锚杆支护技术及理论应用

摘要: 本文对锚杆的类型、发展作了简单的介绍，并对国内外锚杆支护技术理论，锚杆支护作用机理进行了分析，在此基础上提出了锚杆支护研究中存在的不足及以后研究的方向。

关键词: 锚固设计理论；锚杆

中图分类号：U455.7+1文献标识码：A文章编号：

Abstract: Accroding to home and abroad bolting theory ,and basing on mechanism ofblotingsome problems about the research of bolting technology is advanced in order to improvethe application of the existing bolting theory technology.

Key words:Bolting in theory;anchor

0 引言

锚杆支护技术始于国外,是维护围岩稳定的支护技术[1]。1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡。19世纪初期美国首先将锚杆支护用于矿山建设。1934 年阿尔及利亚的Cheurfas 大坝的加高工程首次采用10 000 kN 级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体,并获得成功。50年代初，瑞典生产出高效的喷浆机，随着速凝剂的出现锚喷支护在全世界迅速推广。

1锚杆支护的发展

当前锚杆锚固技术以其技术先进、经济合理、质量可靠等优点正在隧道岩体支护中广泛应用并且发展迅速。美国、澳大利亚的矿井巷道支护中, 锚杆支护占90 %以上。锚杆锚固技术合理地调动岩体的自身强度和自承载能力改善岩体的应力状态。

1.1锚杆支护

锚杆支护通常与刚带、网、混凝土等共同作用对岩体进行加固。我国煤矿1955年开始试用锚杆。当时的锚杆只起悬吊作用, 被动承载而不与围岩共同作用，效果不理想。借鉴国外技术经验，加上我国技术人员科技研究，锚带网和锚梁网等支护方法在现场得到了大量的应用，支护效果显著增强。这时锚杆不仅起到悬吊作用, 更重要的是起到组合拱或组合梁作用。目前有各种各样的锚杆支护系统，例如锚杆带网、锚杆带刚带、锚杆带梁、锚杆桁架及其多种组合广泛地用于各种工程中。

1.2锚杆的分类

目前锚杆的种类很多，几十乃至上百种。分类目前没有统一标准。按照锚杆与岩体锚固方式可将其划分为机械式、粘结式、和摩擦式；按杆体材料又分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、聚酯锚杆；按照锚固长度划分可分集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆；按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆；按锚固体形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球型锚杆等。

我国最早应用于矿山建设的是木锚杆和竹锚杆，其价格低廉取材广泛，但其锚固力较小，在工程中起到的作用不是很明显。随着生产的发展，金属锚杆已逐渐将其取代。在众多锚杆中预应力锚杆是应用较广泛的一种锚杆。预应力锚杆是在安装锚杆时给锚杆施加相当量的预应力，这样的作用能有效地阻止围岩的开裂、滑移和弱化。不仅消除了锚杆的初始滑移量，而且还能给围岩施加一定的预压应力，提高围岩抗剪切能力和抗拉能力。随着技术的发展，新工艺的进步，现在的锚杆不但锚固力符合工程的需要，其设计逐渐更符合优化的要求，象德国的可伸长的让压性锚杆[2]、俄罗斯的杆体弯曲型可延伸锚杆，可回收锚杆及抗腐蚀性、重量轻、可切割的塑料锚杆[3]等等，它们广泛用于生产建设，在支护强化领域起到了举足轻重的作用。

2锚杆支护技术理论的发展

锚杆和岩体之间的相互作用机理非常复杂，很难通过力学和数学模型进行准确模拟[4]，,,国内外很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨,揭示了锚杆支护的机理。

2.1国外的锚杆支护技术理论

(1) 组合拱理论

组合拱理论是兰氏( T・A・Lang) 和彭德(Pender)提出的。在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，在杆体两端将形成圆锥体形式分布的压应力。如图1。如果按照一定规律布置一系列锚杆，各个锚杆形成的压应力圆锥体将交错重叠，形成一个防止破裂区扩展的承压拱（组合拱），这个承压拱可承受其上部破碎岩石施加的径向荷载，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧[5]。承压拱厚度W可按（1）式近似计算，即

W＝L-S（1）

式中：W― 承压拱厚度；L― 锚杆长度；S― 锚杆间排距

锚杆支护力最大值[1]可由下式确定： （2）

如果考虑剪切滑移，锚杆提供最大支护力为：

（3）

式中： ― 破坏剪切角；― 岩石滑移线最大倾角； ― 锚杆的锚固力；

― 锚杆排距；― 锚杆间距；

英国与澳大利亚等国家的锚杆支护设计倾向于此理论。

(2) 悬吊理论

1952 年路易斯阿・帕内科(Louis A・Panek) 等发表了悬吊理论。该理论认为把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固(悬吊)在稳定岩层上,防止破碎岩块的冒落,在坚硬节理发育的岩块处,锚杆通常起这种作用。锚杆长度可按下式确定，即

L＝ L1+ L2+ L3 （4）

式中： L1 ：锚杆外露长度(一般取0.15m)； L2 ：锚杆有效长度；

L3 ：锚杆锚固长度 (一般取0.3～0.4m)；

锚杆有长度的确定: ①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，应大于等于直接顶的厚度。②当通过实测已确定围岩松动圈范围时，应大于等于松动圈（即破碎带或冒落带）的高度。锚杆直径按杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即

(5)

式中：― 锚杆的锚固力(由拉拔试验确定)；― 锚杆杆体材料的抗拉强度；

(3) 组合梁理论

1952 年德国Jacobio 等发表了组合梁作用理论, 其实质是通过锚杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧,增大层间的摩擦力,同时锚杆的抗剪能力也阻止层间错动,从而将叠合梁转化为组合梁。在美国，由于其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，此理论的应用较多。

(4) 加固补强

该理论认为,对于节理密集破碎岩体或是较为软弱的土体,施加锚杆可使破碎岩体具有完整性，在软弱土体中增加筋骨，从而增强锚固区围岩土体的强度(如弹性模量E ，粘聚力c) 。

(5) 销钉理论

销钉作用表现为两方面：①利用锚杆将不稳定块体钉到深部稳定的围岩上。②软岩洞室围岩常发生压剪破坏，破坏了的岩体将沿最不利的滑移面滑动。如沿洞室周边径向布置锚杆，由于锚杆与滑移面斜交，锚杆就会起到防剪抗滑作用。

2.2国内的锚杆支护技术理论

(1) 全长锚固中性点理论

全长锚固中性点理论由东北大学王明恕教授提出。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。在围岩深处(锚杆头部) ，围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的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。这个理论存在着一定的价值。但是它难以解释锚杆尾部的断裂机理。

(2) 松动圈理论

将围岩中产生的松弛破碎带定义为围岩松动圈。 围岩松动圈支护理论是由中国矿业大学董方庭教授在对围岩状态进行深入研究后提出的。松动圈理论是现有支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩的松动破动是不可能的。松动圈越大，收敛变形越大，支护就愈困难。因此松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。该理论的优点是简单、直观，对中小松动圈有极重要价值，但对大松动圈尤其是高应力软岩以及采准巷道，实践表明，该理论有一定的局限性。

(3) 围岩强度强化理论

其要点是：①锚杆加固围岩 的实质是改变了巷道围岩的受力状况，增加了围压，从而提高了岩石的力学参数（δ、E、C、）， 改善被锚固岩体的力学性能；②巷道围岩存在着破碎区（松动区）、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内的岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强化；③能较好地控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而更有利于保持巷道围岩的稳定。

(4) 锚固平衡拱理论

该理论认为，锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果。但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在洞室周围，锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体。当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时，其承载力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固体卸载。在这个过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松动的岩石构成具有一定承载力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。

这些理论在生产实践中起到了积极的作用，有效的指导了工程实践。在这些理论中，其多数是以定性的方法进行分析，还不能满足工程建设与应用研究。其对岩土锚杆的传力机制也只是定性描述，锚杆加固机理、锚杆的长期工作性能也没有统一的认识，另外在变化的荷载等条件下锚杆的性能还有待于研究。

3锚杆支护的设计

在我国，锚杆支护设计及参数选主要依靠经验与实验的方法。当地质条件简单、围岩稳定时, 直接采用工程类比法确定锚杆支护参数,再用悬吊理论、组合拱理论或松动圈理论加以校核即可。当地质条件复杂时, 采用试验方法确定锚杆支护形式和支护参数, 一般先进行室内模拟实验, 再进行工业性试验锚杆。

目前, 支护设计方法有以下几种。专家系统设计法 它是工程类比法的发展，但由于是建立在众多专家知识和大量的经过实践检验行之有效的经验设计的基础上，因而支护设计的可靠性和合理性大为提高。理论设计法 是建立在锚杆支护力学分析与模拟计算的基础上， 需要预先测试围岩力学参数, 并进行系统的锚杆支护作用机理和围岩变形机理研究，才能成为指导围岩控制实践的科学方法。实测设计法 又称现场监测法, 是由澳大利亚和英国先后发展起来的, 该设计法从地质评估开始, 先进行初始设计，然后通过对锚杆的现场特征、岩体特征及巷道在加固条件下特征的详细监测验证设计，最后确定锚杆加固系统, 并继续进行日常监测。围岩松动圈设计法 该方法含有专家系统设计法和现场实测设计法的内涵, 简单直观, 易为现场工程技术人员所接受, 且对岩巷有着良好的适应性,但对煤巷尤其是动压煤巷的适应性仍有待深入研究, 故围岩松动圈支护理论与设计方法也是今后发锚杆支护技术发展前景与制约因素展的重要方向。

在现有的地下工程支护加固设计中，由于诸多未知参数难以确定，且地质因素复杂，现在仍滞留在以锚杆为主体的研究水平上，没有到把锚固支护看作一个整体系统来作研究设计。这事必造成一些不合理因素。这种研究是今后的方向，应该说这是一套切实有效的方法。它可以克服过去单一重视锚杆本身行为的弊端，从而可以充分发挥系统各要素的功能，以使系统达到最佳工作状态。在欧美一些国外对这个已有所研究，并取得了一定的进展。

4结束语

锚杆支护方法发展到现在已有一百多年的历史，其无论在工业民用建筑、隧道桥梁、矿山建设还是在高陡边坡、大型地下洞室、大型弧门闸墩、大坝及坝基各类建筑物的加固中都发挥着积极的作用。虽然锚杆无论在强度、抗腐、与周围体的粘结力等都有提高，但锚杆支护的理论及设计滞后于工程应用研究，理论分析和数值分析与实际情况出入较大。最主要的就是力学模型和分析方法方面还不够完善。分析支护效果的各种影响因素，研究锚杆结构的作用机理、长期受力特性，对工程质量效益的提高有着深刻的现实意义。

参考文献：

[1] 张向东等．隧道力学．香港天马图书有限公司．2000．

[2] 刘永阔．新型锚杆及岩土锚固新技术. 西部探矿工程． 2006（6）

[3] 程良奎．深基坑支护的新进展[A].北京:人民交通出版社．1998.

[4] 陈胜宏，PeterEGGER．加锚节理岩体流变模型及三维弹粘性有限元分析[J]．水利学报，1998，(9)

[5] 龚维明等．地下结构工程．东南大学出版社． 2004．