对影响全锚锚杆承载能力因素的分析

󰀁

山󰀁西󰀁煤󰀁炭SHANXICOAL

󰀁

Vol󰀁26󰀁No.3󰀁Sep.2006

对影响全锚锚杆承载能力因素的分析

任智敏,李󰀁义

(太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024)

摘󰀁要:在岩土工程中,锚杆作为支护工具被广泛使用。锚杆的锚固质量、承载状态和完整性是该领域的研究重点。本文将从锚杆应力分布和锚固材料这两方面分析它们对锚杆承载能力的影响。关键词:锚杆应力分布;承载能力;锚固强度;锚固材料特性中图分类号:TD353+󰀁6;TD350󰀁1󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1672󰀁5050(2006)03󰀁0009󰀁03󰀁󰀁在岩土工程中,锚杆被广泛地应用于地层支护工程中。从安装的角度讲,锚杆可以分为机械锚固锚杆、全孔注浆(树脂)锚杆、部分锚固锚杆、摩擦紧

固锚杆等。锚杆的基本功能就是将岩块连接在一起并增加或保持地层的稳定性。因此,锚杆的锚固质量、承载状态、和完整性是最值得关注的。

目前,评价锚固质量的一般手段是拉拔试验,但这种方法耗时,有破坏性,不够精确,不能提供所有需要的信息。于是人们尝试用无损检测的方法来测定锚杆工作状态,可是由于地层状况和锚杆载荷机理都较复杂,这项技术尚处于研究阶段。用无损检测法精确定量地监测锚杆的工作状态目前还是一个挑战:一方面,对于不同类型的锚杆的应力分布状况还不十分清楚;另一方面,锚固材料的特性对锚杆承载能力也有不小影响,这将在下面进行分析。

由于摩擦紧固锚杆的锚固主要取决于锚杆和钻孔之间的任意点接触摩擦,锚固力很难测定,并且预测某一点的锚固力分布意义不大,故本文只讨论全孔注浆锚杆的情况。

平均剪切强度:

Tac=󰀁d

󰀁󰀁(x)dx

g

I

0

s

(2)

式中:Ig󰀁󰀁󰀁锚固段长度。

如果锚固段上各点处的锚固强度都相同,即剪切强度都相同,则公式⑵可简化为:

Tac=󰀁d󰀁sIg(3)

而Tac可以通过拉拔试验测得,则平均锚固强度:

Tas=Tac/Ig󰀁s=Tac/󰀁dIg

3󰀁均匀介质中的锚杆应力分布

假设锚固材料和岩体都是均匀介质,地层运动

引起的作用沿锚杆分布。3.1󰀁对于安装时需要托盘的锚杆

锚杆安装后,在拧紧螺栓时,就会产生初应力。对于全锚锚杆,由于岩体表面的不平整和托盘尺寸的原因也会有一小部分未锚固段。对于锚固锚杆,锚固强度和锚固力在整个锚固段上并不是恒定的。根据已有的研究和经验,在锚杆端头会产生初应力,部分锚固强度最先在垫片附近移动并分布在整个锚固段上,其最大值出现在第一个锚固点上(如图1a)。随着应力的增加,锚固力也在增加(如图1b)。当锚固强度达到峰值后便开始下降,全锚锚杆的锚固强度大约在2.26kN/cm~6.99kN/cm,在第一个锚固点上锚固力从零开始增加,实验表明锚固强度和锚固力并不是线性分布,对于全孔树脂锚杆的锚固力可以超过锚杆的极限承载力。锚杆拉应力在未锚固段上恒等于初应力,而在锚固段上其值在初

2󰀁锚固强度和锚固能力的计算

全锚锚杆的锚固强度取决于水泥材料和灌浆质量。假定整个锚杆各处的灌浆质量都相同,则锚固强度可以用下面的公式求得:

Tas=󰀁d󰀁s(x)式中:d󰀁󰀁󰀁锚杆直径,mm;

󰀁s(x)󰀁󰀁󰀁剪切强度,MPa。

全锚锚杆的锚固能力(Tac)是整个锚固段上锚

固强度的积分,即:

(1)

󰀁󰀁󰀁收稿日期:2006󰀁04󰀁20

󰀁󰀁󰀁作者简介:任智敏(1980-),男,山西太原人,在读硕士,主要从事爆破理论及应用研究。

10

山󰀁西󰀁煤󰀁炭󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第26卷

应力和锚固力之间(如图1c)。

图2󰀁无托盘锚杆应力分布图

水则挥发掉,于是便出现了毛细现象,该现象可以使灰浆的内部结构不均匀化,使材料在受到不规则应力作用时其长效强度有所减弱。通常在水泥中加入2%的班脱岩粘土来提高锚固材料的弹性。此外,其他一些添加剂还可以加速水泥凝固时间,提高水泥的流动性,使水泥膨胀并压实钻孔,但添加剂使用量必须合理,否则会引起诸如腐蚀材料等不良后果。

锚固材料的水灰比会显著影响锚杆的锚固强

s),反度。高水灰比会减弱锚固材料的剪切强度(󰀁

之会增加其剪切强度。最佳水灰比应该在0.34~

图1󰀁有托盘拧紧锚杆应力分布图

3.2󰀁对于安装时不需要托盘的锚杆

对于安装时不需要托盘的锚杆,应力分布与上述情况有较大不同。由于不会产生初应力,锚杆拉应力只会由地层运动引起且很复杂。因为应力调整的原因,在垫片处锚固材料的蠕动比其他地方要剧烈,两个不同点的相对位移就会在锚杆中产生拉应力。由于在杆端头处的拉应力与杆端尾处的拉应力作用方向相反,故在这两点之间可能会产生一条断裂线(如图2),锚固强度和拉应力在该处都达到峰值,且向两边递减。断裂线右边的锚固力抵消断裂线左边的拉应力,反之亦然。从图中可以看出:两边的图形是非对称的,当断裂线越接近锚固段的时,两边的图形越接近对称。

0.4之间,这是因为水灰比低于0.34的材料的可泵唧性低,且在应用中会出现不少问题;而水灰比高于0.4的材料虽然可泵唧性高,但锚固强度又降低了。

全孔注浆锚杆的锚固强度主要是通过锚杆和材料以及材料和岩石接触面之间的摩擦和剪切获得。因此接触面上剪切强度的任意一点儿变化都会对锚杆的锚固强度和承载能力产生影响。现就锚固材料特性对锚杆承载能力的影响分析如下:

a󰀁单轴压缩和剪切对锚杆工作状态有显著影

s)成对响。观察显示锚固强度(Tas)和剪切强度(󰀁

4󰀁锚固材料对锚杆承载能力的影响

对于注浆锚杆所需的水泥,水灰重量比不应超过0.4,太多的水会降低水泥的长效强度,因为结合水中的一部分水在与石灰的水合作用中被消耗;另一部分数关系(如图3),其关系可以表示成如下公式:

Tas=3.2843ln(󰀁s)-0.0523R2

如图4所示,增加单轴压缩强度会使锚固强度显著增加

Tas=2.4992ln(UCSg)-1.4579R2

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁任智敏等:对影响全锚锚杆承载能力因素的分析

11

图5󰀁杨氏模量󰀁锚固强度关系图

Tas=2.3137ln(Eg)+2.9394R2

图3󰀁剪切强度󰀁锚固强度关系图

5󰀁结语

本文综合分析了全锚锚杆的应力分布以及锚固材料特性对锚杆承载能力的影响。详细讨论了应力的分布情况,指出在整个锚固段上应力大小和分布变化以及其最大值可能出现的位置。锚固材料的力

学特性对锚杆承载能力有重要影响。其中水灰的最佳配比在0.34~0.4之间,灰浆在灌入钻孔之前要

图4󰀁单轴压缩强度󰀁锚固强度关系图

如图5所示,在杨氏模量和锚固强度之间也存在一定关系,增加杨氏模量会增加锚固强度。

充分搅拌。锚固材料的力学特性的提高意味着锚杆承载能力的提高,两者成对数关系。总之,这些分析对理解锚固系统的复杂性以及为进一步研究锚杆无损检测提供了有益的参考。

参考文献:

[1]󰀁程良奎,刘启深.岩土锚固工程技术的应用与发展[M].北京:万国学术出版社,1996.[2]󰀁汪明武,王鹤龄.无损检测锚杆锚固质量的现场试验研究[J].水文工程地质,1998(1).

[3]󰀁HiraoM,OgiH,YasuiH.Contactlessmeasurementofboltaxialstressusingashear󰀁waveelectromagneticacoustictrans󰀁

ducer,NDTandEInternational,34:179󰀁183.

[4]󰀁许明,张永兴,李燕.锚杆承载力的灰色系统预测法[J].地下空间,2003,23(4):388󰀁455.

[5]󰀁汪天翼,王法刚,肖国强.水工工程锚杆注浆密实度无损检测试验及工程应用[J].岩土工程界,7(6):87󰀁90.

[6]󰀁BeardMD,LoweMJS.Non󰀁destructivetestingofrockboltsusingguidedultrasonicwaves[J].InternationalJournalofRock

MechanicsandMiningSciences,2003,40

AnalysisofFactorsEffectingonRockBoltLoadingStatus

RENZhi󰀁min,LIYi

(CollegeofMiningEngineeringofTUT,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:Rockboltsarewidelyusedinrockengineeringforgroundstabilization.Thean󰀁choragequality,theloadingstatusandtheboltintegrityareofmostconcernedinthefield.Thispaperanalyzesthefactorsinfluencingtherockloadingstatusfromstressdistributionandgroutproperties.

Keywords:stressdistribution;loadcapacity;anchoragestrength;groutproperties

本文责任编辑󰀁刘新光