柔性注压锚杆锚固段阻抗摩擦应力分布规律模拟研究
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岩 ， 锚 杆 结 构 示 意 图 ＿ 见 图 １所 示 。 由 于 锚 杆 与 围 岩 其 ６
摩擦 及坎嵌 变形 的存 在 ， 旦锚 头端 作用 有拉 拔荷 载 ， 一 靠
近 锚 杆 盲 端 的 围 岩 就 会 对 锚 杆 产 生 阻 抗 拉 拔 力 。该 阻 抗
图 １ 锚 杆 结 构 示意 图
Ｅｍａｌｚ ６ ０ ＠ １ ６ ｃ ｒ ｉ：ｘｌ ５ ３ ２ ．ｏ ｎ
７ ６
青岛大学学报（ 程技术版 ） 工
第 ２ ５卷
围 岩 结 构 的 对 称 性 ， 可 取 四 分 之 一 建 立 几 何 故
模 型 ， 图 ３所 示 。 如 ２ ２ 边 界 条 件 与 加 载 ．
在 图 ３所 示 的 直 角 坐 标 系 Ｏ ｙ ｘ ｚ中 ， 标 坐 原 点 ０ 为 锚 杆 右 端 （ 端 ） 面 中 心 ； 轴 为 锚 盲 截
拉拔力 的极 限值 与 围岩 、 杆 间摩擦 系数 及挤 压力 等有 关 。 只 有 当 拉 拔 荷 载 大 于 该 极 限 阻 抗 拉 拔 力 时 ， 杆 锚 锚
才会被 拉 出锚孔 。
２ 柔 性 注 压 锚 杆 有 限 元 模 型
２ １ 几 何 模 型 ．
柔性 注压 锚杆 杆体 横截 面示 意 图见 图 ２ ａ所 示 ， 便 于 计 算 ， 其 简 化 成 如 图 ２ 为 将 ｂ所 示 。 锚 杆 工 作 时 ， 锚 杆 锚 固 段 的 长 度 为 Ｌ； 便 于 进 行 锚 杆 与 围 岩 的 接 触 滑 动 计 算 ， 围 岩 （ 杆 ） 向 长 设 为 取 锚 轴
杆轴 向 ， 轴 为水 平 方 向， ３ ２ Ｙ轴 为 垂 直方 向 ； ｚ
柔 性 注 压 锚 杆 是 将 外 径 略 小 于 锚 孔 内径 的锚 杆 插 入 围 岩 锚 孔 ， 过 锚 头 注 入 内压 ， 杆 将 径 向膨 胀 而 塞 满 锚 通 锚
螺 母 锚 盘
密 封结 构
空 腔 锚 杆体 围 岩
盲 端
孑， Ｌ 杆体 与 围岩产生 相互 挤压 力 ， 杆 表现 为主 动挤压 围 锚
以及实 验都 比较 困难 。本文 通过 建立 力学 模 型 ， 用有 限元 方法 ， 拟研究 柔性 注压 锚杆锚 固段 阻抗 摩擦 应力 模
的 分 布 规 律 ， 该 新 型 锚 杆 的 设 计 、 造 、 用 以 及 该 类 锚 杆 锚 固理 论 的建 立 提 供 依 据 。 为 制 使
１ 柔 性 注 压 锚 杆 的 工 作 原 理
柔 性 注 压 锚 杆 锚 固段 阻 抗 摩擦 应 力 分布 规 律 模 拟 研 究
张 选 利 １ ，路 洪 丽 ， ２ ，王 永 岩
（． 青 岛科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 ，山 东 青 岛 ２ ６ ６ ； １ ６ ０ １ ２ ．辽 宁 工 程 技 术 大 学 力 学 与 工 程 科 学 系 ，辽 宁 阜 新 １ ３ ０ ） ２ ０ ０ 摘 要 ： 对 柔 性 注 压 锚 杆 解 析 及 实 验 比 较 困难 ， 用 有 限 元 方 法 ， 拟 研 究 其 锚 固 段 阻 抗 针 采 模
摩 擦应 力 的分布规 律 。数值 模 拟显示 ： 沿锚 杆 环 向呈 近 似正 弦 或 余 弦 函数 的循 环 分 布形 态； 沿锚 杆轴 向应 力分 布可 划分 成波 浪段 、 台段 以及 突 降段 ３个 阶段 。柔 性 注压锚 杆锚 平
固段最 大阻抗 摩擦 应力 沿轴 向分 布近 似是 均匀 的 ， 实现 真正 的全 长锚 固 。 可 关 键 词 ： 性 注 压 锚 杆 ；有 限 元 分 析 ；阻 抗 摩 擦 应 力 ； 布 规 律 柔 分
第 ２ ５卷 第 ３期
２ ０ １ ０ 年 ９ 月
青 岛大 学 学 报 （ 程 技 术 版 ） 工
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＩ ＮＧＤＡＯ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ （ Ｉ Ｅ＆Ｔ）
Ｖ ０ｌ２５ Ｎ Ｏ １ ．３
Ｓｅ ｐ． ２ ０ １ ０
ห้องสมุดไป่ตู้
文章 编 号 ： ０ ６—９ ９ （ ０ ０ ０ １０ ７ ８ ２ １ ） ３—０ ７ ０ ５—０ ５
度 为 Ｌ＋ ， 中 取 ２ ～ ３ 其 ０ ０ｍｍ； 据圣 维南 原理 ， 根 围岩 （ 杆） 向尺 寸取 大于 ４倍锚 孔 内径 。 由于锚 杆与 锚 横
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０ ０— ４—１ ５ 作 者简 介 ：张 选 利 （ ９ ５ ） 男 ， １ ６ 一 ， 山东 莱 西 人 ， 教 授 ， 士 ， 要从 事 岩石 力 学 、 值 计 算 与 分 析 方 面 的教 学 与研 究 工 作 。 副 博 主 数
挤压 ， 而使 围岩 处 于稳定 状 态 ， 提高 巷道 的稳 定性 。 目前 ， 柔性 注压 锚杆 的研 究 ＿ 主要 集 中在锚 杆 制造 、 对 ３ ］
结 构 参 数 选 定 、 拔 失 效 试 验 及 锚 杆 应 力 理 论 推 导 等 方 面 。但 由 于 柔 性 注 压 锚 杆 结 构 的 复 杂 性 ， 解 析 方 法 拉 其
中 图 分 类 号 ：ＴＤ３ ３。 ６ ５ 。． 文 献 标 识 码 ：Ａ
近年来 ， 岩土工 程 中使用 的岩 土锚 杆 的品种 不断 增 多 ， 艺 也在 不 断变 革 。柔 性 注压 锚 杆口。 是 其 一 工 ’就 种结 构 和锚 固机理新 颖 的全长 锚 固锚杆 ， 它采 用 高弹性 高分 子材料 做 成空腔 锚杆 体 ， 通过钢 丝或 纤维 等线性
材 料 对 杆 体 纵 向 增 强 ， 过 有 限 伸 长 高 强 纤 维 带 等 对 杆 体 环 向增 强 。在 内注 压 力 的 作 用 下 ， 杆 可 实 现 较 大 通 锚 的 整 体 径 向 变 形 而 几 乎 不 发 生 杆 体 纵 向 变 形 ， 过 杆 体 对 周 围 围岩 施 加 合 理 的 径 向压 力 ， 通 即对 围 岩 产 生 主 动
摩擦 及坎嵌 变形 的存 在 ， 旦锚 头端 作用 有拉 拔荷 载 ， 一 靠
近 锚 杆 盲 端 的 围 岩 就 会 对 锚 杆 产 生 阻 抗 拉 拔 力 。该 阻 抗
图 １ 锚 杆 结 构 示意 图
Ｅｍａｌｚ ６ ０ ＠ １ ６ ｃ ｒ ｉ：ｘｌ ５ ３ ２ ．ｏ ｎ
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青岛大学学报（ 程技术版 ） 工
第 ２ ５卷
围 岩 结 构 的 对 称 性 ， 可 取 四 分 之 一 建 立 几 何 故
模 型 ， 图 ３所 示 。 如 ２ ２ 边 界 条 件 与 加 载 ．
在 图 ３所 示 的 直 角 坐 标 系 Ｏ ｙ ｘ ｚ中 ， 标 坐 原 点 ０ 为 锚 杆 右 端 （ 端 ） 面 中 心 ； 轴 为 锚 盲 截
拉拔力 的极 限值 与 围岩 、 杆 间摩擦 系数 及挤 压力 等有 关 。 只 有 当 拉 拔 荷 载 大 于 该 极 限 阻 抗 拉 拔 力 时 ， 杆 锚 锚
才会被 拉 出锚孔 。
２ 柔 性 注 压 锚 杆 有 限 元 模 型
２ １ 几 何 模 型 ．
柔性 注压 锚杆 杆体 横截 面示 意 图见 图 ２ ａ所 示 ， 便 于 计 算 ， 其 简 化 成 如 图 ２ 为 将 ｂ所 示 。 锚 杆 工 作 时 ， 锚 杆 锚 固 段 的 长 度 为 Ｌ； 便 于 进 行 锚 杆 与 围 岩 的 接 触 滑 动 计 算 ， 围 岩 （ 杆 ） 向 长 设 为 取 锚 轴
杆轴 向 ， 轴 为水 平 方 向， ３ ２ Ｙ轴 为 垂 直方 向 ； ｚ
柔 性 注 压 锚 杆 是 将 外 径 略 小 于 锚 孔 内径 的锚 杆 插 入 围 岩 锚 孔 ， 过 锚 头 注 入 内压 ， 杆 将 径 向膨 胀 而 塞 满 锚 通 锚
螺 母 锚 盘
密 封结 构
空 腔 锚 杆体 围 岩
盲 端
孑， Ｌ 杆体 与 围岩产生 相互 挤压 力 ， 杆 表现 为主 动挤压 围 锚
以及实 验都 比较 困难 。本文 通过 建立 力学 模 型 ， 用有 限元 方法 ， 拟研究 柔性 注压 锚杆锚 固段 阻抗 摩擦 应力 模
的 分 布 规 律 ， 该 新 型 锚 杆 的 设 计 、 造 、 用 以 及 该 类 锚 杆 锚 固理 论 的建 立 提 供 依 据 。 为 制 使
１ 柔 性 注 压 锚 杆 的 工 作 原 理
柔 性 注 压 锚 杆 锚 固段 阻 抗 摩擦 应 力 分布 规 律 模 拟 研 究
张 选 利 １ ，路 洪 丽 ， ２ ，王 永 岩
（． 青 岛科 技 大 学 机 电 工 程 学 院 ，山 东 青 岛 ２ ６ ６ ； １ ６ ０ １ ２ ．辽 宁 工 程 技 术 大 学 力 学 与 工 程 科 学 系 ，辽 宁 阜 新 １ ３ ０ ） ２ ０ ０ 摘 要 ： 对 柔 性 注 压 锚 杆 解 析 及 实 验 比 较 困难 ， 用 有 限 元 方 法 ， 拟 研 究 其 锚 固 段 阻 抗 针 采 模
摩 擦应 力 的分布规 律 。数值 模 拟显示 ： 沿锚 杆 环 向呈 近 似正 弦 或 余 弦 函数 的循 环 分 布形 态； 沿锚 杆轴 向应 力分 布可 划分 成波 浪段 、 台段 以及 突 降段 ３个 阶段 。柔 性 注压锚 杆锚 平
固段最 大阻抗 摩擦 应力 沿轴 向分 布近 似是 均匀 的 ， 实现 真正 的全 长锚 固 。 可 关 键 词 ： 性 注 压 锚 杆 ；有 限 元 分 析 ；阻 抗 摩 擦 应 力 ； 布 规 律 柔 分
第 ２ ５卷 第 ３期
２ ０ １ ０ 年 ９ 月
青 岛大 学 学 报 （ 程 技 术 版 ） 工
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＩ ＮＧＤＡＯ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ （ Ｉ Ｅ＆Ｔ）
Ｖ ０ｌ２５ Ｎ Ｏ １ ．３
Ｓｅ ｐ． ２ ０ １ ０
ห้องสมุดไป่ตู้
文章 编 号 ： ０ ６—９ ９ （ ０ ０ ０ １０ ７ ８ ２ １ ） ３—０ ７ ０ ５—０ ５
度 为 Ｌ＋ ， 中 取 ２ ～ ３ 其 ０ ０ｍｍ； 据圣 维南 原理 ， 根 围岩 （ 杆） 向尺 寸取 大于 ４倍锚 孔 内径 。 由于锚 杆与 锚 横
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０ ０— ４—１ ５ 作 者简 介 ：张 选 利 （ ９ ５ ） 男 ， １ ６ 一 ， 山东 莱 西 人 ， 教 授 ， 士 ， 要从 事 岩石 力 学 、 值 计 算 与 分 析 方 面 的教 学 与研 究 工 作 。 副 博 主 数
挤压 ， 而使 围岩 处 于稳定 状 态 ， 提高 巷道 的稳 定性 。 目前 ， 柔性 注压 锚杆 的研 究 ＿ 主要 集 中在锚 杆 制造 、 对 ３ ］
结 构 参 数 选 定 、 拔 失 效 试 验 及 锚 杆 应 力 理 论 推 导 等 方 面 。但 由 于 柔 性 注 压 锚 杆 结 构 的 复 杂 性 ， 解 析 方 法 拉 其
中 图 分 类 号 ：ＴＤ３ ３。 ６ ５ 。． 文 献 标 识 码 ：Ａ
近年来 ， 岩土工 程 中使用 的岩 土锚 杆 的品种 不断 增 多 ， 艺 也在 不 断变 革 。柔 性 注压 锚 杆口。 是 其 一 工 ’就 种结 构 和锚 固机理新 颖 的全长 锚 固锚杆 ， 它采 用 高弹性 高分 子材料 做 成空腔 锚杆 体 ， 通过钢 丝或 纤维 等线性
材 料 对 杆 体 纵 向 增 强 ， 过 有 限 伸 长 高 强 纤 维 带 等 对 杆 体 环 向增 强 。在 内注 压 力 的 作 用 下 ， 杆 可 实 现 较 大 通 锚 的 整 体 径 向 变 形 而 几 乎 不 发 生 杆 体 纵 向 变 形 ， 过 杆 体 对 周 围 围岩 施 加 合 理 的 径 向压 力 ， 通 即对 围 岩 产 生 主 动