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锚杆支护理论的起源及发展

文章出处:培新矿机责任编辑:suqing作者:秩名人气: 发表时间:2022-10-10 10:43 字体大小:【

    锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱,打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中,利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板(亦可不用),或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果,以达到支护的目的。具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。
 

 

01  锚杆支护理论的起源

 

   1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论,该理论认为:巷道开掘后,已采空间上部岩层将逐步垮落,其上方会形成一个抛物线的自然平衡拱,下方冒落拱的高度与岩层强度和巷道宽度有关。该理论适用于确定巷道围岩强度不高、开采深度不是很大的巷道支护反力。20世纪50年代以来,人们开始使用弹塑性力学解决巷道支护问题,其中最著名的是Fener公式和Kastner公式。

 

   国内外巷道顶板控制理论发展很快,我国在1956年开始使用锚杆支护,锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践的不断发展,国内外已经取得大量研究成果。

 

02  锚杆支护传统理论

 

悬吊理论

 

  1952年路易斯阿帕内科(Louis.Apnake)等提出了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上,在预加张紧力作用下,每根锚杆承担起周围一定范围内岩体的重量,锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。

 

组合梁理论

 

   组合梁理论认为:端部锚固锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束,并且增大了各层间摩擦力,与锚杆杆体提供的抗剪力共同阻止岩层间产生相对滑动,提高其自承能力。将几层薄岩锁紧组成较厚的岩层(即组合梁),厚岩层量内的最大弯曲应力和应变与梁的厚度的平方成反比,集成的岩梁越厚,最大弯曲应力和应变就越小。通过锚杆的预拉应力将原薄岩层挤紧增大岩层间的摩擦力,锚杆本身强度也提供一定的抗剪能力,阻止层间错动。

 

减跨理论

 

   在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上提出了减跨理论,该理论任务锚杆末端固定在稳定岩层内,穿过薄层状顶板,每根锚杆相当于一个铰支点,将巷道顶板划分为小跨,从而使顶板挠度降低。

 

组合拱理论

 

   组合拱理论认为:在沿拱形巷道周边布置锚杆后,在预紧固力的作用下,每根锚杆都有一定的应力作用范围,只要取合理的锚杆间距,其应力作用范围会互相重叠,从而形成连续的挤压加固带—即厚度较大的组合拱,该加固带的厚度是普通衬砌支护厚度的数倍,从而更为有效的抵抗围岩应力,减少变形。

 

03  国内外锚杆支护理论的发展

 

    20世纪60年代,奥地利工程师繆勒等在总结前人的经验基础上,提出了一种新的隧道设计施工方法,成为新奥法(NATM)。核心思想是调动围岩的承载能力,促使围岩本身成为支护结构的重要组成部分,摒弃了过去将岩体作为支护结构作用和荷载和采用后衬砌的传统做法。在新奥法中锚杆是提供围岩主动承载力的重要构件。

   20世纪70年代,M.D.Salamon等人提出了能量支护理论。该理论认为支护结构与围岩相互作用、共同变形,在变形过程中,围岩释放一部分能量,支护结构吸收一部分能量,但总的能量没有变化。因而主张利用支护结构的特点,使支架自动调整围岩释放的能量和支护体系吸收的能量,支护结构具有自动释放多余能量的功能。该理论主要是把岩体视为均质线弹性体进行分析,具有一定的局限性。

 

   孙钧院士、朱效嘉教授、郑雨天教授等提出的锚喷—大弧板支护理论,通过壁后软性固化填充及接头处可压缩垫板而使支架具有一定的可缩让压特性,让压到一定程度,要坚决顶住,以满足软岩支护“边支边让,先柔后刚,柔让适度,刚强足够”的特点。

 

   董方庭教授提出的围岩松动圈支护理论,认为巷道在开挖前后,岩体由三向应力状态转变为二向应力状态,岩体强度急剧下降,由于应力的转移,巷道周边出现应力集中,使周边岩体受力增加,如应力超过岩体强度,岩体发生破坏,使其承载能力变低,应力向深部转移,直到应力低于岩体的塑性屈服应力为止。在巷道周边一次形成破裂区、塑性区和弹性区。通过现场实测围岩松动圈的大小来选择合理的支护参数

 

   方祖烈教授提出了主次承载区支护理论,该理论认为:巷道开挖后,在为严重形成拉压域,压缩域在岩层深部,处于三向应力状态,围岩强度高,是维护巷道稳定的主承载区。张拉域在巷道周围,围岩强度相对较低,通过支护加固,也有一定在承载力,称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。

 

  侯朝炯等通过深入研究得到了煤巷锚杆支护的关键理论和技术,特别是提出了围岩强度强化理论,主要内容:

 

1、锚杆支护实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体,形成统一的承载结构

 

2、锚杆支护可以提高锚固体的力学参数,包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数改善被锚岩体力学性能

 

3、巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区,锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化

 

4、锚杆支护可以改变围岩的应力状态,增加围压,提高围岩的承载能力,改善巷道支护状况

 

5、围岩锚固体强度提高后,可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移,控制围岩破碎区的发展,从而有利于巷道围岩的稳定。

 

   最大水平应力理论认为,当垂直应力增大后,岩层由于泊松效应产生侧向变形,造成岩层之间沿摩擦力很低的层面出现相对滑动形成附加水平应力作用于顶板岩层。澳大利亚学者W.J.Gale通过现场观测与数值模拟分析,得出水平应力对巷道围岩变形的稳定性作用,认为巷道顶板变形与稳定主要受水平应力的影响。

 

   何满潮院士等认为传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。恒阻大变形锚杆在动力冲击作用和静力拉伸作用下恒阻大变形锚杆可以提供500~1000mm的变形量。当围岩发生大变形破坏时,恒阻大变形锚杆可以吸收岩体变形能,使围岩中的能量得到释放。恒阻大变形锚杆为软岩巷道支护提供了可靠的支护方式。

 

 

 

参考资料
 

[1]何满潮.郭志飚.恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用[J].岩石力学与工程学报. 2014⑺

[2]赖应得.能量支护学.[M].煤炭工业出版社. 2010-04-01版

[3]何满潮.软岩巷道工程概论[M].中国矿业大学出版社

[4]董方庭.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报.1994⑴

[5]方祖烈.拉压域特征及主次承载区的维护理论[J]. 世纪之交软岩工程技术现状与展望. 1999.

[6]侯朝炯.勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报.2000⑶

[7]吴林梓.基本顶断裂构造影响窄煤柱稳定性研究及工程应用[D].西安科技大学.2014

[8]百度文库.锚杆支护理论

 

 


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