D0I:10.13374/.issn1001-053x.2012.04.001 第34卷第4期 北京科技大学学报 Vol.34 No.4 2012年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2012 快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 吴爱祥李莉四王贻明 王洪江王春来 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:skylily616@163.com 摘要对比分析了快慢凝预应力锚杆较普通全长树脂锚杆的优势，从锚杆的轴向作用和横向作用两方面进行力学特性研 究，得到快慢凝预应力树脂锚杆轴向和横向的应力分布规律.锚杆的轴向作用有效地改善了围岩的应力状态.锚杆的横向作 用体现在两个方面，即充填裂隙和抗滑移剪切，能有效改善围岩的力学性质.最后，探讨了节理岩体中锚杆的受力特征，锚杆 存在多个应力峰值点，并对轴力公式进行了修正 关键词地下采矿：锚杆支护：围岩：应力分析 分类号TD353 Interactional mechanics characteristic of tensioned fast-slow set full-column bolts and rock mass WU Ai-xiang,LI Li,WANG Yi-ming,WANG Hong-jiang,WANG Chun-lai School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083 Corresponding author,E-mail:skylily616@163.com ABSTRACT A comparative analysis was done to reveal the advantage of a tensioned fast-slow set full-column bolt over a common full-column resin bolt.The interactional mechanics characteristics between a tensioned fast-slow set full-column bolt and rock mass were studied to find out the stress distribution of the bolt both in the axial and lateral directions.It is shown that the stress state of wall rock is effectively improved due to the axial action of the bolt.But the lateral action of the bolt includes filling the rock crevices and re- straining the shear sliding,which effectively improve the mechanical properties of wall rock.Finally,the mechanics characteristics of the bolt in the jointed rock were discussed.The result indicates that there exist several axial stress peaks. KEY WORDS underground mining;rock bolting:wall rock:stress analysis 全长树脂锚杆在巷道支护中已经得到了广泛的 随着锚杆的使用，人们对锚杆锚固作用机理的 使用口，它具有黏结强度高、锚固性能好和施工工 认识也逐渐清晰，各种锚固理论相继形成，如悬吊作 艺简单等优点.锚杆支护的作用是抵御围岩碎胀变 用、组合梁作用、压缩拱作用、销钉作用、中性点理论 形，保持围岩原有强度，充分发挥围岩自身的承载能 和松动圈理论日：同时考虑到锚杆和围岩的相互 力.但是，在地下采矿过程中，支护往往滞后于开 作用，也建立了诸多解析法和数值法来分析围岩和 挖，在支护与开挖之间，由于应力的重新分布，已经 锚杆的受力状态.然而，以上理论都不同程度地存 使围岩强度部分恶化，产生了碎胀变形，所以必须寻 在某些局限性，使锚杆支护在更广泛领域的应用尚 求一种既具有树脂锚杆的高黏结强度，又能限制围 缺乏充分而可靠的理论依据.更准确地把握锚杆与 岩碎胀变形过快发展，保持围岩原有强度的一种改 围岩相互作用过程中的锚固机理和受力特征，是进 良的支护方式.快速黏结剂与慢速黏结剂相结合， 一步完善锚杆支护理论的基础，也是进行锚杆支护 并在快速黏结剂凝固后施加预应力的全长树脂锚杆 参数设计的依据.因此，本文从锚杆的轴向作用和 应运而生，以下称之为快慢凝预应力树脂锚杆 横向作用两方面着重分析快慢凝预应力锚杆相对于 收稿日期：201104一13 基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(RTO950)
第 34 卷 第 4 期 2012 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 4 Apr． 2012 快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 吴爱祥 李 莉 王贻明 王洪江 王春来 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: skylily616@ 163． com 摘 要 对比分析了快慢凝预应力锚杆较普通全长树脂锚杆的优势，从锚杆的轴向作用和横向作用两方面进行力学特性研 究，得到快慢凝预应力树脂锚杆轴向和横向的应力分布规律． 锚杆的轴向作用有效地改善了围岩的应力状态． 锚杆的横向作 用体现在两个方面，即充填裂隙和抗滑移剪切，能有效改善围岩的力学性质． 最后，探讨了节理岩体中锚杆的受力特征，锚杆 存在多个应力峰值点，并对轴力公式进行了修正． 关键词 地下采矿; 锚杆支护; 围岩; 应力分析 分类号 TD353 Interactional mechanics characteristic of tensioned fast-slow set full-column bolts and rock mass WU Ai-xiang，LI Li ，WANG Yi-ming，WANG Hong-jiang，WANG Chun-lai School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 Corresponding author，E-mail: skylily616@ 163． com ABSTRACT A comparative analysis was done to reveal the advantage of a tensioned fast-slow set full-column bolt over a common full-column resin bolt． The interactional mechanics characteristics between a tensioned fast-slow set full-column bolt and rock mass were studied to find out the stress distribution of the bolt both in the axial and lateral directions． It is shown that the stress state of wall rock is effectively improved due to the axial action of the bolt． But the lateral action of the bolt includes filling the rock crevices and restraining the shear sliding，which effectively improve the mechanical properties of wall rock． Finally，the mechanics characteristics of the bolt in the jointed rock were discussed． The result indicates that there exist several axial stress peaks． KEY WORDS underground mining; rock bolting; wall rock; stress analysis 收稿日期: 2011--04--13 基金项目: 长江学者和创新团队发展计划资助项目( IRT0950) 全长树脂锚杆在巷道支护中已经得到了广泛的 使用［1］，它具有黏结强度高、锚固性能好和施工工 艺简单等优点． 锚杆支护的作用是抵御围岩碎胀变 形，保持围岩原有强度，充分发挥围岩自身的承载能 力． 但是，在地下采矿过程中，支护往往滞后于开 挖，在支护与开挖之间，由于应力的重新分布，已经 使围岩强度部分恶化，产生了碎胀变形，所以必须寻 求一种既具有树脂锚杆的高黏结强度，又能限制围 岩碎胀变形过快发展，保持围岩原有强度的一种改 良的支护方式． 快速黏结剂与慢速黏结剂相结合， 并在快速黏结剂凝固后施加预应力的全长树脂锚杆 应运而生，以下称之为快慢凝预应力树脂锚杆． 随着锚杆的使用，人们对锚杆锚固作用机理的 认识也逐渐清晰，各种锚固理论相继形成，如悬吊作 用、组合梁作用、压缩拱作用、销钉作用、中性点理论 和松动圈理论［2--6］; 同时考虑到锚杆和围岩的相互 作用，也建立了诸多解析法和数值法来分析围岩和 锚杆的受力状态． 然而，以上理论都不同程度地存 在某些局限性，使锚杆支护在更广泛领域的应用尚 缺乏充分而可靠的理论依据． 更准确地把握锚杆与 围岩相互作用过程中的锚固机理和受力特征，是进 一步完善锚杆支护理论的基础，也是进行锚杆支护 参数设计的依据． 因此，本文从锚杆的轴向作用和 横向作用两方面着重分析快慢凝预应力锚杆相对于 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.04.001
·364 北京科技大学学报 第34卷 普通树脂锚杆的优势所在，以及快慢凝预应力树脂 锚杆与围岩相互作用过程中受力分布特征. 1快慢凝预应力树脂锚杆 普通的树脂锚杆，如图1(a)所示，通常采用全 图2锚杆在围岩中受力的分布图 长同一凝固速度的树脂药卷，在安装好后不给予拉 Fig.2 Force distribution of a bolt in wall rock 伸预应力；而快慢凝预应力树脂锚杆，模型见图1 (b),孔底采用快速凝固药卷（蓝色），其他部位采用 在于锚杆和围岩的相对位移不是由两者的变形性质 慢速凝固药卷（红色），在快凝药卷凝固后施加预拉 差异及围岩整体应力场的改变所引起，而是靠主动 应力，然后加垫板用螺母固定好，安装完毕，慢速药 施加的局部作用力而产生 卷在随后逐渐发挥作用. 对于无预应力的树脂锚杆，只有当围岩和锚杆 有相对位移时，锚杆周围才会因变形量的不同而产 生黏结剪应力，通过这种剪应力约束围岩变形，起到 支护作用.若在锚杆安装后立即施加预应力，这种 局部作用力使锚杆与围岩具有相对位移趋势而产生 轴向剪应力，立即发挥锚杆的支护作用，并且在围岩 变形时黏结剪应力增加较快，锚杆对围岩的约束力 得到提高，使围岩总的变形量减小，锚杆的作用也因 此得到最大程度的发挥. 2.2.1普通全长树脂锚杆轴向应力分布 普通全长树脂锚杆在抗拉拔时，锚杆各点黏锚 (a) b 力均未达到极限时的轴向应力分布，如图3所示，轴 图1全长树脂锚杆(a)和快慢凝预应力树脂锚杆(b) 力和剪应力在围岩表面最大，沿着锚杆随深度增加 Fig.1 Full-column resin bolt (a)and tensioned full-column resin bolt (b) 而呈负指数形式衰减回，剪应力衰减表达式为 (1) 快慢凝预应力锚杆在发挥普通树脂锚杆锚固力 大、可靠性高和适应性强等优势的基础上，由于预应 式中， 力的施加使得锚杆能立即发挥锚固作用，主动施加 a2 2G.G 支护阻力，使得围岩从近似二向受力状态或弱三向 受力状态变为有利的三向受力状态，充分调动和发 ch()]+ch(学) 挥围岩的自身强度和自稳能力，减小围岩在应力重 E E 分布过程中的碎胀变形，使巷道在较高的应力状态 G,=21+7,6,21+g 下维持平衡 轴向应力 (2) 2快慢凝预应力树脂锚杆的受力分布特征 0(x)）=g0e2 式中，σo为锚杆加载点的轴向应力，E,为锚杆的弹 2.1几个重要的概念 性模量，E,为岩石介质的弹性模量，E。为树脂的弹 实际工程中，反应树脂锚杆支护性能的力学参 性模量，r为岩石的泊松比，g为锚固浆的泊松比，d 数D有三个（如图2）：(1)拉断力F,指锚杆系统中 为钻孔直径，d为锚杆直径，d。为锚杆影响区直径. 锚杆的极限承载力：(2)握裹力F,指锚杆体与黏结 2.2.2快慢凝预应力锚杆轴向应力分布 材料间最大抗剪力；(3)黏结力F。,指黏结材料与孔 在快速药卷凝固之后，慢速药卷凝固之前，为锚 壁间最大抗剪力 杆施加预应力.根据文献0]的理论可知，快慢凝 2.2锚杆的轴向作用 树脂锚杆施加预应力后，剪应力和轴向应力分布如 锚杆和围岩的相对位移或相对位移趋势是产生 图4所示.轴力在围岩表面至快慢凝药卷界面最 锚杆作用力的条件圆.施加预应力使锚杆产生轴向 大，在快凝段随锚杆深度增加而呈负指数形式衰减； 力的原理与锚杆作用力产生的原理类似，不同之处 剪应力在快慢凝界面处最大，快凝段的趋势同全长
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 普通树脂锚杆的优势所在，以及快慢凝预应力树脂 锚杆与围岩相互作用过程中受力分布特征． 1 快慢凝预应力树脂锚杆 普通的树脂锚杆，如图 1( a) 所示，通常采用全 长同一凝固速度的树脂药卷，在安装好后不给予拉 伸预应力; 而快慢凝预应力树脂锚杆，模型见图 1 ( b) ，孔底采用快速凝固药卷( 蓝色) ，其他部位采用 慢速凝固药卷( 红色) ，在快凝药卷凝固后施加预拉 应力，然后加垫板用螺母固定好，安装完毕，慢速药 卷在随后逐渐发挥作用． 图 1 全长树脂锚杆( a) 和快慢凝预应力树脂锚杆( b) Fig． 1 Full-column resin bolt ( a) and tensioned full-column resin bolt ( b) 快慢凝预应力锚杆在发挥普通树脂锚杆锚固力 大、可靠性高和适应性强等优势的基础上，由于预应 力的施加使得锚杆能立即发挥锚固作用，主动施加 支护阻力，使得围岩从近似二向受力状态或弱三向 受力状态变为有利的三向受力状态，充分调动和发 挥围岩的自身强度和自稳能力，减小围岩在应力重 分布过程中的碎胀变形，使巷道在较高的应力状态 下维持平衡． 2 快慢凝预应力树脂锚杆的受力分布特征 2. 1 几个重要的概念 实际工程中，反应树脂锚杆支护性能的力学参 数［7］有三个( 如图 2) : ( 1) 拉断力 Fs，指锚杆系统中 锚杆的极限承载力; ( 2) 握裹力 Fw，指锚杆体与黏结 材料间最大抗剪力; ( 3) 黏结力 Fc，指黏结材料与孔 壁间最大抗剪力． 2. 2 锚杆的轴向作用 锚杆和围岩的相对位移或相对位移趋势是产生 锚杆作用力的条件［8］． 施加预应力使锚杆产生轴向 力的原理与锚杆作用力产生的原理类似，不同之处 图 2 锚杆在围岩中受力的分布图 Fig． 2 Force distribution of a bolt in wall rock 在于锚杆和围岩的相对位移不是由两者的变形性质 差异及围岩整体应力场的改变所引起，而是靠主动 施加的局部作用力而产生． 对于无预应力的树脂锚杆，只有当围岩和锚杆 有相对位移时，锚杆周围才会因变形量的不同而产 生黏结剪应力，通过这种剪应力约束围岩变形，起到 支护作用． 若在锚杆安装后立即施加预应力，这种 局部作用力使锚杆与围岩具有相对位移趋势而产生 轴向剪应力，立即发挥锚杆的支护作用，并且在围岩 变形时黏结剪应力增加较快，锚杆对围岩的约束力 得到提高，使围岩总的变形量减小，锚杆的作用也因 此得到最大程度的发挥． 2. 2. 1 普通全长树脂锚杆轴向应力分布 普通全长树脂锚杆在抗拉拔时，锚杆各点黏锚 力均未达到极限时的轴向应力分布，如图 3 所示，轴 力和剪应力在围岩表面最大，沿着锚杆随深度增加 而呈负指数形式衰减［9］，剪应力衰减表达式为 τb ( x) = a 2 σb0 e － 2a x db ． ( 1) 式中， a2 = 2GrGg Eb [ Gr ( ln dg d ) ] b + Gg ( ln d0 d ) g ， Gr = Er 2( 1 + r) ，Gg = Eg 2( 1 + g) ． 轴向应力 σb ( x) = σb0 e － 2a x db ． ( 2) 式中，σb0为锚杆加载点的轴向应力，Eb 为锚杆的弹 性模量，Er 为岩石介质的弹性模量，Eg 为树脂的弹 性模量，r 为岩石的泊松比，g 为锚固浆的泊松比，dg 为钻孔直径，db 为锚杆直径，d0 为锚杆影响区直径． 2. 2. 2 快慢凝预应力锚杆轴向应力分布 在快速药卷凝固之后，慢速药卷凝固之前，为锚 杆施加预应力． 根据文献［10］的理论可知，快慢凝 树脂锚杆施加预应力后，剪应力和轴向应力分布如 图 4 所示． 轴力在围岩表面至快慢凝药卷界面最 大，在快凝段随锚杆深度增加而呈负指数形式衰减; 剪应力在快慢凝界面处最大，快凝段的趋势同全长 ·364·
第4期 吴爱祥等：快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 ·365· 点后随深度增加沿锚杆段逐渐下降 ① ① 2 围岩径深m 围岩径深/ F ①随着围岩径深锚杆所受的轴向应力：②随着围岩径深锚杆所受 的切向应力 ①随若围岩径深锚杆所受的轴向应力：②随若围岩径深锚杆所受 图3全长树脂锚杆轴向应力分布 的切向应力 Fig.3 Axial stress distribution of a full-column resin bolt 图5快慢凝树脂锚杆与围岩长期相互作用下的轴向应力分布 Fig.5 Axial stress distribution of a tensioned full-column resin bolt 黏结锚杆，慢凝段尚未凝固，能提供的剪应力很小 interacted with wall mass for a long time 轴力和剪应力的分布与端锚时的受力情况相似. Stillborg做了一系列不同锚杆类型的拉拔实 预应力锚杆兼具主动支护和被动支护的优点， 验，实验结果与图4显示一致.例如：对于拉拔力为 能有效改善围岩应力状态.在围岩与锚杆产生相对 180kN,锚杆长为1.5m,锚杆直径为20mm,药卷直 位移之前，通过施加预应力，使锚杆主动产生预变 径为35mm,锚杆的弹性模量为210GPa,围岩的弹 形，立即产生承载力，为主动支护，具有刚性支护特 性模量为45GPa,药卷的弹性模量为30GPa,其泊松 点.锚杆的变形性质与岩体的变形性质不同，导致 比均为0.25，测试得峰值剪切强度为12.8MPa. 在同一应力场作用下两者变形量大小及位移大小的 相对差异，但锚杆不同于刚性支架能同围岩协调变 ①D 形，因此产生被动支护作用，发挥柔性支护特点. 2.3锚杆的横向作用 ②2 锚杆有支护兼加固两种功能，锚杆轴向作用力 围岩径深m 发挥着支护作用，横向作用发挥着锚杆的加固作用. 所谓的横向作用，一方面体现在黏结剂对围岩中弱 面、节理和裂隙等结构面的充填作用，如图6所示； 另一方面体现在锚杆的作用力通过黏结剂传递到围 ①随若围岩径深锚杆所受的轴向应力：②随着围岩径深锚杆所受 岩体中，限制围岩中弱面的剪切滑移变形，以及新的 的切向应力 裂隙弱面的产生，这种作用力沿着垂直锚杆方向逐 图4施加预应力时快慢凝树脂锚杆轴向应力分布 Fig.4 Axial stress distribution of a tensioned full-column resin bolt 渐减弱，如图7中曲线所示 when prestressed 当慢速锚固剂凝固后，其黏结强度与快凝段相 同，所以受力情况完全与全长黏结锚杆相同.在与 围岩的长期作用下，锚杆与围岩的相对移动使黏结 作用削弱.由中性点理论网可知，锚杆的轴向应力 分布如图5所示.中性点理论认为，黏结式锚杆是 围松黏结剂错相 靠其与孔壁之间的黏结剪应力来阻止围岩向自由面 0 距锚杆距离伽 变形的，剪应力的大小与围岩与锚杆之间相对位移 图6预应力锚杆的横向作用 成正比.在靠近自由面一端，因阻止围岩向巷道移 Fig.6 Lateral action of a tensioned full-column resin bolt 动，产生指向围岩自由面的剪应力：其余段因受拉拔 作用，锚杆表面剪应力必然指向围岩内部，以满足锚 锚杆的横向作用使锚杆附近围岩中的内聚力大 杆的静力平衡，因此锚杆长度内有一个剪应力改变 大提高，有效改善围岩力学性质，锚杆与围岩紧密接 的点，此点即为中性点（图5中O点）.中性点处轴 触的部分越大，围岩中内聚力得到提高的区域就越 力最大，围岩表面的轴力比中性点处有所减小，中性 大.决定锚杆有效锚固的三个因素为：(1)锚杆的抗
第 4 期 吴爱祥等: 快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 ①随着围岩径深锚杆所受的轴向应力; ②随着围岩径深锚杆所受 的切向应力 图 3 全长树脂锚杆轴向应力分布 Fig． 3 Axial stress distribution of a full-column resin bolt 黏结锚杆，慢凝段尚未凝固，能提供的剪应力很小． 轴力和剪应力的分布与端锚时的受力情况相似． Stillborg ［11］做了一系列不同锚杆类型的拉拔实 验，实验结果与图 4 显示一致． 例如: 对于拉拔力为 180 kN，锚杆长为 1. 5 m，锚杆直径为 20 mm，药卷直 径为 35 mm，锚杆的弹性模量为 210 GPa，围岩的弹 性模量为 45 GPa，药卷的弹性模量为 30 GPa，其泊松 比均为 0. 25，测试得峰值剪切强度为 12. 8 MPa． ①随着围岩径深锚杆所受的轴向应力; ②随着围岩径深锚杆所受 的切向应力 图 4 施加预应力时快慢凝树脂锚杆轴向应力分布 Fig． 4 Axial stress distribution of a tensioned full-column resin bolt when prestressed 当慢速锚固剂凝固后，其黏结强度与快凝段相 同，所以受力情况完全与全长黏结锚杆相同． 在与 围岩的长期作用下，锚杆与围岩的相对移动使黏结 作用削弱． 由中性点理论［12］可知，锚杆的轴向应力 分布如图 5 所示． 中性点理论认为，黏结式锚杆是 靠其与孔壁之间的黏结剪应力来阻止围岩向自由面 变形的，剪应力的大小与围岩与锚杆之间相对位移 成正比． 在靠近自由面一端，因阻止围岩向巷道移 动，产生指向围岩自由面的剪应力; 其余段因受拉拔 作用，锚杆表面剪应力必然指向围岩内部，以满足锚 杆的静力平衡，因此锚杆长度内有一个剪应力改变 的点，此点即为中性点( 图 5 中 O 点) ． 中性点处轴 力最大，围岩表面的轴力比中性点处有所减小，中性 点后随深度增加沿锚杆段逐渐下降． ①随着围岩径深锚杆所受的轴向应力; ②随着围岩径深锚杆所受 的切向应力 图 5 快慢凝树脂锚杆与围岩长期相互作用下的轴向应力分布 Fig． 5 Axial stress distribution of a tensioned full-column resin bolt interacted with wall mass for a long time 预应力锚杆兼具主动支护和被动支护的优点， 能有效改善围岩应力状态． 在围岩与锚杆产生相对 位移之前，通过施加预应力，使锚杆主动产生预变 形，立即产生承载力，为主动支护，具有刚性支护特 点． 锚杆的变形性质与岩体的变形性质不同，导致 在同一应力场作用下两者变形量大小及位移大小的 相对差异，但锚杆不同于刚性支架能同围岩协调变 形，因此产生被动支护作用，发挥柔性支护特点． 2. 3 锚杆的横向作用 锚杆有支护兼加固两种功能，锚杆轴向作用力 发挥着支护作用，横向作用发挥着锚杆的加固作用． 所谓的横向作用，一方面体现在黏结剂对围岩中弱 面、节理和裂隙等结构面的充填作用，如图 6 所示; 另一方面体现在锚杆的作用力通过黏结剂传递到围 岩体中，限制围岩中弱面的剪切滑移变形，以及新的 裂隙弱面的产生，这种作用力沿着垂直锚杆方向逐 渐减弱，如图 7 中曲线所示． 图 6 预应力锚杆的横向作用 Fig． 6 Lateral action of a tensioned full-column resin bolt 锚杆的横向作用使锚杆附近围岩中的内聚力大 大提高，有效改善围岩力学性质，锚杆与围岩紧密接 触的部分越大，围岩中内聚力得到提高的区域就越 大． 决定锚杆有效锚固的三个因素为: ( 1) 锚杆的抗 ·365·
·366 北京科技大学学报 第34卷 与界面处相同，剪力基本为零；锚杆与围岩长期的协 同变形发挥着锚杆的被动支护作用，锚杆在中性点 处轴力最大，剪应力在中性点处方向改变.锚杆的 轴向作用能改变围岩的应力状态. 围岩径深/m (3)锚杆的横向作用，一方面体现在黏结剂对 围岩中弱面、节理和裂隙等结构面的充填作用；另一 方面体现在锚杆的作用力通过黏结剂传递到围岩体 图7节理岩体中锚杆的轴力图 中，限制围岩中弱面的剪切滑移变形，以及新的裂隙 Fig.7 Axial stress distribution of a fully grout bolt in jointed rock 弱面的产生，这种作用力沿着垂直锚杆方向逐渐减 弱.快慢凝相结合的全长药卷避免了因黏结力不足 拉强度：(2)锚固段与树脂的黏结强度；(3)锚固段 而造成锚固失效的缺陷.锚杆的横向作用能有效改 树脂与岩土体间的黏结强度.在实际工程中相对应 善岩体的力学性质 的是：(1)锚杆的拉断力：(2)握裹力；(3)黏结力. (4)考虑巷道围岩的复杂性、锚杆锚固缺陷和 目前，随着高强锚杆（杆体采用螺纹表面）和高强度 树脂锚固剂黏结不均质等情况，锚杆的受力特征变 树脂的使用，拉断力和握裹力可以达到较高标 准圆，锚杆是否有效锚固取决于黏结力是否足够 得更为复杂.本文针对节理岩体对理论公式做了修 正，可知锚杆的轴向力会出现多个峰值.这与国外 大，这就是为何除快速锚固段之外，其余部分要充填 文献中的现场测试结果有着很大的相似性， 入慢速树脂药卷，其目的在于保证黏结力足够大， 3锚杆在现场应用中的探讨 参考文献 [1]Chen H,Yang C H,Li D,et al.Model test study on mechanism 实际的锚杆受力状态会受到现场条件的影响而 of bolt in soft rock tunnel.Chin J Rock Mech Eng,2009.28 变得非常复杂，如岩体的非均质性、锚固缺陷、锚空 (Suppl1):2922 失效和黏结不均匀，下面讨论在节理岩体中锚杆的 (陈浩，杨春和，李丹，等.软岩隧道锚杆支护作用的模型试验 受力特征. 研究.岩石力学与工程学报，2009,28（增刊1）：2922) 2] You C A,Zhan Y.Distributing characters and analysis of stresses 据Bjǒmfot和Stephansson4-的现场测试结果 in prestressed cables.Chin J Rock Mech Eng,2005,24(6):925 显示，在节理发育的围岩中，锚杆可能出现多个轴力 (尤春安，战玉宝.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分 峰值，如图7所示，轴力峰值分别对应节理张开度为 析.岩石力学与工程学报，2005,24(6)：925) 50、20和5μm.假设锚杆与围岩处于相容变形阶 B] Cui Q L,Kang H P.Research on Transmission mechanism of an- 段，轴力表达式可修正为 chorage force of anchored bolt supporting.Coal Min Technol, 2010,15(2):56 a()=∑ne0-(=a,b. (3) (崔千里，康红普.锚杆支护锚固力传递机理研究.煤矿开采， 式中，i为在锚杆a、b和c三处位置 2010,15(2):56) [4 Wen JZ,Wang C,Liu L B.Research on back calculation of plas- 不同围岩情况下锚杆受力的复杂多变性制约着 tic and loose areas by axial force of rock bolt.Chin Underground 锚杆支护机理的发展，以上的计算表达式都是针对 Space Eng,2008,4(6):1023 均质岩体，锚固黏结效果良好的情况，但本文理论分 (文竞舟，王成，刘礼标.锚杆轴力反算围岩塑性区及松动区 析和国外文献中现场测试结果基本一致，可以作为 范围研究.地下空间与工程学报，2008,4(6)：1023) 现场锚杆支护设计的参考. [5]He S M,Li X P.Study on mechanism of prestressed anchor bolt Chin J Rock Mech Eng.2006,25(9):1876 4结论 (何思明，李新坡.预应力错杆作用机制研究.岩石力学与工 程学报，2006,25(9)：1876) (1)快慢凝预应力树脂锚杆，是一种既有全长 Farmer I W.Stress distribution along a resin grouted rock anchor. 树脂锚杆黏结强度高的特点，又有端锚预应力锚杆 Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1975,12 (11)347 立即发挥轴向支护作用的高效的支护方式. [] Chen G,Li HX.Analysis on anchorage failure mechanism of fully (2)锚杆和围岩的相对位移是产生轴力和剪力 encapsulated bolts.Coal Min Technol,1999 (2):50 (陈刚，李华样.全长树脂错杆锚固系统破坏的力学参数分 的前提条件.预应力的施加，使快慢凝锚杆发挥主 析.煤矿开采，1999(2)：50) 动支护作用，在快慢凝药卷分界面处轴力和剪力沿 8] Song F S.Research and application of pre-stressed bolt support 着锚杆向围岩深部呈负指数递减趋势，慢凝段轴力 technology to seam gateway.Mine Constr Technol,2009,30(1):
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 7 节理岩体中锚杆的轴力图 Fig． 7 Axial stress distribution of a fully grout bolt in jointed rock 拉强度; ( 2) 锚固段与树脂的黏结强度; ( 3) 锚固段 树脂与岩土体间的黏结强度． 在实际工程中相对应 的是: ( 1) 锚杆的拉断力; ( 2) 握裹力; ( 3) 黏结力． 目前，随着高强锚杆( 杆体采用螺纹表面) 和高强度 树脂 的 使 用，拉断力和握裹力可以达到较高标 准［13］，锚杆是否有效锚固取决于黏结力是否足够 大，这就是为何除快速锚固段之外，其余部分要充填 入慢速树脂药卷，其目的在于保证黏结力足够大． 3 锚杆在现场应用中的探讨 实际的锚杆受力状态会受到现场条件的影响而 变得非常复杂，如岩体的非均质性、锚固缺陷、锚空 失效和黏结不均匀，下面讨论在节理岩体中锚杆的 受力特征． 据 Bjǒrnfot 和 Stephansson ［14--15］的现场测试结果 显示，在节理发育的围岩中，锚杆可能出现多个轴力 峰值，如图 7 所示，轴力峰值分别对应节理张开度为 50、20 和 5 μm． 假设锚杆与围岩处于相容变形阶 段，轴力表达式可修正为 σb ( x) = ∑ σb0ie － 2α db | x － xi| ( i = a，b，c) ． ( 3) 式中，i 为在锚杆 a、b 和 c 三处位置． 不同围岩情况下锚杆受力的复杂多变性制约着 锚杆支护机理的发展，以上的计算表达式都是针对 均质岩体，锚固黏结效果良好的情况，但本文理论分 析和国外文献中现场测试结果基本一致，可以作为 现场锚杆支护设计的参考． 4 结论 ( 1) 快慢凝预应力树脂锚杆，是一种既有全长 树脂锚杆黏结强度高的特点，又有端锚预应力锚杆 立即发挥轴向支护作用的高效的支护方式． ( 2) 锚杆和围岩的相对位移是产生轴力和剪力 的前提条件． 预应力的施加，使快慢凝锚杆发挥主 动支护作用，在快慢凝药卷分界面处轴力和剪力沿 着锚杆向围岩深部呈负指数递减趋势，慢凝段轴力 与界面处相同，剪力基本为零; 锚杆与围岩长期的协 同变形发挥着锚杆的被动支护作用，锚杆在中性点 处轴力最大，剪应力在中性点处方向改变． 锚杆的 轴向作用能改变围岩的应力状态． ( 3) 锚杆的横向作用，一方面体现在黏结剂对 围岩中弱面、节理和裂隙等结构面的充填作用; 另一 方面体现在锚杆的作用力通过黏结剂传递到围岩体 中，限制围岩中弱面的剪切滑移变形，以及新的裂隙 弱面的产生，这种作用力沿着垂直锚杆方向逐渐减 弱． 快慢凝相结合的全长药卷避免了因黏结力不足 而造成锚固失效的缺陷． 锚杆的横向作用能有效改 善岩体的力学性质． ( 4) 考虑巷道围岩的复杂性、锚杆锚固缺陷和 树脂锚固剂黏结不均质等情况，锚杆的受力特征变 得更为复杂． 本文针对节理岩体对理论公式做了修 正，可知锚杆的轴向力会出现多个峰值． 这与国外 文献中的现场测试结果有着很大的相似性． 参 考 文 献 ［1］ Chen H，Yang C H，Li D，et al． Model test study on mechanism of bolt in soft rock tunnel． Chin J Rock Mech Eng，2009，28 ( Suppl 1) : 2922 ( 陈浩，杨春和，李丹，等． 软岩隧道锚杆支护作用的模型试验 研究． 岩石力学与工程学报，2009，28( 增刊 1) : 2922) ［2］ You C A，Zhan Y． Distributing characters and analysis of stresses in prestressed cables． Chin J Rock Mech Eng，2005，24( 6) : 925 ( 尤春安，战玉宝． 预应力锚索锚固段的应力分布规律及分 析． 岩石力学与工程学报，2005，24( 6) : 925) ［3］ Cui Q L，Kang H P． Research on Transmission mechanism of anchorage force of anchored bolt supporting． Coal Min Technol， 2010，15( 2) : 56 ( 崔千里，康红普． 锚杆支护锚固力传递机理研究． 煤矿开采， 2010，15( 2) : 56) ［4］ Wen J Z，Wang C，Liu L B． Research on back calculation of plastic and loose areas by axial force of rock bolt． Chin J Underground Space Eng，2008，4( 6) : 1023 ( 文竞舟，王成，刘礼标． 锚杆轴力反算围岩塑性区及松动区 范围研究． 地下空间与工程学报，2008，4( 6) : 1023) ［5］ He S M，Li X P． Study on mechanism of prestressed anchor bolt． Chin J Rock Mech Eng，2006，25( 9) : 1876 ( 何思明，李新坡． 预应力锚杆作用机制研究． 岩石力学与工 程学报，2006，25( 9) : 1876) ［6］ Farmer I W． Stress distribution along a resin grouted rock anchor． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1975，12( 11) : 347 ［7］ Chen G，Li H X． Analysis on anchorage failure mechanism of fully encapsulated bolts． Coal Min Technol，1999( 2) : 50 ( 陈刚，李华祥． 全长树脂锚杆锚固系统破坏的力学参数分 析． 煤矿开采，1999( 2) : 50) ［8］ Song F S． Research and application of pre-stressed bolt support technology to seam gateway． Mine Constr Technol，2009，30( 1) : ·366·
第4期 吴爱祥等：快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 ·367· 6 (杨双锁，康立勋.错杆作用机理及不同锚固方式的力学特 (宋发生.煤巷预应力锚杆支护技术研究与应用.建井技术， 征.太原理工大学学报，2003,34(5)：540) 2009,30(1):8) [13]Xu G M,Yin Z Y.Application of hi-tee shoring technique with 9]Hu L W.Dai Y W.Mechanical characteristics of fully grouted high-strengthened resin roof bolt in empty laneway building.Coal rock bolts under axial tensile load.Port Watencay Eng,2005 Technol,2008,27(4):138 (9):12 (徐光明，殷振友.高强树脂锚杆支护技术在沿空送巷中的 (胡利文，戴宇文.全长粘结岩锚抗拔受力特性.水运工程， 应用.煤炭技术，2008,27(4)：138) 2005(9):12) [14]Bjomnfot F,Stephansson 0.Interaction of grouted rock bolts and [10]Li C,Stillborg B.Analytical models for rock bolts.Int J Rock hard rock masses at variable loading in a test drift of the Ki- Mech Min Sci,1999,36(8):1013 irunavaara mine,Sweden//Proceedings of the International Sym- [11]Stillborg B.Professional Users Handbook for Rock Bolting.2nd posium on Rock Bolting.Rotterdam:Balkema Publishers,1984: Ed.Clausthal-Zellerfeld:Trans Tech Publications,1994 377 [12]Yang SS,Kang L X.Study on the principle of bolt action and [15]Bjornfot F,Stephansson O.Mechanics of Grouted Rock Bolts: the feature of variable Anchorage.I Taiyuan Unig Technol, Field Testing in Hard Rock Mining.Swedish Rock Engineering 2003,34(5):540 Research Foundation,1984
第 4 期 吴爱祥等: 快慢凝预应力树脂锚杆与围岩相互作用的力学特征 8 ( 宋发生． 煤巷预应力锚杆支护技术研究与应用． 建井技术， 2009，30( 1) : 8) ［9］ Hu L W，Dai Y W． Mechanical characteristics of fully grouted rock bolts under axial tensile load． Port Waterway Eng，2005 ( 9) : 12 ( 胡利文，戴宇文． 全长粘结岩锚抗拔受力特性． 水运工程， 2005( 9) : 12) ［10］ Li C，Stillborg B． Analytical models for rock bolts． Int J Rock Mech Min Sci，1999，36( 8) : 1013 ［11］ Stillborg B． Professional Users Handbook for Rock Bolting． 2nd Ed． Clausthal-Zellerfeld: Trans Tech Publications，1994 ［12］ Yang S S，Kang L X． Study on the principle of bolt action and the feature of variable Anchorage． J Taiyuan Univ Technol， 2003，34( 5) : 540 ( 杨双锁，康立勋． 锚杆作用机理及不同锚固方式的力学特 征． 太原理工大学学报，2003，34( 5) : 540) ［13］ Xu G M，Yin Z Y． Application of hi-tec shoring technique with high-strengthened resin roof bolt in empty laneway building． Coal Technol，2008，27( 4) : 138 ( 徐光明，殷振友． 高强树脂锚杆支护技术在沿空送巷中的 应用． 煤炭技术，2008，27( 4) : 138) ［14］ Bjǒrnfot F，Stephansson O． Interaction of grouted rock bolts and hard rock masses at variable loading in a test drift of the Kiirunavaara mine，Sweden / /Proceedings of the International Symposium on Rock Bolting． Rotterdam: Balkema Publishers，1984: 377 ［15］ Bjǒrnfot F，Stephansson O． Mechanics of Grouted Rock Bolts: Field Testing in Hard Rock Mining． Swedish Rock Engineering Research Foundation，1984 ·367·