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1、中铁12局集团有限公司 锚杆支护作用机理及应用锚杆支护作用机理及应用目录目录21锚杆的支护作用机理31.1锚杆的悬吊作用31.2锚杆的组合梁作用41.3锚杆的减跨作用61.4弹塑性理论的锚杆支护作用机理71.5单体锚杆支护作用机理91.5.1端头锚固单体锚杆作用机理91.5.2全长锚固单体锚杆作用机理121.5.3单体锚杆作用机理小结142群体锚杆支护作用机理及支护参数的确定142.1小松动圈围岩状态142.2中松动圈围岩状态锚杆支护机理及支护参数确定162.3大松动圈围岩状态锚秆支护作用机理及支护参数确定212.4锚杆支护机理的几个理论问题243锚杆在地下工程中的使用273.1钢带273.1
2、.1钢板梁273.1.2W型钢带283.1.3钢筋梁293.1.4托板303.2顶板桁架313.3点状锚固锚杆333.4沿全长锚固的锚杆333.5灌浆锚杆的长度确定361 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、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 19521962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
3、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
4、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
5、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式中 Pi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23、钻爆法掘进取35； KP软岩围岩荷载增大系数； L岩体平均抗拉强度，Pa； 岩体抗拉强度折减系数，去0.60.8； 与组合岩层层数有关的系数，其值见下表。值与组合岩层的关系组合岩层数1234
6、1.00.750.70.65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：式中 L1最下一层岩层的抗拉强度，Pa； K1安全系数，取810； 1最下一层岩层层抗拉强度折减系数，去0.30.4； h1、1最下一层岩层的厚度和容重。上式适用于h1 0.10.15m的情况；否则应加大托板，且D小于三倍裂隙间距和D0.5L。锚杆长度LM应为：式中 L1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； L2锚固于稳固岩体中的长度，一般L2=0.30.4m；锚杆的单根锚固力Q为：1.3 锚杆的减跨作用如果把不稳定的顶板岩层
7、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
8、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50l00(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。图1-5 锚杆加固作用（a） 围岩强度曲线；（b）巷道周边最危险应力状态图1-6 弹性理论锚杆的悬吊作用1- 锚杆；2-稳定岩层；3-破例区这两种观点存在2个实际问题有待阐明：对第一种观点来讲，由于现有支护(包括锚杆支护)对弹塑性变形相对不及时和支护手段与围岩的不密贴决定了在围岩处于弹性
9、状态时其支护阻力较小，它不可能有效的阻止并限制围岩破碎带的产生和发展；对第二种观点，由于锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩石的重量(自重)，而是破碎带产生和发展过程中的碎胀变形力，而后者碎胀变形力远大于前者破碎带内岩石的自重。1.5 单体锚杆支护作用机理锚杆是在松动圈的较小状态下以较小的应力安装的。因此，锚杆的工作过程也应该根据这个过程予以分析。由于锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，它与其他传统支护结构不同点在于锚杆深入到围岩内部对岩体进行力学的组合。在松动圈发展过程中，锚杆因其刚度、强度与围岩有较大差别，所以在阻止围岩松动圈的碎胀变形中使其所受拉力不断增大，锚杆的这一应力变化过程与围
10、岩的稳定影响与松动圈的厚度和锚杆的锚固方式(端头锚固或全长锚固)密切相关。1.5.1 端头锚固单体锚杆作用机理端头锚固锚杆受力状态如图1-7所示。实际上锚杆应力来源于围岩松动圈的产生、发展过程，因此，锚杆的受力情况必须结合围岩状态进行阐述。图1-7 端头锚固锚杆受力与松动圈关系A- 围岩表面；B-松动圈边界；C-锚杆锚固点(一)弹塑性围岩状态松动圈为零)假如开挖后围岩只产生弹塑性变形，而没有发生破坏，则围岩松动圈为零，碎胀变形亦为零。由于弹塑性变形发生在锚杆安装之前，因此锚杆的最大应力将只是安装应力，由于这一应力较小，可以认为锚杆在这种围岩状态下不起作用，所以，此时不需采用锚杆支护。(二)松动
11、圈状态如果开挖后产生松动圈，锚杆将因为围岩AB间的碎胀变形，使AC间的距离加大(见图1-6a)，从而使锚杆的拉应力增大，当围岩松动圈达到C点时、锚杆的拉应力达到最大值，其应力增长与松动圈厚度值的关系如图1-6b所示。锚杆沿杆体全长拉应力均相等。如果围岩松动圈厚度值继续发展一直到松动圈厚度值达到C点时、则其C点为锚杆的最大理论应力值，如果松动圈厚度值超过C点，则AC间的围岩将会受到压缩，锚杆的应力将会减小，锚杆的工作应力将取决于围岩松动圈稳定点的位置。另外，在实际工作中考虑到锚杆与围岩的相对不密贴性及锚杆杆体在应力增加时的弹塑性变形，在锚杆达到工作拉力前(3040kN)，产生2050mm的伸长(
12、包括锚杆与围岩的不密贴及锚头的受力滑移等)，这对锚杆受力有相当大的影响，同时它将使围岩松动圈的碎胀力得到部分释放。其端头锚固锚杆受力计算图如图1-8所示。图1-8 端头锚固锚杆受力计算（a）端头锚固锚杆位移图；（b）孔底位移系数变化图由图1-7可见；L+L表=L+L+L底+L头所以，L= L表- L底-L头假设，实测表明为小于1的系数，随孔底深度而定，并与深度大体呈正比关系。如果实测L1.0m或2.0m处的位移系数为12，则存在：从锚杆拉拔试验中可以得到锚头与拉拔试验力P的函数关系S头f(P)，且此函数常可简化为S头P，对于粘结式锚杆则一般假设S头0。将有关公式代入上式，可得：L是锚杆杆体受力
13、后的伸长量，则由虎克定律：式中： 杆体应变； d杆体直径； 杆体应力； E杆体材料弹性模量。1.5.2 全长锚固单体锚杆作用机理围岩松动圈是由巷道表面向深部发展的，因此全长锚固锚杆应力来源于围岩松动圈的产生、发展过程。而且剪应力的大小、方向及中性点的位置亦不是固定不变的而是随着围岩松动圈厚度值的变化而变化，其剪应力为零，且拉应力最大的截面总是在松动圈界面上。所以全长锚固锚杆作用机理必须结合围岩松动圈发展过程才能阐述清楚。（一) 弹塑性因素状态(围岩松动圈为零)当围岩松动圈为零即围岩处于弹塑性围岩状态时，由于锚杆支护是在开巷后才安装上去的，所以围岩的弹塑性变形量很小，锚杆的应力也很小，仅维持安装
14、时的应力。实际上，在这种围岩状态下，全长锚固锚杆仍然起不到实质性的作用。利用相似模拟试验可以证明锚杆支护可以改善或提高模拟岩石C、等值，对岩石原岩起到加固作用以防止围岩破坏，但这只是实验室理想状态下的结果，而与现场实际工程围岩状态不符，因为在实际地下工程中，有两点不可能实现：一是锚杆支护不可能做到及时支护，总是滞后一段时间；二是围岩的弹塑性变形不能使锚杆的应力达到其工作应力状态。（二) 松动圈围岩状态当开巷后围岩应力大于围岩强度时，巷道周边围岩发生破坏并向深部转移而出现围岩松动圈，围岩产生明显碎胀变形后，即AC间岩石破坏碎胀，见图1-9。图1-9 全长锚固锚杆应力与松动圈的关系（a） 锚杆受力
15、图；（b）围岩应力图1-锚杆；2-锚杆外端；3-锚杆里端；4-锚杆受力中性点靠近巷道表面的围岩松动圈段锚杆因阻止破裂岩体碎胀径向变形，锚杆表面产生指向围岩自由面的剪应力，其余一段锚杆因受AC段拉拔作用，BC段锚杆表面剪应力指向岩体内部，指向相反的分界点，此点剪应力为零(称之为中性点)而轴向力最大。此时中性点应始终在围岩松动圈界面上，从中性点向锚杆两端轴向力不等，而剪应力亦不等(12)。随着围岩松动圈向深部发展，碎胀变形的增大，锚杆的剪应力和轴向力随着围岩松动圈的变化而变化，其中性点位置(围岩松动圈界面点)亦向深部转移。则此时中性点即是围岩松动圈(中小松动圈)边界上的点，即：=LP当围岩松动圈厚度继续发展以致超过锚杆长度后，则整个锚杆均处于围岩松
