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1、锚杆支护现状及其发展趋势岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支. 锚固技术, 国内习惯统称为锚杆支护技术, 国外一般称锚固技术或锚杆加固技术它是一种结构简单的主动支护, 它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性, 能有效地控制围 岩变形、位移和裂缝的发展, 充分发挥围岩自身的支撑作用, 把围岩从荷载变为承载体, 变被动支护为主动支护, 且具有运输施工方便、效率高, 有利于加快施工进度, 且施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点. . 锚固技术作为一种技术经济优越的技术手段, 越来越广泛地应用于各个工程领域, 目前不仅广泛应用于世界主要产煤国家, 而且也推广应用冶金、水利水电、铁路公路、
2、军工及建筑等工程之中,伴随着21世纪地下工程的世纪的来临, 可以预见, 该技术必将得到更广泛深入的研究和推广应用1锚杆锚固的特点锚杆锚固是在地层中, 通过锚杆将结构物与地层紧紧连锁在一起, 依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力, 使地层自身得到加固,达到保持结构物和岩体稳定的目的.与传统的支护方式相比较,锚杆锚固技术有其自身的鲜明特点( 1) 能在地层开挖后, 立即提供支护抗力,有利于保护地层的固有强度, 有效阻止地层的进一步扰动, 控制地层变形的发展, 将结构物、地层紧密连锁在一起, 形成共同的工作体系, 提高施工过程的安全性.( 2) 提高地层软弱结构面、潜在滑移面的抗剪强度, 改
3、善地层的力学性能、应力状态, 使其向有利于稳定的方向发展.( 3) 锚杆的作用部位、方向、结构参数、密度和施工时机可以根据需要方便地设定和调整能以最小的支护抗力获得最佳的稳定效果. 锚杆亦可以显著节约工程材料, 有效地提高场地的利用率, 经济效益十分显著. 2锚固技术的理论、技术与应用现状及其新发展自页岩矿首次应用锚杆加固边坡以来, 从最初人们的怀疑、疑虑, 发展到今天已有 100 多年的历史, 锚杆支护凭借显著的技术经济优越性, 已经几乎不受限制地广泛应用于岩土工程的各个领域. 西欧、中欧一些主要产煤国家过去巷道中主要采用金属支架支护, 随着巷道维护日益困难和支护成本的增加, 各国均积极发展
4、锚杆. 锚杆支护发展最快的是英国. 在 1987 年以前, 英国煤矿巷道支护 90%以上采用金属支架, 自英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术, 从而扭转了过去的被动局面, 煤巷锚杆支护得到迅猛发展, 据统计到 1994 年起在巷道支护中所占比例已达到 80% 以上. 就目前而言, 国外锚固技术以澳大利亚、美国发展最为迅速, 两国锚杆支护比重已接近 100% , 其锚固技术水平居于世界前列 / 我国于 20 世纪 50年代开始试用锚杆支护技术, 至 70 年代前期还处于探索阶段, 直到1978 年才开始重点推广, 至 80 年向英国学习锚杆支护技术后推广到煤巷支护, 90 年代又向澳大利亚习
5、引进成套先进的锚杆支护技术, 目前已得到较广泛的推广和应用. 一些矿区的锚杆支护巷道比例达到 90%以上, 有些矿井甚至达到了100%, 取得了较好的技术与经济效益3锚杆支护理论目前普遍被人们接受的理论有: 悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论. 随锚固技术的应用与发展, 人们已经意识到现有的锚杆支护理论和作用原理还不足以把锚固作用机理给予合理的解释和定量性的评价, 有关文献知, 目前提出的新理论有代表性的为:最大水平应力理论. 它由澳大利亚学者盖尔提出. 最大水平应力理论认为, 矿井岩层的平应力通常大于垂直应力, 水平应力具有明显的方向性, 最大水平应力一般为最小应力的1. 5 2. 5 倍.
6、巷道顶底板的稳定性主要受水平力的影响, 且有以下特点:其一, 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小, 顶底板稳定性最好;其二, 与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶底板变形破坏偏向巷道的某一侧壁;其三, 与最大水平应力垂直的巷道, 顶底板稳定性最差. 锚杆支护围岩强度强化理论. 它由中国矿业大学压力研究所在分析已有成果的基础上研究提出的. 该理论揭示了锚杆的作用原理和加固围岩的实质, 并为合理确定锚杆支护参数提供了合理的理论依据.围岩松动圈理论. 它是中国矿业大学针对煤矿巷道的锚喷支护首次提出的. 该理论认为, 由于巷道的掘进, 破坏了原岩应力的平衡,改变了原岩应力状态, 当围岩应力升高
7、范围的岩体强度低于其应力时, 发生屈服破坏, 这种破坏将由巷道周边向深部发展. 由于巷道周围形成了不利于围岩稳定的松动围岩, 由此, 松动圈的范围就决定了巷道的稳定性, 也是锚杆支护设计的依据. 该理论还提出了与之相应的支护参数, 并提出可以用声波测试确定松动圈的范围. 它的创新之处在于: 明确了巷道支护对象,不是弹塑性支护理论中的塑性区岩体, 也不是冒落拱内的岩石重量, 并强调了松动圈形成的时间性, 以及发展的渐进性和动态变化. 不足之处: 它并没有体现支护于围岩的相互作用, 再者当软弱破裂岩不同程度地含有粘土质膨胀物时, 很难通过声波测试出确切的松动圈范围.4 锚杆技术一个世纪以来, 国内
8、外岩土锚固技术无论在理论研究、技术创新或工程应用方面, 都取得了飞速的发展. 近20年以来, 岩土锚固的主要成就和最新的发展主要表现在以下几点:( 1) 锚杆的应用领域和规模不断扩大. 锚杆锚固技术除了在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程继续保持着良好的发展势态之外, 还在重力坝加固工程、桥梁路基工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固方面有了长足的发展.( 2) 锚杆类型的多样化. 目前世界各国均在结合本国岩土工程的地质及生产条件, 发展适宜的锚杆类型, 比如: 美国使用了树脂锚固钢筋锚杆、机械式锚杆、管缝式、水力膨胀式锚杆、混合式锚杆等. 德国除了发展树脂锚固金属锚杆以外, 还大力
9、发展可伸长锚杆. 他们认为, 安装锚杆的目的是为了控制围岩的变形, 但在围岩大变形的情况下, 要使锚杆本身不受损坏, 发展即具有足够的支护阻力, 又有一定延伸性的可伸长锚杆是必要的, 目前他们已经研制出了若干种类型, 有的伸长量可达 50% .( 3) 锚杆的标准化建设日益完善. 20 世纪70 年代以后, 由于岩土锚杆的迅速发展和广泛应用, 前德国、瑞士、英国、美国、中国的香港特别行政区、国际预应力混凝土协会、澳大利亚、日本以及我国等许多国家、地区或机构先后制定了锚杆规范与推荐性标准, 从而使岩土锚固的应用沿着经济合理、技术先进、安全可靠的轨道发展.国内外的地层锚杆规范一般都对锚杆的适用范围
10、、定义、设计、材料、防腐、施工、试验等项目作了明确规定, 我国颁发的国家标准锚杆喷射混凝土支护技术规范( GB50086 2001) 对锚杆锚固体设计的最小安全系数的规格标准与世界多数国家锚杆标准安全系数的取值极为接近.锚杆锚固体的安全系数锚杆破坏后危害程度安全系数临时锚杆永久锚杆危害轻微, 不会构成公共安全问题危害较大, 但公共安全无问题危害大, 会出现公共安全问题注: 永久锚杆预应力筋的设计安全系数为 1. 8.( 4) 锚杆锚固荷载传递方式的研究取得可喜进展. 山东大学朱维申等人曾进行了不同锚固方案的模拟试验并获得了如下成果:加锚比无锚情况单轴压缩时材料峰值提高约 17% , 残余强度提
11、高了一倍, 抗变形能力显著增加, 抗拉强度亦提高了一倍. 对于双轴受力, 其峰值强度对不同的情况可提高 50% 100% 甚至更多, 当锚固密度相当大时, 在无扩容的情况下可提高 3 倍的强度.平面应变条件下试件强度除与锚固密度相关外, 锚固角、锚固型式、锚杆材料的抗剪强度及侧向刚度对试件的强度影响也较大.倾斜交叉布置锚杆对提高峰值强度及控制岩体扩容作用显著, 倾角在 65左右效果最佳, 但这种锚固形式要求锚杆具有较大的侧向刚度.全长胶结锚固与端锚相比, 两种锚固形式的峰值相差不大, 但两者的体变曲线有所不同, 并且前者扩容开始的晚, 对抑制岩体的扩容较有效, 且其峰值后软化现象不明显. 两端
12、锚的锚固形式具有软化现象, 后期的强度较低.( 5) 锚杆日益向高强度、超高强度发展, 其技术途径主有以下两点: 一是研制强度高和具有较好延性的新型材料; 二是加大锚杆直径.( 6) 施工机具的完善与进步, 相应的监测技术与设备的开发研究. 早先的锚杆施工, 人工劳动占 50% 以上, 机具不配套, 施工质量难以保证. 目前, 已经有较为先进的、大功率的、全套性的施工设备, 可以一次完成钻、装、安等相应工序. 这些设备加快了施工进度, 并提高了锚杆技术的可靠度.3 岩体锚固参数的研究国内对岩体锚固参数的研究偏重于锚杆长度和锚杆直径, 研究表明: 锚杆长度和锚杆直径都存在着极限值, 并不是通常认
13、为的愈长愈好和愈粗愈好. 具有代表性的研究结果有以下几个方面:最早提出中性点理论的东北大学王明恕等人认为: 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. 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.中国矿业大学( 北京校区) 袁文伯等人基于弹塑性理论分析认为: 锚杆的极限长度宜大于塑
14、性区厚度且不宜过多地超出塑性区范围,其理论依据是, 在塑性区锚杆产生的拉应力远远大于弹性区, 锚杆过带来作用效率降低且不经济; 对锚杆直径, 认为其仅与最大剪应力有关, 由于粘结层强度的限制, 故锚杆存在着极限直径.空军工程学院郑颖人院士等利用计算机通过对近万个数据的分析, 对锚喷巷道锚杆长度与锚杆直径与喷层厚度( 反映围岩压力大小) , 锚杆提供的附加支护抗力( 反映锚杆受力状态) , 以 及 围 岩稳 定 的 安 全系 数 K2( =Pi/ P静, P i 喷层支护抗力, P静 对应最小破裂松动区荷载) 和锚杆安全系数K 1锚杆材质的抗拉强度, 为锚杆应力) 之间的关系进行了研究. 结果表
15、明, 锚杆长度和锚杆直径都存在着一个合理值.中国矿业大学( 北京校区) 马念杰等人对锚杆直径、钻孔直径与锚固药卷( 树脂卷直径)直径的参数匹配对支护效果、成本和效率等因素进行了深入而详细的研究. 研究结果表明:三径?存在着最佳匹配关系, 合理的三径匹配可提高锚杆锚固力, 改善锚杆对围岩的支护效果, 有效地控制了围岩变形和降低了支护费用. 4存在的问题及其发展趋势锚杆支护凭借着自身施工机械作用空间小、节约材料、安全和施工量、噪音、振动小等优点, 在工程中得到较大发展, 然而, 岩土工程所具有的复杂性, 使得岩土锚固设计落后于工程实践, 锚固技术还存在一些不足之处力学模型和分析方法方面还不够完善,
16、有待进一步研究. 目前的技术标准主要是经验性的, 尽管有多种对锚固机理的解释, 但这些解释中有多半带有经验性和表象性, 或只是在某一种特殊情况下适用.在锚固理论和工程实践相结合这一领域的研究, 就目前来说还几乎是个空白, 这需要通过对锚固理论的深入认识来解决.影响锚杆作用的各种因素也是一个值得深入探讨的问题;锚杆与锚固剂的产品质量. 锚杆的材质、结构与力学性能密切相关, 锚固剂的质量指标是保证支护可靠度的重要一环, 澳大利亚、英国、美国等国家很重视锚杆及锚固剂的生产, 并制定了相关的技术性能质量指标. 但目前在我国, 煤矿上使用的锚杆及其构件很多是自产自销, 存在较大的随意性, 缺少必要的监测和监督. 锚固剂的质量也缺少相应的规范标准, 需要有相关部门制定统一的锚杆系列和锚固剂系列的质量标准, 规范其生产, 尽量使锚杆支护安全锚杆检测仪器与检测技术. 检测是监督施工质量、保证锚杆支护安
