锚杆加固设计理论的研究

锚杆加固设计理论的研究

邓红健

(湖南路桥建设集团,长沙410044)

摘　要:巷道围岩是一种复杂地质体,表现出弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等多种力学特性。试图用一种理论来解决现场遇到的不同岩性条件和工程环境下的巷道支护问题是十分困难的。因此,多年来在巷道支护理论研究方面出现了多种多样的理论学派和计算方法。每种方法都有各自特点,主要对三种设计理论进行了对比分析,指出了各自的优缺点。

关键词:锚杆,支护设计,围岩松动圈理论,中性点理论,地应力

中图分类号:TU473 文献标识码:B 文章编号:100423152(2006)022*******

1　概述

自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下巷道采用锚固技术以来,锚固技术至今已有100多年的发展历史。锚固技术是一种技术经济优越的技术手段,目前不仅广泛应用于煤矿开采,而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中,可以预见,该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用。关于锚杆加固设计方法,目前有两种基本设计方法:一为经验法,即是建立在以往的经验基础上的设计方法。该方法的主要缺点是强调了顶板控制问题的本身,而缺乏对引起顶板不稳定的内在原因的注意。二为理论法,亦称客观法,即是建立在解决顶板支护问题的顶板和岩石力学理论基础上的设计方法。有代表性的是兰和比肖夫RRU 准则和帕内克设计诺模图[1]。实践中常采用将上述两种方法相结合的设计方法。一些学者在原采用理论法和经验或试探法的基础上,认为锚杆加固设计必须保证巷道始终处于可靠的状态,而可靠的设计方法必须以对开挖引起的岩层变形、锚杆受力及加固效果的精确测量为基础。在此基础上认为应采用以下两种手段相结合的设计方法:一、进行巷道监测,确定围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆加固特性;二、利用计算机模拟技术,模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与锚杆加固的特性,以及评价新选择的各种锚杆加固。据报导,英国专门制定了技术规范明确要求必须通过实测进行锚固设计。

国内目前锚杆加固设计及参数选择方法基本上还停留在经验设计阶段和经验数据的基础上,即工程类比法是主要的设计方法。近年随研究的深入,国内亦渐渐应用理论方法,有影响的主要有以下三种设计理论。(1)巷道围岩松动圈支护理论。(2)全长锚固中性点理论。(3)地应力为基础的锚杆支护设计理论研究。

2　巷道围岩松动圈支护理论

中国矿业大学董方庭教授等提出的围岩松动圈支护理论,自70年代末到80年代中期,在研究和实践中发展形成。近年来得到了迅速的发展和应用。

巷道围岩松动圈支护理论认为,围岩松动圈厚度L P是围岩强度σ、围岩应力P的函数[2],即

L P=f(σ,P)

围岩强度σ越大,围岩松动圈厚度L P越小;围岩应力P越大,围岩松动圈越大;反之亦然。巷道支护的难易程度取决于围岩松动圈的大小。松动圈越大,圈内围岩碎胀力越大,要求的支护缩量和反力也越大。

巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石强度较大幅度地下降。如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度,围岩处于弹塑性状态,围岩自行稳定,不存在支护问题;如果相反,围岩将发生破坏,这种破坏从周边逐渐向深部扩

　收稿日期:2005207212

　作者简介:邓红健,工程师,1995年毕业于长沙交通学院公路与城市道路专业。

表1　围岩松动圈支护分类表

围岩分类

分类名称

围岩松动圈(cm )

锚喷支护机理及方式备注

Ⅰ稳定围0～40喷混凝土支护

围岩整体性好可不支护Ⅱ较稳定围40～100锚杆悬吊理论,喷层局部支护围岩整体性好可不支护Ⅲ一般围岩100～150锚杆悬吊理论,喷层局部支护

刚性支护有局部破坏Ⅳ

一般不稳定围岩(软岩)

150～200

锚杆按组合拱机理喷层,金属网局部支护刚性支护有大面积破坏可采用塑性支护Ⅴ不稳定围岩(较软岩围岩)200～300锚杆按组合拱机理喷层,金属网支护

围岩有稳定期

Ⅵ

极不稳定围岩(极软岩围岩)

>300

待定

围岩变形,一般支护,无稳定期

展,直至达到新的三向应力平衡状态为止,此时围岩中出现了一个破裂带。把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈(如图1所示[3])。它的大小与围岩的应力和强度有关,巷道支护的主要对象就是松动圈在形成发展中所产生的收敛变形,即围岩的碎胀变形力。按照围岩松动圈大小,结合锚喷支护作用机理.把围岩分类,以便对不同类型的围岩采用相应的支护形式(表1[4])

。

图1　理论分析松动圈示意图

巷道支护施工过程中难以及时支护,也不能保证支护体一开始就与围岩密贴,只有待围岩产生足够变形之后才能提供支护阻力,并且围岩在低围压条件下通常表现为脆性,弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小,一般约占5%～25%。从岩石的应力-应变曲线可以看出,岩石在峰值前变形量很小,而峰后体积变形要比峰值前大得多,一般达到8～10倍,峰后破裂围岩体积膨胀变形才是巷道收敛变形的主要原因。因此,仅靠弹塑性等理论进行巷道支护研究是不准确、不客观的;而松动圈支护理论是基于围岩中存在松动破碎带的客观情况而提出的,是符合地下工程客观实际的。该理论指出,巷道支护对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外,还有松动圈围岩的碎胀变形。

围岩松动圈的巷道支护理论的特点:

(1)绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定

等困难问题,但又抓住了它们的影响结果,即松动圈是一个综合指标。

(2)实测所得,未在重要方向作任何假设。(3)大小很容易用声测法及其它物探方法获得,现场应用十分方便。

围岩松动圈理论的出现使人们看到了弹塑性支护理论观点的局限性,丰富了巷道支护的理论。工程实例表明,以该理论确定的围岩支护形式、支护参数是合理的、可靠的,并且在回采过程中巷道变形量很小,巷道围岩保持了较强的稳定性。

3　全长锚固中性点理论

全长锚固锚杆的作用机理的研究主要包括全长锚固锚杆在围岩中的受力状态分析以及锚杆支护条件下围岩应力和位移分析这两方面的内容。在全长锚固锚杆在围岩中的受力状态方面,东北大学王明恕等提出的全长锚固中性点理论近年在国内理论分析中已被普遍接受。该理论认为在靠近岩石壁面部分(锚杆尾部),锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面。而在围岩深处(锚杆头部),围岩阻止锚杆向壁面方向移动,剪力背向壁面,锚杆上剪力指向相背的分界点,称为中性点,该点处剪应力为零,轴向拉应力为最大,由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大,轴向拉应力逐渐减少。该理论得到了实测结果的证实。图2采用测力锚杆对锚杆全长应力及应变进行测试,测试剪应力与轴力分布结果[5]。

依据该理论,通过对粘结锚杆的锚固能力、作用机理研究和分析,可以建立锚固作用力学模型。进而导出参数计算的理论解和不同条件下的定量范围,确定提高锚固能力的影响因素,为锚杆支护设计提供了理论依据。

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5　第2期 邓红健:锚杆加固设计理论的研究