锚杆支护作用机理及应用

目录

目录 (2)

1锚杆的支护作用机理 (3)

1.1锚杆的悬吊作用 (3)

1.2锚杆的组合梁作用 (4)

1.3锚杆的减跨作用 (6)

1.4弹塑性理论的锚杆支护作用机理 (7)

1.5单体锚杆支护作用机理 (9)

1.5.1端头锚固单体锚杆作用机理 (9)

1.5.2全长锚固单体锚杆作用机理 (12)

1.5.3单体锚杆作用机理小结 (14)

2群体锚杆支护作用机理及支护参数的确定 (14)

2.1小松动圈围岩状态 (14)

2.2中松动圈围岩状态锚杆支护机理及支护参数确定 (16)

2.3大松动圈围岩状态锚秆支护作用机理及支护参数确定 (21)

2.4锚杆支护机理的几个理论问题 (24)

3锚杆在地下工程中的使用 (27)

3.1钢带 (27)

3.1.1钢板梁 (27)

3.1.2W型钢带 (28)

3.1.3钢筋梁 (29)

3.1.4托板 (30)

3.2顶板桁架 (31)

3.3点状锚固锚杆 (33)

3.4沿全长锚固的锚杆 (33)

3.5灌浆锚杆的长度确定 (36)

1锚杆的支护作用机理

锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前己提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁(拱)作用、加固(提高c、φ值)作用等几种。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准。

1.1锚杆的悬吊作用

1952～1962年，Louis A、Pane K经过理论分析及实验室和现场测试，提出锚杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上(如图1-1)。例如，在缓倾斜岩层中锚杆的悬吊作用就是锚杆将下部不稳定的岩层(直接顶或块状结构中不稳固的岩块)悬吊在上部稳固的岩层上、阻止岩块或岩层的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。

图1-1 锚杆的悬吊作用

（a）悬吊软弱层状顶板；（b）悬吊危岩

1-锚杆；2-不稳定岩层；3-危岩；4-稳定围岩

这个理论有局限性，大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用。

1.2锚杆的组合梁作用

为了解决悬吊理论的局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。该理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的簿层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是所谓的锚杆组合梁作用(如图1-2)。

图1-2 锚杆的组合梁作用

（a）未打锚杆；（b）布置顶板锚杆

1-锚杆；2-层状岩层

组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层问错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层的性质。

这一观点有一定的影响，但是其工程实例比较少，也没有进一步的资

料供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算，而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。另外，岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题、梁的抗弯强度等问题也难以解决。

欲使组合梁有足够维持围岩稳定的承载能力，组合梁的有效组合厚度（略去侧压影响）为（见图1-3示）：

图1-3 按组合梁原理计算锚杆参数

L

i P P K K B t σηψ⋅⋅⋅⋅=612.0 式中 P i ——作用在组合梁上的垂直荷载；可取Pimin 且不小于锚固深度L 范围内岩体的自重；

K ——安全系数。掘进机掘进取2～3、钻爆法掘进取3～5；

K P ——软岩围岩荷载增大系数；

σL ——岩体平均抗拉强度，Pa ；

η——岩体抗拉强度折减系数，去0.6～0.8；

ψ——与组合岩层层数有关的系数，其值见下表。

所选锚杆长度还需验算组合梁个层面间不发生相对滑动，并保证最下一层岩层的稳定性，即锚杆间距应满足下式要求：

1

111163.1h K K h D P L ⋅⋅⋅⋅≤γση 式中 σL1——最下一层岩层的抗拉强度，Pa ；

K 1——安全系数，取8～10；

η1——最下一层岩层层抗拉强度折减系数，去0.3～0.4；

h 1、γ1——最下一层岩层的厚度和容重。

上式适用于h 1＞ 0.1～0.15m 的情况；否则应加大托板，且D 小于三倍

裂隙间距和D ≤0.5L 。锚杆长度L M 应为：

21L ++≥t L L M

式中 L 1——锚杆外露端长度。根据锚杆类型与垫板、托板尺寸确定； t ——有效组合梁厚度，m ；

L 2——锚固于稳固岩体中的长度，一般L 2=0.3～0.4m ；

锚杆的单根锚固力Q 为：

i P D Q ⋅≥2

1.3 锚杆的减跨作用

如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁(板)，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度(如图1-4)，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠

度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的“减跨”作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。但是，它也未能提供用于锚杆支护参数设计的方法和参数。

图1-4 锚杆的减跨作用

1-锚杆；2-无锚杆跨度；3-有锚杆跨度

1.4弹塑性理论的锚杆支护作用机理

弹塑性理论在对围岩状态作了正确分析后，对锚杆支护的作用机理提出了2个不同的观点：一个认为利用锚杆提供足够的支护抗力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，并且大量的实验室相似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高50％～l00％(相对于无锚杆情况)，同时据此用摩尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形量的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性围岩状态，见图1-5。另一个观点则认为锚杆的抗拉力主要用来悬吊平衡破碎带内岩石的重量，见图1-6。