矿冶工勿 MI N INCAN DME T A L LURGICAL程一E NGINE ER INGJ臼 石斌1994不同锚固方式锚杆受力机制与性能特征王志宏刘雨田(北 京 科 技 大学)(河 南文峪 金矿)摘要本文阐述不同锚固结构锚杆的受力机制与性能特征,说明发展复合式锚固是提高锚杆技术性能、改善锚杆支护效果的有效与可靠的途径关链词1概锚杆支护锚固结构复合 式锚固述地下矿山开采,普遍使用锚杆支护,作为保障安全与工程 稳定性的一种重 要手段尽管目前已发展 了种类繁多的不同结构型式的锚杆,但就各种锚杆的锚固方式而论,可划分为机械式锚固及胶结式锚固两类.前者依靠锚杆或其锚固结构同岩石之间的摩擦力与剪切 力实 现锚固;后者依靠胶结剂 同岩石与锚杆之间的胶结强度锚固在这两类锚固方式中,每一类都有2种接触类型一种是锚杆沿其 钻孔只有两端部与岩体接触(即所谓端点锚固);另一种是锚杆沿钻孔全 长与岩体接触(即所谓全长锚固)目前国 内外并存使用着下 列4种基本型式的锚杆:( l )机 械式端点锚固锚杆,如胀壳式锚杆、楔缝式锚杆、胀楔式锚杆、单楔 式锚杆等;( 2)机械式全长锚固锚杆,如 缝管式锚杆、胀管式锚杆等各种摩擦锚杆;( 3)胶结式端点锚固锚杆,如各种树脂卷端部胶结的锚杆;( 4)胶结式全长锚固锚杆,如砂浆锚杆和各种快凝水泥卷锚杆。
除了上述两类4种基本型式的锚杆之外,还有采用 不同锚固方式的联合,即复合式锚杆不 同锚固方式 的锚杆,有不 同的受力机制并导致不 同的技术性能及其同岩石变形 破坏特征适应性的差异因此,为了提高锚杆的支护效果,研究典型的基本锚固方式锚杆的受力机制及其同锚固性能的关系有重要意义2机械式端点锚固结构的受力 机制图1一a为 简化的典型机械式端点锚固结构,由棱锥台1楔片2构成,杆件3与棱锥台一般为螺纹联接该锚固结构的受力状态如图1一b与1一图中N、S为棱锥台与楔片接触面的法向与切向相互作用力Q为斜面角,R、T为岩石对楔片的法向与切向接触力正常发挥支护作用时,锚杆各部件处于平衡状态,依平衡条件:对图l一b有ZN·5ina+25·eos a一P=0(l)对图1一有N·eosa一S·sina一R=0(2)T一N.sina一S·e o s a=0(3)依摩擦力与正 压力的线性关系及可靠锚固的需要S =f:N(4)T<几R(5)f,、几分别为锥台与楔 片,楔片与岩石矿冶工程第1 4卷I I I/ / / 兰兰兰S犷‘ 丫胡:代产\\/ /叹、, /1IR’丫’“”“图l胀楔锚固结构及其分解受力之 间的摩擦系数。
需要 指 出两种平衡状 态的区别,( 4)式 表 示S达到 了锥 台与 楔 片之间的最大挣止摩擦力 的数值,这是 一种极 限平衡状 态;(5 )式 表示保有 一定安 全储备 的稳定平衡状态由以上各式容易得出:_f,一井 tga <火;一下万尸二:~1州厂JZjl(6)(6 )式代表为实现正常锚 固作结构 设计时必需满足 的条件满足 了这一条件,当锚杆拉力P增大时,锥台1将 沿与楔片2的接触面滑动,推着楔片沿 孔径方向扩张、压 入孔壁岩石,并不发生楔片与孔 壁岩石 的相对滑动满足 了(6 )式必 要的锚固条件,可根 据强度因素依 下式设计计算锚固力的大小m(fl+tga)S P 一下一一下尸, 二二丁.一吸(7 )1一 JI,tga式中:m—楔片数量;n—安 全 系数,取1.5一2.0;S—一块楔片同岩石的有 效接触面积;R—岩石 的模 压强度实验表明岩石 的模压强度可达岩石单轴抗压强度的7.5一1 0倍以上由实验得 出极限锚固力P l in同围岩材料单 轴 抗压强度R的关系如图2所示理 论与实验都证明,此 种 锚固方式 对较低强度的岩石也具有相当高的锚固能 力可在 困难与复杂的地 压条件下应用;也适 用于永久性支护,作高强度预应力 注浆锚杆。
图2胀楔结构 锚固力随 岩石强度变化3胶结式锚固结构的受力分析与性能特征图3一a表示从胶结式 锚杆截取 的一 段长度l岩石钻孔中装 填满胶结剂并插入杆件胶结 剂一般用砂浆、速凝水 泥或树脂杆 件多用螺 纹钢设想该段 杆件在 一端受拉力P作用,胶结剂主要以其承受剪应 力:与杆件的拉力 相平衡,并将 杆件的拉力传递给岩石图3一b与3一c表示 从x截面 处截取 长度为dx微段,研 究锚固结构 的 受 力变形 状 态设 在x截面 处杆件拉 力为p,则在x+dx截面 处有P一dPd户为拉 力的微小增 量由平衡条件:艺x一有2二r Tdx一dP ~o第2期王志宏等:不同锚固方式锚杆受力机制与性能特征- - - -- - - - - - - - - - - -工{ { { { {‘‘习习习 礼礼礼!‘‘‘‘‘k k k或或或{ { {求得 胶结剂中的剪应力:cPo一r ’r一 一乏蕊干’“(1 3)式中“一”号说明该剪应力与杆件拉力方向相反图4一a、b表示 由(1 2)和(1 3)式求得的锚杆 拉 力及 胶 结剂剪应力 沿锚杆长 度 的变化;图4一c为x截 面 处 胶结剂剪应力沿径 向变化B了吸、0-P图3胶 结锚固结构及分 解受力 蜜1dP r一厄石’丽‘r 纽(8)式中r为从杆件 中心算起 的半径。
由剪应 力r与剪应变y的线性 关系:以0.51户,Pot知 ~.t,卜任、乌/2压/2,.Ct llr Z一气二 G(9)和杆件外径处胶结剂相对 于钻孔 壁的 位移:U 一狱::一y d r图4杆体 拉力 与胶 结剂剪应力分布 (1 0)式中:G—胶结剂 的剪切模量DI—杆件直径;DZ—钻孔 直径把U近似地看作杆件在x截面处 的位移,将(s)、(9)与(20)式 依次代入以下几何方程 与弹性应力一应变关 系:dU ‘ 一蒸;,‘一瓦’“得微分方程 式:dZPdx8G二卫立二D{二c ZP(11)式 中:c Z~为杆 件材料的弹以上分析结果说明胶结式锚杆承受的轴向拉力及 由此 引起 的胶结剂中的剪应力并不山 锚固全 长 分担,更 不是 平 均分布在锚固全长 范围内,而 是集中在 距离杆件施力端面不远 的一段 长度上胶结剂中的最大剪应力发生 在杆件的施 力端面 处及其附近若在此处达 到 了胶结剂 的抗剪强度极 限,破坏将逐浙向上 发展至全长 锚固失效这一分析结果对依靠胶结锚固承受预 应力的支护 设计有 重要意义EID}In性模量解微分方程 式(11),在一般解中代入 如下边 界条件:当x一。
时,p一 p当x一1时,P 一并作适 当简 化,得到二截面 处 杆件拉力P的表达 式:P=Poe 一cx(1 2)由(12)式 对x微分并 把‘/ P/d二代入戈8 )式,4摩擦锚杆的受力变形分析以缝管锚 杆为例,如 图5一a,安装过程 中钻孔岩壁表 面 承受预 加 的摩擦力F,该摩擦力分布 在锚杆与岩石 的有效接触长度l上,如图5一b所示,因此有:E一岁马尸一D厂{:and工 (14)式 中a为 缝 管外壁与钻 孔岩壁 的法 向接触矿冶工程第1 4卷应 力,f为摩擦系数,D为钻孔直径若在某位置x处岩层 层(节)理发生张 开 趋向的变形,锚杆与钻孔壁 的摩擦力将对该岩石变形切错动变形,对防止 围岩松动,保持巷道稳定有重要意义,图6表示缝管锚杆径向刚度小,不足以阻 止 围岩的径向剪切位移无论胶结式或机械 式的端点锚固锚杆都不具备阻止岩石初期的或较小的径向剪切 破坏的能力在这一 点上,快凝全 长胶结的锚杆是较好的普通砂浆锚杆由于需要较长 的 固结过程,不能有速 效 的抵抗围岩变形作用广⋯‘,,t,图5缝管锚杆结构及受力 状态图6缝管锚杆 受径 向剪切变形起 阻抗作用值得指 出:(l )当钻孔发生变形,孔径缩小,由于氏增大,最大静止摩擦力 将提高,故 总的锚固能力是随钻孔的径向变形而增 长的;(2 )由于摩擦力只同正 压力 和摩擦系数有关,即使锚杆同 围岩 之 间发生 了相对滑 动,静止后 仍 能保持相应的锚固力不变。
这就是说,此钟锚杆有良好的“让压”性能只受害宁垂 U尸户J刁犷口司倾向小的(3 )如果靠近锚杆上端的岩 层发生离层,此时的有效锚固力按 下式计算,将是 很F一喊尸工( l 5 )岩石变形与锚杆受力的相互 作用锚杆可以对岩石施加 预 应力,但更 为主(l )用机械式端点锚固与胶结式全 长锚固的联合,作预应力注浆锚杆,将比现用 二次注浆预应 力锚杆和锚索有更优越的锚固性能且施工简便;(2)对现行缝管锚杆改进,附加胶结式或机械式端锚结构,将显著提高锚固的可靠性;(3 )普通缝管锚杆安装后在管内注满砂浆,将提高锚杆的径向刚度,也将明显改善此种锚杆的支护性 能因此,发展复合式锚固结构是提高锚 杆技术性能,使之适用 于更为复杂地压条件的有效途径参考文献要的是阻止岩石变形而产生抗力通常岩石变形总可分解为沿锚杆钻 孔轴向与径向2个分量以上讨论只分析锚 杆的轴向力事实上发挥径向抗 力的作用,阻止 围岩径 向的剪王志 宏.第二次全国采矿学术会论 文集(金属分册),1 98 6;100一109熊翼翔.有色金属(矿山部分),1 9 79;(3):30一3 4王 志宏. 北京钢铁学院学报,1 98 8;10(4):4 01一406第2期王志宏等:不同锚固方式锚杆受力机制与性能特征2lAMECH A N ICAL A N A LYSIS OFROCK BOLTSWI T HD下FE R EN TANCHORAGEA NDT H E !RTECH NICA LCH A R ACT E RIST ICSWangZ hihong(Be jingU,:iv ersit夕o fScie n c eandT echnolo舒)L iuYutian(万‘n a nWe;理uG OldMin e,ChinaNation alGoldC or Por ation)ABST RA CTAmeehanie alanalysisofroek boltsw ithdifferentanehorstr u eturesandtheirte ehnie aleharateristiespr e s ente dinthispaper.Theresultsshowthatanehorage15effieientandr eliableinimprovingthete ehnie alprope rtie sofroek boltssupPortingeffe ets.KEYWOR DSRo ekbolting,An ehorstr u eture,Combinedanehor age15made,e ombinedandtheir(上接16页)THE A D APT旧NOF A TWOD IME NSION A L E LASTOPLAST ICFIN ITEELEMEN T MET HODPRO GRAMPLAN E T FORM ICROC OMPUT E RSMaMingju nL ia oGuohua(Be红ingUniver sir少o fScie n c eandT echn olo舒)ABST R ACTThispape rpr e s entstheadaptio nofatwodimensio nalela stop!。
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