岩石锚杆加固原理与应用

第1章 引 言 使用锚杆对岩体进行加固的*早记录是在19世纪末(US Bureau of Mines，1987)。20世纪初，锚杆作为一种岩层控制手段被引入煤矿中。锚杆是当今地下矿山和交通隧道岩体加固系统中应用*广泛、作用*显著的加固构件。民用隧道中的锚杆安装间距一般是1.5～2.5m，但是地下矿山使用的锚杆安装间距可能只有1m或者小于1m。图1.1为某深部金属矿山中的锚杆布置形式，该矿井的锚杆安装间距为1m×1m或者0.75m×0.75m。据估计，锚杆在土木和采矿工程中的年消耗量可达数十亿根。 图1.1 某矿井平巷中安装的锚杆 因为锚杆安装在岩体内部，所以肉眼很难观察到它们在岩体中是如何起作用的。因此，有人对锚杆的加固作用存在担忧和质疑。锚杆在岩体加固系统中的必要性可以通过图1.2的例子来说明。图1.2是一个埋深1000m的充填回采巷道上盘和顶板坍塌的情况。该巷道的岩体加固系统由60mm厚的钢纤维喷射混凝土和2.7m长的全长注浆钢筋锚杆组成，锚杆安装间距为1m×1m。在垮落前一年左右，上盘开始破裂，顶板位移加速。为了改善巷道的稳定性，在巷道的该区段构筑了几个锚杆并加喷射混凝土拱梁。拱梁建成后顶板位移和上盘的裂缝开裂速度均明显减缓。该巷道回采完成大约一年后上盘和顶板岩石才坍塌下来。裸露在岩石坍塌堆上的锚杆有的拉伸断裂，有的则被整体拔出。显然，如果没有第二次锚杆和喷射混凝土拱梁的加固，拱顶碎裂的岩石不会维持那么久才垮落。 图1.2 埋深1000m的充填回采巷道上盘和顶板坍塌 锚杆或锚索的加固作用可由托盘的承载状态反映出来。图1.3(a)为承载锚索托盘的变形情况。根据托盘的变形程度，估计托盘上的载荷大约为200kN。托盘的挠曲变形和托盘下混凝土层的压裂表明锚索通过托盘对洞壁提供了良好变形约束。锚杆杆体的受力状态非常复杂，受力模式取决于岩体质量、岩石节理形态、地应力及锚杆的锚固方式。同一地点的锚杆可能会以不同的模式失效，尤其是当它们受到譬如岩爆之类的动态载荷时，情况更是如此。图1.4是某矿井巷道发生岩爆后暴露出来的锚杆，其中一些锚杆螺杆处脆断(A)，一些锚杆的杆体被拉断(B和D)，还有一些由于周围的岩石崩解而失去加固功能(C)。理解锚杆与岩体的相互作用有助于进行锚杆加固设计。 本书阐述了锚杆岩体加固技术的现状，对锚杆加固理论、试验方法和现场应用进行了全面的介绍。第2章介绍工程中使用的典型锚杆，包括传统锚杆(机械锚杆、全长注浆锚杆、自钻式锚杆、摩擦锚杆、组合式锚杆和锚索)以及近年来出现的吸能屈服锚杆，还详细介绍了各种锚杆的结构、锚固方式和技术参数，同时也对锚杆辅助件——托盘、螺母和球形座进行了介绍。锚杆理论在第3章和第4章中介绍。第3章介绍室内拉、剪载荷下锚杆的载荷-位移试验曲线，对岩体中锚杆的观察，以及典型室内锚杆试验方法。第4章介绍各类锚杆承载力学模型、锚杆与岩体之间的相互作用，以及锚杆与其他支护构件(如托盘、网带和喷射混凝土等)之间的相互作用，还介绍了基于围岩响应曲线的岩体加固原理。第5章讨论锚杆加固设计。首先介绍岩体的破坏模式和锚杆加固设计重要依据的岩体来压情况，然后介绍设计原则，包括承压拱概念、基于承压拱概念的加固原则、锚杆尺寸确定、安全系数和加固构件之间的匹配。另外还介绍几种类型的锚杆加固。第6章介绍锚杆安装。第7章介绍锚杆质量控制试验，包括锚杆材料质量、性能和承载力的检验。第8章是锚杆加固数值模拟简介，简单介绍锚杆局部和整体加固数值模拟模型。第9章收集了锚杆加固的一些应用案例。大多数案例来自矿山，其中两个案例是关于锚杆在大型民用地下硐室中的应用，一个是水电站厂房的锚杆加固，另一个是地下体育馆的加固。 图1.3 承载的锚索托盘(P. Mikula授权)和巷道中失效的锚杆 图1.4 岩爆后锚杆的失效模式 A-螺杆断裂；B-锚杆杆体断裂；C-锚杆周围岩石崩解； D-双股锚索的锚固楔块失效，其中一股锚索拉断(B. Simser供图) 本书中使用的专业术语如下。 锚杆：一根长形实心杆，或者空心杆，一般由钢制成，通过机械或注浆的方式固定在岩体中，分为有预紧力锚杆和无预紧力锚杆。 锚索：由单股或多股钢绞线制成的钢束，一般通过注浆固定在岩体中。 锚杆头：指从钻口处伸出，与托盘、螺母和球形座相连接的锚杆端部。锚杆杆体上的载荷在这里经由托盘传递给边墙。 锚杆根部：指埋设在岩体内的锚杆远端。 杆体：指将拉伸载荷从锚点传递到锚杆头的锚杆主体。 脱黏：指界面处的黏结强度消失。 耦合脱离：指锚杆与注浆体分离，界面无摩擦。 验证载荷：指锚杆检测试验时施加的*大载荷。 托盘：一钢板，在锚杆头处与锚杆连接，将载荷从锚杆传递给边墙。 主动加固件：在安装时施加设计工作载荷，有预紧力锚杆属于此类。 被动加固件：在安装时不施加预紧力，无预紧力锚杆属于此类。 参 考 文 献 US Bureau of Mines， 1987. State-of-the-art and physical properties of rock support system. Comparative Study of Rock Support Systems for a High Level Nuclear Waste Geologic Repository in Salt. Report， Appendix 3， 187 p. 第2章 典 型 锚 杆 2.1 引 言 锚杆通常由钢材制成，钢材的力学性能由其应力-应变关系来表示。典型的应力-应变曲线分为弹性和塑性两个特征区域(图2.1)。在弹性区应变与应力呈线性关系，卸除应力，弹性应变恢复。应力超过屈服强度就进入塑性区，变形与载荷不再呈线性关系。载荷小幅增加就会带来较大的塑性变形，这部分变形在应力卸载后不会恢复。随着载荷的增加，塑性变形越来越大，直至载荷达到材料试件的抗拉强度，这就是所谓的钢材硬化。*大载荷之后试件横截面积减小，载荷也随之减小，*终发生颈缩断裂。 图2.1 热轧钢的应力-应变曲线和冷轧钢的应力-应变曲线 Rm-抗拉强度；Re-屈服强度；Rp-比例极限(即线弹性阶段末端的应力) 钢的力学特性由三个参数表示：弹性极限或者称为屈服强度Re(屈服强度通常用于钢材分级)、抗拉强度Rm和延展性。 热轧钢的屈服强度很容易辨识，它就是应力-应变曲线弹性区末端平台处的应力，屈服强度标志着从弹性到塑性变形的转变[图2.1(a)]。但是冷轧钢的应力-应变曲线不会出现平台屈服点[图2.1(b)]，因此冷轧钢的屈服强度通常定义为0.2%塑性应变处的应力值，也称为0.2%屈服点。在应变为0.2%处划一条平行于应力-应变曲线弹性部分的直线，该直线与应力-应变曲线的交点即为冷轧钢屈服点。 钢的延展性一般通过应力-应变曲线上的两个参数来定义：抗拉强度与屈服强度的比例(Rm/Re)和伸长率。钢的延展性(或变形能力)通常用试件断裂后的永久伸长率(A5)来表示。试件被拉断后，将断裂的两半试件对接在一起，测量试件上长度为5倍直径杆段的长度增加量，该增加量除以5倍直径杆段初始长度即为伸长率A5： (2.1) 有时，钢的变形能力也用伸长率A10来表示，这个伸长率是在拉伸试件的10倍直径杆段上得到的。对于相同类型的钢材，A10略小于A5。 另一个参数Agt被称为均匀伸长率或*大作用力下总伸长率，在一些规范和标准(如欧洲规范2和BS 4449:2005)中Agt也用于表示钢的延展性。应力-应变曲线上的极限应力(即抗拉强度)对应的试件永久应变被定义为均匀伸长率Agt，如图2.1所示。 本章介绍典型的钢材锚杆，锚杆规格和技术参数是根据DSI、Galvano、Jennmar、Mansour、Minova Orica和Vik?rsta等主要锚杆供应商的产品目录中提供的数据汇集而成。 2.2 机 械 锚 杆 机械锚杆是通过锚杆根部的机械锁定装置锚固在钻孔内。胀壳式锚杆和槽楔式锚杆属于这类锚杆。 2.2.1 胀壳式锚杆 胀壳式锚杆由两端带螺杆的实心杆、锚杆根部的膨胀壳、托盘和螺母组成(图2.2)。图2.2中的膨胀壳仅仅是目前使用的几种类型中的一种。膨胀壳是由楔块和2～4片壳叶组成的锚固装置。楔体拧到锚杆根部的螺杆上，旋转螺杆，楔形件被拉向钻孔方向，壳体叶片张开压到钻孔壁上，在壳体和孔壁间建立起接触力。壳体-岩石界面上的锚固力与接触力成正比。只要在锚杆上施加足够高的扭矩，锚杆在硬岩中就能很容易地被牢固锚住。然而，在软岩中，当扭矩过高时，孔壁岩石有被膨胀壳压碎的风险。如果发生岩石被压碎的情况，锚杆的锚固力会大幅降低。因此，在软岩中安装胀壳式锚杆时扭矩要适当。在膨胀壳安装完成后，拧紧螺母，对锚杆施加预紧力。预紧力P与施加的扭矩T成正比(Peng and Tang，1984)：