锚杆支护原理的另类解释
第31卷增刊12011年8月
隧道建设
TunnelConstruction
Vol.31Sup.1Aug.2011
锚杆支护原理的另类解释
王志杰,陈梅芳
(山东龙矿集团工程建设公司,山东龙口265700)
摘要:锚杆支护的一般作用原理是提高围岩各向力的平衡程度。锚杆支护在特殊条件下的作用原理是对围岩吊挂固定。对比使用锚杆前后围岩基本力学参数变化,可以看到锚杆调整围岩应力平衡的作用,远大于吊挂固定围岩的作用,围岩应力分布状况是锚杆设计安装的依据。
关键词:锚杆支护;吊挂固定;围岩应力平衡中图分类号:TD353.6
文献标志码:A
文章编号:1672-741X(2011)增刊1-0059-04
AnDifferentExplanationofSupportingPrincipleofRockbolt
WANGZhijie,CHENMeifang
(EngineeringandConstructionCompany,ShangdongLongkuangGroup,Longkou265700,Shandong,China)Abstract:Thenormalsupportingprincipleofrockboltisimprovingthebalanceofstressesofsurroundingrockmass.Thesupportingprincipleofrockboltunderspecialconstructionsituationisreinforcingthesurroundingrockmass.Thebalanceimprovingeffectislargerthanthereinforcingeffectonsurroundingrockmassbymeansofcomparingthebasicmechanicalparametersofrockbeforeandafterrockboltusing.Thedistributionofrockstressisthebasisofdesignandinstallationofrockbolt.
Keyword:rockboltsupport;suspendedrockboltreinforcement;rockstressbalance
一般条件下,锚原理不能反映对围岩支护的普遍要求。
杆支护的作用是提高围岩各向力的平衡程度,减小围岩中的破坏力,减小围岩的变形破坏。
0引言
在一般岩石力学教科书中,对锚杆支护作用原理
的阐述主要从围岩的外在形体和结构出发,在计算锚杆作用效果中不涉及岩石基本力学参数(岩石容重γ不是岩石力学基本参数),与其他材料力学没有本质差别,基本不属于岩石力学理论范畴的问题。锚杆支护原理认为锚杆有以下作用:1)吊挂作用,即把松动岩体吊挂在稳定岩体上,防止松动岩块下落;2)将较薄层岩层串连在一起,组成组合梁,增加岩体的承载力;3)在软弱岩体中形成“承载环”以提高围岩承载力。锚杆的3个作用适合下列条件:1)围岩受地壳运动挫成为不连续体;2)围岩强度在弹性变形范围内,锚伤,
杆的作用是加固锚杆有效长度内的松动岩石。使用掘立井围岩支进机切割的岩石空间基本不出现松动圈。
护吊挂危岩的作用较小,也不需要组成组合梁,与岩层“承载环”的作用也不大。平行的软弱岩体围岩变形破坏的顺序一般是底板—两帮—顶板。传统锚杆支护
收稿日期:2011-05-11
1
1.1
巷道围岩应力分布和围岩位移量
无支护巷道围岩应力分布变化状况
了解岩石在各向不等力条件下的性质是岩石试验
调整岩体各向力的平衡程度,使岩体保持在设的目的。
计变形范围之内是岩石工程的目的。在岩石工程中,所有支护手段都是为了提高岩体各向力的平衡程度。锚杆支护的主要作用也是为了提高围岩各向力的平衡程度。
岩石产生塑性变形的根本原因不仅因其强度的大小,而是岩石各向力的差别超过了自身的强度极限。岩石力学研究的一个重要目标是寻找岩石各向力的差别与岩石强度的关系,创造条件使岩石保持稳定状态。现举例计算某地下空间围岩基本力学参数变化状况(见表1)。
1982年毕业于山东矿业学院地下采煤系,作者简介:王志杰(1954—),男,山东文登人,高级政工师,高级工程师,主要从事煤矿党务群众工作。
60
隧道建设
表1
钙质泥岩、泥灰岩基本力学参数和地下空间条件Mechanicalparametersandofcalciummudrockandmarliteandconditionsofundergroundspace
第31卷
围岩黏结力变化公式
cr=
1-sinφrtanar
p0或者cr=p0。
3cosφr3r2
)p0cosαr。σr=(
(rg-R0)2
式中:r为围岩变形区取值长度。
围岩稳定区径向应力
σr=p0cosαr。
围岩切向应力
σθ=p0(1+sinαr)。
无支护围岩力学参数变化见表2,围岩基本力学参数变化曲线见图1。
表2
Table
2
无支护围岩力学参数变化表of
mechanical
αr/(°)0217.737.513.25.22.31.30.80
Table1
岩石内岩石单轴抗压强度σ/MPa32
摩擦角/黏聚力(°)30
c/MPa5
容重/(kN/m)
25
3
巷道半径R0/cm210
巷道相对埋深H/m350
锚杆支护支护状态
巷道围岩变形区径向应力
围岩原始应力
P0=γH=25×350=8750kN/m2≈8.8MPa。岩体外塌陷角
α=45-
30φ
=450-=300。22
试验岩石内摩擦角转换为围岩内摩擦角
300φ0
=150。=30-φr=φ-
n2
1个自由面,式中:n为围岩自由面系数,多个自由面<2。
试验岩体外塌陷角转换为围岩外塌陷角450-φ450-3000=30+=37.50。αr=α+
22围岩采动应力
σd=p0sinαr=8.7sin37.5=8.7×0.61=5.3MPa。
Variationsparameters
σr/MPa00.462.746.988.578.768.798.798.88.8
ofrock
withoutsupport
p0/MPa8.88.88.88.88.88.88.88.88.88.8
r/cm[***********][**************]2
φr/(°)908674.11563.579.785.487.488.390
cr/MPa00.10.942.250.690.270.120.070.040
σθ/MPa8.89.111.4814.1610.819.69.159.08.928.8
围岩采动载荷
q=σdπR20=5.3×3.14×210×210=73400kN。
设最小采动应力σmin=0.05MPa处为围岩外边缘,围岩最大半径rmax
=
+R20
πσmin
=
+210×210=2172cm。围岩变形区半径(高
0.5π
0=210=297cm。峰压力点)rg=围岩变形区内摩擦角变化公式
r2
φr=90-(90-φmin)
(rg-R0)
[
2
]。
式中:r≤(rg-R0),φmin=15。
围岩变形区外塌陷角变化公式
r2
αr=αmax。
(rg-R0)2
r≤(rg-R0),式中:r为围岩变形区取值长度,αmax=37.50。
围岩稳定区内摩擦角变化公式
φr=φmin
r2g
+(1-2)(900-φmin)。
r
Fig.1
图1
围岩基本力学参数变化曲线图
Curvesofvariationsofbasicmechanicalparametersofrock
1.2无支护巷道围岩位移量围岩位移量υ0=
围岩稳定区外塌陷角变化公式
αr=(
rφr
)αmax或者αr=450-。
2r
2
g2
[
(-1)R0(σp=
cr2σp
σs=cr,-1)(c),
σs
]
式中:r为围岩自地下空间O点至选点距离。
5.3+2.3
=3.8MPa。2
(1)
增刊1王志杰,等:锚杆支护原理的另类解释61
式中:σp为采动应力和始动应力的平均值;σs为围岩c=5MPa;cr为围岩始动应力;c为试验岩石黏结力,
cr=2.3MPa。黏结力,
(-1)×210×将相关参数代入式(1),υ0=[
3823
-1)](()2=12cm(将应力单位MPa转换2350
2
为kg/cm)。
1.3实施锚杆支护条件下围岩应力分布状况
s1=a2=70×70=4900cm2。
支护围岩外径
Dw=2R0+2l=2×210+2×160=740cm。每支锚杆长边b=πDw/
(aDw70×740πDn
=123cm。==
Dn420a)
每支锚杆外端面积
s2=ab=70×123=6766cm2。锚杆平均面积
1s=(4900+8633)=5833cm2。
2巷道顶板锚杆负质量
q=0.5833×1.6×2500=2333kg。按锚杆吊挂围岩原理折算到巷道表面支护力
2
σr=2333/(70×70)=0.48kg/cm。按锚杆增加围岩内边缘径向应力
12
σr=2.54kg/cm=5.3σr。
传统锚杆吊挂原理只有锚杆与水平面夹角时才能发挥最大作用,巷道上半圆锚杆只能平均起到一半的吊挂作用,巷道下半圆锚杆不能起吊挂作用。围岩不是自由落体,立井井壁锚杆基本不起吊挂作用。传统锚杆支护原理的作用十分有限,达不到计算值的1/10。2.2
锚杆支护原理的其他问题
现在有研究者抛开传统锚杆支护原理,在岩石试件
测定微缩锚杆使岩石的剪切模上做模拟锚杆压力试验,
量得到提高。围岩剪切模量高低并不能决定围岩是否破
岩石工程中的所有支护手段的目的是一样的,都是坏。
降低围岩径向应力和切向应力的不平衡程度。围岩径向
围应力和切向应力的不平衡程度保持在自身强度之内,岩就不会发生破坏。
何满潮介绍的高强度大变形锚杆,可以大大扩展锚
杆的适用范围,可以在调整围岩应力平衡程度上起更大的作用。弹性岩石力学理论计算的围岩位移量以毫米计量。岩体外塌陷角公式可以计算出围岩位移量超过100cm。何满潮认为围岩位移量能够超过100cm。卡斯特纳公式计算的围岩变形区范围很小,不能为准确设计锚杆长度提供依据。改进锚杆技术和发展锚杆支护原理同样重要。
围岩应力分布状况对锚杆设计、锚杆安装工艺的影响很大。围岩切向应力影响锚杆锚固力,围岩变形区长度决定锚杆的长度。
l=160cm,设圆钢锚杆d=16mm,额定抗拉强
2
度σm=62kg/mm,额定拉力pm=12460kg。每支锚
22杆支护面积a=70×70=4900cm,锚杆拉力使围
1
岩内边缘径向应力从σr=0增长到σr=2.54
kg/cm2,按锚杆效率μ=0.8,围岩内边缘r=210cm
121
处σr=2kg/cm(σr=0.2MPa)。
根据公式σr=p0cosαr可得到αr=arccosarccos
0.2
=88.70。8.8
σr
=p0
岩体外塌陷角α=45表示干燥松散堆积物,αr=
r=210cm处的真实岩体外塌陷88.70不是岩石状态,100010
围岩内摩擦角φr=87.4。角αr=90-88.7=1.3。
10
切向应力σθ=p0(1+sin1.3)=8.8×(1+0.022)=9MPa。围岩高峰应力点为rg=297cm处的。采动应10
力变小σd=p0sin36.2=5.2MPa。最小内摩擦角变10001
最大外塌陷角变小αmax大φmin=15+2.6=17.6,
1
=37.50-1.30=36.20。径向应力变大σr=p0cos36.1020=7.1MPa,切向应力变小σθ=p0(1+sin36.2)=14MPa。岩石黏结力cr=2.15MPa。围岩位移量变小υ0
=
[
36.7
(-1)×210×(-1)
21.5+2
]
21.52()50
=9
cm。对围岩实施锚杆支护后围岩应力不平衡程度降低,围岩位移量减少1/4(其具体围岩变形区应力分布见表3)。
表3
Table
p0/MPa8.88.88.88.8
围岩变形区应力分布状况表distribution
φr/(°)87.486.1766.117.6
αr/(°)1.31.9112.036.2
3Stressofdeformation
σr/MPa
0.20.62.847.1
zoneof
surroundingrockmass
r/cm[1**********]7
cr/MPa0.070.10.622.15
σθ/MPa
9.09.110.614.0
2
传统锚杆支护原理锚杆作用和岩体外塌陷角理论锚杆作用比较
传统锚杆支护原理下锚杆吊挂力计算每支锚杆支护巷道表面积
3结束语
2.1
传统锚杆支护原理不考虑围岩应力分布状况,忽略锚杆对调整围岩应力平衡的作用,从根本上说
62
隧道建设
参考文献(References):[1][2][3]
第31卷
不属于岩石力学理论范畴。锚杆的吊挂作用、组合梁
作用、承载环作用不能同时适合平巷和立井、巷道上部和中下半部。锚杆的力学计算有很大的不确定性。在处理断层带、围岩滑面、危岩,加固维护地面建筑物等方面还是有效的。在正常地质条件下大面积使
必须充分利用锚杆调整围岩应力平衡的用锚杆,作用。
M].北京:煤炭工业出版丁克宽,马光弟.井巷工程[1980.社,
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