錨桿支護理論 參考內(nèi)容

錨桿支護理論錨桿支護理論研究的目的是弄清楚錨桿、錨索與圍巖之間的相互作用關(guān)系，從而為錨桿支護設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。第一節(jié) 錨桿支護構(gòu)件的作用錨桿支護由錨桿桿體、托板和螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。一、錨桿桿體的作用對于錨桿桿體本身來說，由于桿體長度方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，所以力學(xué)上屬于桿體。這種構(gòu)件主要可以提供兩方面的作用，一是抗拉，二是抗剪。至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是非常小，可忽略不計。1、錨桿的抗拉作用錨桿桿體所能承受的拉斷載荷計算：式中P錨桿拉斷載荷，N； d錨桿直徑，mm； 錨桿鋼材抗拉強度。2、錨桿的抗剪作用錨桿桿體所能承受的剪切載荷計算：式中Q錨桿剪切載荷，N； d錨桿直徑，mm； 錨桿鋼材剪切強度。二、錨桿托板的作用一是通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預(yù)緊力，并使預(yù)緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動和節(jié)理裂隙的張開，實現(xiàn)錨桿的主動、及時支護作用；二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。托板力學(xué)性能應(yīng)與錨桿桿體的性能匹配，才能充分發(fā)揮錨桿的支護作用。托板強度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會顯著降低錨桿的作用。對于端部錨固錨桿，托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體，托板本身失效，以及托板下方的圍巖松散脫落，導(dǎo)致托板與表面不緊貼，都會使錨桿失去支護作用。托板對全長錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。無托板時錨桿軸力在巷道表面處為零，在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處達到一定值，而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面。三、錨固劑的作用錨固劑的作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體粘結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護作用。同時錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿共同加固圍巖。1、錨固劑的粘結(jié)作用在拉拔作用下，桿體錨固段剪應(yīng)力分布為負指數(shù)曲線。2、錨固劑的抗拉與抗剪作用我國樹脂錨固劑的抗拉強度一般可取11.5MPa，抗剪強度一般可取35MPa。3、端部錨固與全長錨固的區(qū)別對于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供粘結(jié)力，使錨桿能承受一定的拉力。對于全長錨固錨桿，錨固劑的作用比較復(fù)雜，主要有兩方面：將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起，使錨桿隨著巖層移動承受拉力。當巖層發(fā)生錯動時，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發(fā)生滑動。對于端部錨固錨桿，桿體各部位的應(yīng)力和應(yīng)變相等。在錨固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個桿體的長度上，導(dǎo)致桿體受力對圍巖變形和離層不敏感，支護強度低。對于全長錨固錨桿，這種分散是不可能的，致使應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長度方向分布極不均勻，離層和滑動大的部位錨桿受力很大，桿體受力對圍巖變形和離層很敏感，能及時抑制圍巖離層滑動，支護強度高。這是端部錨固錨桿與全長錨固錨桿的根本區(qū)別。四、鋼帶的作用鋼帶是錨桿支護系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。其作用主要表現(xiàn)在以下3方面：1、錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴散作用。2、支護巷道表面，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。3、均衡錨桿受力，提高整體支護作用。五、網(wǎng)的作用1、維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。2、緊貼巷道表面，提供一定的支護力，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀態(tài)。同時，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)。3、網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形和破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。有的巷道雖然表面圍巖已破壞，但沒有松散、垮落，網(wǎng)作為傳力介質(zhì)，使巷道深部圍巖仍處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的殘余強度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時保證了錨桿的錨固效果。第二節(jié) 錨桿支護理論錨桿支護是一種主動支護形式，它是通過錨桿及其輔助構(gòu)件與錨固范圍的圍巖形成錨固結(jié)構(gòu)體，利用錨桿的橫向作用提高錨固范圍巖體的強度參數(shù)，錨桿的軸向作用改變錨固范圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而達到提高巷道穩(wěn)定性的目的。隨著錨桿支護工程實踐的不斷豐富，錨桿支護的理論計算模型已有許多有價值的成果。這些理論都是以一定的假說為基礎(chǔ)的，各自從不同的角度、不同的條件闡述錨桿支護的作用機理，而且力學(xué)模型簡單，計算方法簡便易懂，適用于不同的圍巖條件，得到了國內(nèi)外的承認和應(yīng)用。目前，較成熟的理論主要可歸納為三大類：一、基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論、減跨理論。1、懸吊理論錨桿上端錨固在圍巖內(nèi)部較堅硬的巖石中，把一層或幾層穩(wěn)定(或不穩(wěn)定)且比較平而薄的直接頂板通過錨桿下端的托板及螺栓，錨固在比較堅硬的巖層上，從而起到了懸吊作用。錨桿的懸吊作用理論能很好地解釋錨桿長度范圍內(nèi)存在穩(wěn)定巖層的情況，但不能說明松軟巖層高度超出錨固范圍情況下的錨桿作用機理。只適用于巷道頂板，不適用于幫、底。且開掘巷道的頂板在一定范圍內(nèi)，必須有堅硬穩(wěn)定的巖層。當跨度較大的軟巖巷道中普氏拱高往往超過錨桿長度，或頂板軟弱巖層較厚，圍巖破碎區(qū)范圍較大時，無法將錨桿錨固到上面堅硬巖層或者未松動巖層上，懸吊理論就不適用了。2、減跨理論包括兩方面的內(nèi)容：一是基于松散介質(zhì)的自然冒落拱理論提出的錨桿作用原理，其依據(jù)是冒落拱高度與跨度成正比關(guān)系，認為利用錨桿的懸吊作用可增加頂板巖層的支點，從而減小支點間的跨距，進而達到降低冒落拱高度、減小所需支護強度的目的；二是基于梁的理論而提出的錨桿作用原理，即當巷道頂板為層狀巖層時，其變形特性近似于梁的性質(zhì)，此時錨桿的作用是縮短梁的跨距，以減小其中的橫向應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩及彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，尤其是彎曲拉應(yīng)力，從而提高頂板的穩(wěn)定性。從以上兩種情況可以看出，減跨理論中的錨桿作用機理以及適用條件與懸吊理論等同，即需要以穩(wěn)定巖層或穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)為依托。二、基于錨桿的擠壓加固作用而提出的組合梁理論、加固拱理論以及楔固理論。1、組合梁理論通過錨桿的軸向作用力將頂板各分層壓緊，以增強各分層間的摩擦作用，并借助錨桿自身的橫向承載能力提高頂板各分層間的抗剪切強度以及層間粘結(jié)程度，使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征，從而提高了頂板的抗彎強度。適用于頂板由多層厚度小的連續(xù)性巖層組成的巷道支護。巷道幫、底不能應(yīng)用。2、加固拱理論(擠壓加固理論)通過系統(tǒng)的布置錨桿，使巷道拱頂節(jié)理發(fā)育的巖體串聯(lián)在一起，沿巷道的斷面形成一個連續(xù)的具有自承受能力的拱形壓縮帶，使巖層得到補強，成為一個整體結(jié)構(gòu)，支承其自身重量和上部的頂板壓力。對于平頂巷道的層狀連續(xù)性頂板而言，擠壓加固理論等同于組合梁理論，此時，錨桿的擠壓加固作用既可使層狀頂板形成組合梁結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗彎強度，又可改善巖層的應(yīng)力狀態(tài)，使巖層沿平行于巖層層理方向的抗壓強度得到提高。本理論適用性較強，幾乎適用于所有的圍巖條件。3、楔固理論主要是針對巷道圍巖中的圍巖有時會沿其中的弱面滑移而提出的圍巖加固理論。當巷道圍巖中的部分巖體被其中的弱面切割為塊體時，其穩(wěn)定性狀況一定程度上將取決于對關(guān)鍵塊體的維護情況，因為這種條件下圍巖的失穩(wěn)大多起因于關(guān)鍵塊體的失穩(wěn)。對此可將錨桿沿與弱面相交的方向布置，并借助錨桿的抗拉、抗剪、抗彎等作用防止圍巖發(fā)生滑動甚至脫離巖層而冒落，從而保持巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。三、綜合錨桿的各種作用或基于特殊條件而提出的最大水平應(yīng)力理論、圍巖松動圈理論、圍巖強度強化理論、錨桿桁架支護理論、錨固平衡拱支護理論、錨注支護理論。1、最大水平應(yīng)力理論巷道圍巖的水平應(yīng)力有時會大于垂直應(yīng)力，此時，巷道頂、底板的穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響；水平應(yīng)力具有明顯的方向性，巷道軸向與最大水平應(yīng)力之間的夾角不同，水平應(yīng)力對頂、底板穩(wěn)定性的影響程度也會有所差異：與最大水平應(yīng)力方向平行的巷道受其影響最小，頂、底板穩(wěn)定性最好；與最大水平應(yīng)力方向成銳角的巷道的頂、底板變形破壞偏向巷道的某一幫；與最大水平應(yīng)力方向垂直的巷道受其影響最大，頂、底板穩(wěn)定性最差?；谠摾碚?，英國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在深部開采的高應(yīng)力環(huán)境下，最大水平應(yīng)力的作用使頂、底板巖層發(fā)生剪切破壞而出現(xiàn)錯動和膨脹，造成圍巖變形，隨著變形的發(fā)展，頂板對支護的載荷迅速增長，并使支護系統(tǒng)發(fā)生破壞。在這種作用下，錨桿的作用應(yīng)當是在頂板變形的早期階段提高其穩(wěn)定性，以控制頂板后期變形的嚴重程度。即錨桿的加固應(yīng)在頂板巖層發(fā)生松動膨脹變形之前進行，而不是等頂板已經(jīng)松動破壞、幾乎喪失自承能力后才被動地承受圍巖壓力。同時，應(yīng)充分重視垂直應(yīng)力對兩幫的影響：頂板錨固后，兩幫垂直應(yīng)力集中區(qū)更靠近巷幫表面，控制兩幫破壞，防止頂板有效跨度超過頂板錨桿的有效支護范圍，對圍巖穩(wěn)定極為重要。2、圍巖松動圈支護理論基于巷道圍巖狀態(tài)特征的研究，董方庭教授等提出了松動圈支護理淪，并提出了關(guān)于錨桿作用機理的動態(tài)解釋。認為在矩形巷道圍巖中，錨桿除了可以發(fā)揮懸吊作用以外，形成組合拱是其主要的支護作用，即破裂頂板在錨桿錨固力作用下可以形成具有一定強度和厚度的錨固層，隨著頂板的下沉變形，錨固層將達到新的平衡狀態(tài)，形成壓力拱或稱之為裂隙體梁式的平衡結(jié)構(gòu)。3、圍巖強度強化理論通過對處于不同物性狀態(tài)巖體加錨前后的力學(xué)性質(zhì)的研究，侯朝炯教授等提出了巷道錨桿支護圍巖強度強化理論。巷道錨桿支護的實質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域巖體相互作用，并形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；錨桿支護可以提高錨固體強度破壞前、后的力學(xué)參數(shù)，改善錨固體的力學(xué)性能；錨桿作用可以提高圍巖各狀態(tài)下的強度值，使巷道圍巖強度得到強化。通過對巷道底臌機理的深入研究，侯朝炯教授提出了加固巷道幫、角控制底臌的理論及方法，為巷道底臌的防治提供了一條有效、實用的途徑。4、錨桿桁架支護理論出現(xiàn)于20世紀60年代，人們通過對其支護機理的研究認為桁架錨桿的作用原理屬于擠壓加固一類，錨桿桁架對巷道圍巖的加固作用主要表現(xiàn)在以下三個方面：改變巷道頂板的應(yīng)力狀態(tài)。即隨著錨桿桁架預(yù)緊力的增加，頂板中部的拉應(yīng)力將減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力，使頂板不受拉應(yīng)力，從而彌補巖體抗拉強度較小的弱點；促進頂板裂隙體梁的形成。當巷道開挖在層狀巖體中時，頂板的破壞和變形可以用“巖梁”理論來分析，它的穩(wěn)定性取決于裂隙體梁的成拱作用；提高頂板裂隙體梁拱座處的抗滑動性能。根據(jù)靜力平衡原理，當巖梁拱座處的抗剪切能力過低時，頂板將發(fā)生整體剪切滑動。桁架預(yù)緊力引起的主動作用將與拱座處的水平推力疊加，增大了該危險部位巖石或不連續(xù)面的摩擦阻力，從而提高頂板裂隙體梁在拱座處的剪切強度。5、錨固平衡拱支護理論根據(jù)困難條件下錨桿支護成拱的重要作用，煤炭科學(xué)院北京開采研究所的林崇德高工提出了錨固平衡拱支護理論。其主要內(nèi)容包括：煤巷軟弱頂板巖層在礦山壓力作用下經(jīng)歷壓縮變形的過程；錨固巖層沒有整體達到塑性破壞之前，頂板巖層仍可視為巖梁；錨固巖層整體進入破壞階段后，巖層已經(jīng)不是一個連續(xù)體；錨固支架是否具有較大的承載能力和變形能力，取決于頂板巖層的力學(xué)性質(zhì)和錨桿的成拱作用大??；錨固支架形成錨固平衡拱的關(guān)鍵是通過錨桿的作用保持錨固巖層的整體性。6、錨注支護理論通過對軟巖巷道圍巖控制方法的研究，陸士良教授提出了外錨內(nèi)注式的支護方法。認為軟巖巷道圍巖的破裂范圍及變形量都很大，傳統(tǒng)的剛性支護難以適應(yīng)，而單純的錨桿支護或組合錨桿支護欲使破裂巖體處于擠緊狀態(tài)，從而形成平衡拱也難以實現(xiàn)。對于節(jié)理裂隙發(fā)育的軟巖，采用注漿的方法可以改變其松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的整體性和強度系數(shù)，從而形成一個注漿加固圈，為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，使其能夠充分發(fā)揮懸吊、組合等基本功能，對注漿加固圈以下的松碎巖石起到支護的作用。這種支護方式的提出極大地拓寬了錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用范圍。第三節(jié) 錨桿支護機理要點 1、錨桿支護的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，減小錨固區(qū)圍巖強度的降低，使圍巖成為承載的主體。在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時改變圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。錨桿支護對巖石的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形控制作用不明顯，要求支護系統(tǒng)應(yīng)具有一定的延伸性，使圍巖的彈性變形、產(chǎn)生明顯擴容變形之前的塑性變形得以釋放。2、錨桿支護系統(tǒng)的剛度十分重要，錨桿預(yù)緊力及其擴散起著決定性作用。根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)緊力，并使預(yù)緊力實現(xiàn)有效擴散是支護設(shè)計的關(guān)鍵。單根錨索預(yù)緊力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、剛度和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)緊力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。特別是對于巷道表面，即使施加很小的支護力，也會明顯抑制圍巖的變形與破壞，保持頂板的完整。護表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。3、錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護剛度，即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護系統(tǒng)提供的剛度。支護系統(tǒng)剛度小于臨界支護剛度，圍巖將長期處于變形和不穩(wěn)定狀態(tài)；相反，支護系統(tǒng)的剛度達到或超過臨界支護剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。支護剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿錨桿預(yù)緊力，因此存在錨桿臨