 矿 巷 道应用锚杆支护技术的多种设计方法和支护理论相 继问世#并 在 生 产 实 践 中 发 挥 了 积 极 的 指 导 作 用& 然 而 #这 些 理 论 大 都 不 同 程 度 地 存 在 着 某 些 局 限 性 # 使锚杆支护在更广泛领域的应用尚缺乏充分而可靠 的理论依据&更准确地把握锚杆的作用机理是进一 步 完 善 锚 杆 支 护 理 论 的 基 础 #为 此 #仍 就 锚 杆 作 用 力 学 机 制 进 行 研 究 #并 探 讨 不 同 锚 固 方 式 的 作 用 效 果 &
" 第 # 期 " " " " " " " " " " " " 杨 双 锁 等 $锚 杆 作 用 机 理 及 不 同 锚 固 方 式 的 力 学 特 征
#"=
岩粘结!故其表面 粘 锚 力 为 零!而 轴 力 均 为 最 大 值" 锚固段的轴力及粘 锚 力 则 与 全 锚 时 相 似!呈 逐 渐 衰 减的趋势#
通 常!在 一 定 应 力 场 的 作 用 下 岩 体 中 会 产 生 以 下类型的横向位移或位移趋势#
=%各 部 分 间 会 沿 弱 面 发 生 相 对 错 动 " $%沿 特 定 方 向 产 生 新 的 剪 切 破 坏 面 并 沿 此 破 坏 面发生错动" !%碎 块 状 岩 体 发 生 转 动 " 安 装 锚 杆 后 这 些 横 向 位移将受到锚杆的 约 束!锚 杆 中 的 横 向 作 用 力 也 由 此而产生"横向作用力产生的条件可概括为!个# %&锚 固 范 围 内 的 围 岩 产 生 一 定 量 的 横 向 $斜 向 % 剪切变形甚至相对错动"通常认为锚杆支护是一种 主动支护方式!这主 要 是 因 为 通 过 辅 助 构 件 可 使 锚 杆产生一定的预应 力!从 而 使 岩 体 在 因 应 力 场 的 改 变而产生变形之前就可受到一定的支护作用力"然 而!预应力之外的 锚 杆 作 用 则 仍 属 于 被 动 支 护 的 范 畴 !尤 其 是 锚 杆 的 横 向 作 用 力 的 产 生 !更 是 以 锚 固 范 围岩体各部分之间的横向相对位移为前提条件的" ’&锚杆与围岩 紧 密 接 触!以 使 锚 杆 与 岩 体 之 间 具备良好的传力性能" (&锚杆要具有 一 定 的 抗 剪 切 强 度 及 刚 度!以 使 锚杆对岩体的横向变形产生较强的灵敏性和控制作 用" 锚杆中横向作用力的分布特征受许多因素的影 响 !如 锚 杆 的 力 学 性 质 及 几 何 参 数 ’围 岩 的 力 学 性 质 以及围岩中弱面的力学性质及其分布特征等"锚杆 中某截面的剪应力与该截面到岩体弱面的距离成反 变 关 系 !此 距 离 为 % 时 剪 应 力 达 到 最 大 值 !此 距 离 增 加 时 该 弱 面 引 起 的 剪 应 力 减 小 并 最 终 衰 减 为 %: 粘结面上的法向应力分布规律与横向剪力值的 变化规律相似!只是 在 弱 面 两 侧 粘 结 面 上 法 向 应 力 的指向相 反" 根 据 锚 杆 横 向 作 用 力 的 产 生 条 件 可 知 !锚 固 方 式 的 不 同 将 会 导 致 横 向 作 用 力 的 不 同 !因 为不同的锚固方式使锚杆与岩体之间所具有的传力 特性不同"全长锚 固 时!锚 杆 的 整 个 有 效 长 度 范 围 内 都 会 产 生 较 强 的 横 向 作 用 !而 端 锚 时 !锚 杆 只 有 在 锚固段可对围岩产 生 较 强 的 横 向 作 用!其 余 部 分 的
=$$" &&’ #&$! #>’ #@$$ &
%%%%$>$#%%"&">’"ABC%
&"’
式中$! 为锚杆轴向正 应 力"" 为 锚 杆 的 粘 锚 力"!ABC
为 锚 杆 中 的 最 大 轴 向 正 应 力 ""ABC为 最 大 粘 锚 应 力 #
图#为锚杆两端的粘结力曾达到极限值并因锚
杆与围岩间相对错动而使粘结性能减弱甚至局部完
为%!并随深度的增加而增大!且 在 粘 锚 力 为 % 的 位
置取得最大值!然 后!随 着 深 度 的 继 续 增 加 而 减 小!
直至 锚 头 处 减 小 为 %%但 两 者 相 比 各 相 应 位 置 轴 力
的大小及其变化速度有所不同#
图 "" 无 托 盘 锚 杆 粘 锚 力 未 达 到 极 限 值 时 的 受 力 分 析
" " 文 章 编 号 !=%%>?&"!$!$%%!"%#?%#"%?%"
锚杆作用机理及不同锚固方式的力学特征
杨双锁!康立勋
!太原理工大学 矿业工程学院"山西 太原 %!%%$"#
摘 " 要 !运 用 理 论 分 析 及 数 值 计 算 的 方 法 对 锚 杆 作 用 力 的 产 生 机 理 "分 布 规 律 及 其 对 岩 体 作 用 的力学效应进行了探讨#结果表明!锚杆与围岩间 的 相 对 位 移 或 相 对 位 移 趋 势 是 锚 杆 作 用 产 生 的 条 件 $从 力 学 角 度 考 虑 !端 部 锚 固 "全 长 充 填 的 方 式 是 理 想 的 锚 固 方 式 #
需要 指 出#图 @ 所 示 为 有 托 盘 全 长 锚 杆 在 无 预 应力条件下的轴向 应 力 分 布 情 况!当 给 锚 杆 施 加 一 定预应力后!则其 应 力 分 布 情 况 应 为 在 此 基 础 上 叠 加拉拔力等于预应力的拉拔锚杆的应力分布曲线" 而端锚时的轴向应力分布情况则与拉拔锚杆的轴向 应力分布曲线完全 相 似!预 应 力 对 轴 向 作 用 力 的 数 值 大 小 有 明 显 影 响 !但 对 其 分 布 规 律 影 响 不 大 "
万wk.baidu.com数据
$" 锚 杆 的 横 向 作 用 力
锚杆的横向作用力指锚杆因对围岩沿锚杆轴向 以外的任意方向发生剪切变形及围岩间相对位移的 约束作用而在横截面及斜截面上所产生的剪应力以 及 在 粘 结 面 $锚 杆 表 面 %上 所 产 生 的 法 向 应 力 " 这 种 约束作用主要包括 阻 止 围 岩 沿 弱 面 滑 移’阻 止 围 岩 中产生新的剪切破坏面以及阻止围岩中的块体产生 相对回转等作用"
处 达 到 %%
图 >" 有 托 盘 锚 杆 粘 锚 性 能 部 分 损 坏 后 的 受 力 分 析
进一 步 分 析 还 会 发 现!此 结 果 与 传 统 观 点 有 所 不 同 !即 #有 托 盘 全 长 锚 杆 的 轴 向 应 力 分 布 不 同 于 拉 拔锚杆!而是近似等 于 拉 拔 锚 杆 和 无 托 盘 全 长 锚 杆 轴向应力分布曲线的平均"有托盘端锚锚杆的轴向 应力分布情况与端锚拉拔锚杆的轴向应力分布情况 接 近 相 同 !即 遵 循 图 ! 所 示 的 变 化 "
图 =" 全 长 锚 固 锚 杆 拉 拔 初 期 受 力 分 析
图$为靠近围岩表面的粘结力曾达到极限值并 因锚杆与围岩相对错动而使该部位的粘结性能减弱 甚至完全丧失情况 下 的 轴 向 应 力 分 布 曲 线#其 特 征 与端锚情形极为相似&
图 $" 全 长 锚 固 锚 杆 拉 拔 后 期 受 力 分 析
图 !" 端 锚 拉 拔 锚 杆 受 力 分 析
需要 指 出 的 是$拉 拔 锚 杆 的 轴 向 应 力 分 布 情 况 与拉拔机具对围岩作用力的作用位置及其分布特征 有很大关系!这种 力 的 作 用 位 置 及 其 分 布 特 征 的 不 同将会导致拉拔锚杆中轴向应力分布规律产生一定 的 变 化 !但 其 总 体 特 征 是 相 似 的 #
给其主动施加局部作用力所产生&全长粘结式拉拔
锚 杆 中 的 轴 向 应 力 分 布 如 图 =’图 $ 所 示 &
图=为锚杆各点粘锚力均未曾达到极限时的轴
向应 力 分 布 曲 线#其 中 锚 杆 横 截 面 上 的 正 应 力! 及
锚杆表面的粘锚力" 随深度的变化分别近似遵循公
式!="&
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!!万&#方@数’据#=&$@ &"’ #=#$# #&’ #
图 #" 无 托 盘 锚 杆 粘 锚 性 能 部 分 损 坏 时 的 受 力 分 析
#" 有 托 盘 锚 杆 轴 向 应 力 分 析
有托盘全长 锚 杆 轴 向 应 力 分 布 如 图 @%图 > 所 示#图@为锚杆各处粘锚力均未曾达到极限时的轴
第 !" 卷 " 第 # 期 $%%! 年 & 月 " "
太原理工大学学报
" ’()*+,- (./,01),+ )+023*40/1 (./356+(-(71 "
289:!" +8:# " 4;<: $%%!
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粘结式端部锚固锚杆拉拔时的轴向应力分布如 图!所示&由于锚杆中靠近围岩表面的部分未与围
! 收稿日期!$%%$?=$?$%
万方数据 " " " 基 金 项 目 !太 原 理 工 大 学 $== 基 金 资 助 项 目 )山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 !&&=%!%"
" " " 作 者 简 介 !杨 双 锁 !=&@!E "#男 #山 西 洪 洞 县 人 #博 士 #副 教 授 #主 要 从 事 岩 土 力 学 与 工 程 研 究 &
#"$
太 原 理 工 大 学 学 报""""""""""""""""""第!"卷"
直至中性点处达到 最 大 值!过 中 性 点 之 后 随 深 度 增
加而逐渐减小直到锚头处达到%" 以 上 变 化 规 律 可
用以下公式近似表示#
! ! $#$’ ##$" &%%%%=$! #%%%=>@$$ &
%%=!""$&%%@"@&%!ABC%
%%$"##$&%%&>=""!ABC%
!="
" !$!D"#"$" #%%%=%&$! &%%%>!=$$ #
%%$#D#$&%%"D&@""ABC%
!$"
式中(!ABC为 锚 杆 中 出 现 的 最 大 轴 向 正 应 力)"ABC为 最 大 粘 锚 应 力 &!ABC#"ABC均 在 围 岩 表 面 达 到 最 大 #并 随着深度的增加逐渐衰减&
"" 无 托 盘 锚 杆 轴 向 应 力 分 析
无托盘锚 杆 轴 向 应 力 分 布 如 图 "%图 # 所 示# 图"为锚杆各点粘锚力均未曾达到极限时轴向应力
=$$" &=’ #D$! #&’ #@$$ &
%%%%"#$&%%%%#!’!ABC%
&!’
" !$&#$’ #=&$@ &$’ #=#$# #@’ #
分 布 曲 线 # 图 " 显 示 !粘 锚 力 在 锚 尾 处 的 值 最 大 !并 随着深度的增加逐 渐 减 小!且 在 到 达 锚 杆 中 部 之 前 减小到%!即形成中性点!然后随着 深 度 的 继 续 增 加 而逐渐增大直至锚 头!但 粘 锚 力 的 方 向 与 锚 尾 部 分 相反#这是因为在 锚 杆 发 生 作 用 的 初 期!围 岩 与 锚 杆的相对移动趋势 较 弱!尚 未 使 其 间 的 粘 接 产 生 削 弱 !因 此 !粘 锚 力 的 分 布 完 全 由 粘 结 面 上 各 点 处 围 岩 与锚杆间的相对位移大小及移动方向所决定#锚杆 某截面上的轴力值等于该截面一侧锚杆粘锚力的合 力!所以!轴力 值 在 锚 尾 处 为 %!并 随 深 度 的 增 加 而 增大!且在粘锚力为 % 的 位 置 即 中 性 点 处 取 得 最 大 值!然后!随着深度 的 继 续 增 加 而 减 小!直 至 锚 头 处 减 小 为 %# 以 上 变 化 过 程 可 由 下 列 公 式 近 似 表 示
图>为锚杆局部粘锚力曾达到极限并因此使该
部分粘锚能力降低后的轴向应力分布曲线"图>显
示 !与 拉 拔 锚 杆 及 无 托 盘 锚 杆 不 同 !有 托 盘 锚 杆 的 粘
锚力首先在锚头处 达 到 最 大!当 锚 头 附 近 局 部 粘 锚
力 减 弱 甚 至 丧 失 后 !粘 锚 力 的 变 化 较 为 明 显 !即 中 性
$#%
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%%%=&#$! &%%=$&#$$ #%%!>&D$&
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式中#! 为锚杆 轴 向 正 应 力&" 为 锚 杆 粘 锚 力&!ABC为
锚 杆 中 的 最 大 轴 向 正 应 力 &"ABC为 最 大 粘 锚 力 "
图 @" 有 托 盘 锚 杆 无 损 期 间 受 力 分 析
向应力分布曲线# 图 @ 显 示!粘 锚 力 在 锚 尾 处 的 值 为%!随深度增大至某一峰值 后逐 渐 减 小!至 中 性 点 后又逐渐增大并于 锚 头 处 达 到 最 大 值"轴 力 在 锚 尾 处即有较大值&托 锚 力 相 等’!并 随 深 度 增 加 而 增 大