3岩石锚杆与喷射混凝土支护技术详解.pptx

3 岩石锚杆与喷射混凝土岩石锚杆与喷射混凝土支护技术支护技术3 岩石锚杆与喷射混凝土支护技术岩石锚杆与喷射混凝土支护技术n n岩石锚杆岩石锚杆岩石锚杆岩石锚杆就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山巷道与硐室、岩石隧道、岩石边坡、岩石基坑等工程巷道与硐室、岩石隧道、岩石边坡、岩石基坑等工程巷道与硐室、岩石隧道、岩石边坡、岩石基坑等工程巷道与硐室、岩石隧道、岩石边坡、岩石基坑等工程中。其中以矿山巷道使用最普遍，包括煤层巷道。可中。其中以矿山巷道使用最普遍，包括煤层巷道。可中。其中以矿山巷道使用最普遍，包括煤层巷道。可中。其中以矿山巷道使用最普遍，包括煤层巷道。可作为永久或临时性支护。作为永久或临时性支护。作为永久或临时性支护。作为永久或临时性支护。在矿山岩石巷道与硐室工程中，我们称以锚杆和在矿山岩石巷道与硐室工程中，我们称以锚杆和在矿山岩石巷道与硐室工程中，我们称以锚杆和在矿山岩石巷道与硐室工程中，我们称以锚杆和喷射混凝土等技术为主组成的各种联合支护技术喷射混凝土等技术为主组成的各种联合支护技术喷射混凝土等技术为主组成的各种联合支护技术喷射混凝土等技术为主组成的各种联合支护技术为为为为锚喷支护技术锚喷支护技术锚喷支护技术锚喷支护技术；在矿山煤层巷道中，我们称以锚杆、锚索和金属在矿山煤层巷道中，我们称以锚杆、锚索和金属在矿山煤层巷道中，我们称以锚杆、锚索和金属在矿山煤层巷道中，我们称以锚杆、锚索和金属网、钢带等组成的联合支护技术为网、钢带等组成的联合支护技术为网、钢带等组成的联合支护技术为网、钢带等组成的联合支护技术为锚网支护技术锚网支护技术锚网支护技术锚网支护技术。3 岩石锚杆与喷射混凝土支护技术岩石锚杆与喷射混凝土支护技术n n3.1 概述概述n n3.2 岩石锚杆分类岩石锚杆分类n n3.3 锚杆支护材料锚杆支护材料n n3.4 锚杆作用原理和参数设计锚杆作用原理和参数设计n n3.5 锚杆施工机具和锚杆施工锚杆施工机具和锚杆施工n n3.6 喷射混凝土支护喷射混凝土支护 3.1 概概 述述n n岩土体变形的岩土体变形的岩土体变形的岩土体变形的两个特点两个特点两个特点两个特点：变形的不均匀性和局部性。：变形的不均匀性和局部性。：变形的不均匀性和局部性。：变形的不均匀性和局部性。岩土体自身还有一个岩土体自身还有一个岩土体自身还有一个岩土体自身还有一个特点特点特点特点：存在自平衡性，就是在一：存在自平衡性，就是在一：存在自平衡性，就是在一：存在自平衡性，就是在一定条件下，岩土体出现局部破坏时，它无须外加作用定条件下，岩土体出现局部破坏时，它无须外加作用定条件下，岩土体出现局部破坏时，它无须外加作用定条件下，岩土体出现局部破坏时，它无须外加作用就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。实现实现实现实现应力调整的条件应力调整的条件应力调整的条件应力调整的条件：变形的连续性和可传递性。：变形的连续性和可传递性。：变形的连续性和可传递性。：变形的连续性和可传递性。n n锚杆的基本锚杆的基本锚杆的基本锚杆的基本工作原理工作原理工作原理工作原理：就是将锚杆杆体的一部分固结在相：就是将锚杆杆体的一部分固结在相：就是将锚杆杆体的一部分固结在相：就是将锚杆杆体的一部分固结在相对较小的地方，利用杆体较岩土有更高的刚度，约束另外对较小的地方，利用杆体较岩土有更高的刚度，约束另外对较小的地方，利用杆体较岩土有更高的刚度，约束另外对较小的地方，利用杆体较岩土有更高的刚度，约束另外部分岩土体的部分岩土体的部分岩土体的部分岩土体的变形与破坏变形与破坏变形与破坏变形与破坏的发展。的发展。的发展。的发展。锚杆的约束作用就是提供锚杆的约束作用就是提供锚杆的约束作用就是提供锚杆的约束作用就是提供应力调整应力调整应力调整应力调整的有效手段。的有效手段。的有效手段。的有效手段。因此，锚杆必须有一处和岩土体因此，锚杆必须有一处和岩土体因此，锚杆必须有一处和岩土体因此，锚杆必须有一处和岩土体牢固锚结牢固锚结牢固锚结牢固锚结，杆体的其，杆体的其，杆体的其，杆体的其余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土体产生有效的体产生有效的体产生有效的体产生有效的约束作用约束作用约束作用约束作用。3.2 岩石锚杆分类岩石锚杆分类n n3.2.1 3.2.1 锚杆的分类方法锚杆的分类方法锚杆的分类方法锚杆的分类方法n n依据不同特点分类，可有不同类型的锚杆：依据不同特点分类，可有不同类型的锚杆：依据不同特点分类，可有不同类型的锚杆：依据不同特点分类，可有不同类型的锚杆：根据根据根据根据锚固形式锚固形式锚固形式锚固形式分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；根据根据根据根据锚固方法锚固方法锚固方法锚固方法分：机械式、水泥砂浆粘结式（包括水泥药卷）、树脂分：机械式、水泥砂浆粘结式（包括水泥药卷）、树脂分：机械式、水泥砂浆粘结式（包括水泥药卷）、树脂分：机械式、水泥砂浆粘结式（包括水泥药卷）、树脂粘结式（包括树脂药卷）和摩擦（缝管、水力）式锚杆；粘结式（包括树脂药卷）和摩擦（缝管、水力）式锚杆；粘结式（包括树脂药卷）和摩擦（缝管、水力）式锚杆；粘结式（包括树脂药卷）和摩擦（缝管、水力）式锚杆；根据根据根据根据杆体材料杆体材料杆体材料杆体材料分：竹锚杆、木锚杆、金属（钢筋）锚杆、钢丝绳锚杆、分：竹锚杆、木锚杆、金属（钢筋）锚杆、钢丝绳锚杆、分：竹锚杆、木锚杆、金属（钢筋）锚杆、钢丝绳锚杆、分：竹锚杆、木锚杆、金属（钢筋）锚杆、钢丝绳锚杆、塑料锚杆、玻璃钢锚杆；塑料锚杆、玻璃钢锚杆；塑料锚杆、玻璃钢锚杆；塑料锚杆、玻璃钢锚杆；特殊功能特殊功能特殊功能特殊功能的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进（钻）式的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进（钻）式的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进（钻）式的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进（钻）式锚杆、让压锚杆、恒阻大变形锚杆、内注浆锚杆。锚杆、让压锚杆、恒阻大变形锚杆、内注浆锚杆。锚杆、让压锚杆、恒阻大变形锚杆、内注浆锚杆。锚杆、让压锚杆、恒阻大变形锚杆、内注浆锚杆。n n而用于而用于而用于而用于土层土层土层土层中的锚杆则被专门称为中的锚杆则被专门称为中的锚杆则被专门称为中的锚杆则被专门称为土钉土钉土钉土钉。表表3-1 各种类型锚杆的主要优缺点各种类型锚杆的主要优缺点锚锚 杆杆 类类 型型优优 点点缺缺 点点集中（端头）集中（端头）锚固类锚固类机械锚固型机械锚固型安装迅速，及时承载安装迅速，及时承载对深部围岩强度要求高对深部围岩强度要求高粘结锚固型粘结锚固型易加工，制造简单易加工，制造简单 对深部围岩强度要求对深部围岩强度要求一般一般全长锚固类全长锚固类机械锚固型机械锚固型易安装，及时承载易安装，及时承载 易腐蚀，锚固强度易易腐蚀，锚固强度易衰减和丧失衰减和丧失粘结锚固型粘结锚固型 适用范围广，树脂适用范围广，树脂锚固剂承载速度快，锚固剂承载速度快，锚固力大锚固力大 树脂锚杆成本高，树树脂锚杆成本高，树脂易燃有毒脂易燃有毒3.2 岩石锚杆分类岩石锚杆分类n n3.2.2 3.2.2 锚杆基本结构形式锚杆基本结构形式锚杆基本结构形式锚杆基本结构形式n n（1 1）结构与组成）结构与组成）结构与组成）结构与组成 锚杆结构锚杆结构锚杆结构锚杆结构:均可以分为与岩土固结的均可以分为与岩土固结的均可以分为与岩土固结的均可以分为与岩土固结的锚固段锚固段锚固段锚固段、露在岩土体外、露在岩土体外、露在岩土体外、露在岩土体外面的面的面的面的尾部尾部尾部尾部和连接锚固段与尾部的和连接锚固段与尾部的和连接锚固段与尾部的和连接锚固段与尾部的工作部分工作部分工作部分工作部分。工作部分可将岩土作用给外露段锚杆的压力传递给固结段。工作部分可将岩土作用给外露段锚杆的压力传递给固结段。工作部分可将岩土作用给外露段锚杆的压力传递给固结段。工作部分可将岩土作用给外露段锚杆的压力传递给固结段。图图3-2 3-2 锚杆结构示意图锚杆结构示意图 机械式机械式机械式机械式锚固锚杆已经较少使用。锚固锚杆已经较少使用。锚固锚杆已经较少使用。锚固锚杆已经较少使用。粘结式粘结式粘结式粘结式和和和和摩擦式摩擦式摩擦式摩擦式锚固锚杆可以是部锚固锚杆可以是部锚固锚杆可以是部锚固锚杆可以是部分固结，也可是全长固结。分固结，也可是全长固结。分固结，也可是全长固结。分固结，也可是全长固结。为了约束岩土体，锚杆的外露部为了约束岩土体，锚杆的外露部为了约束岩土体，锚杆的外露部为了约束岩土体，锚杆的外露部分还应有约束和传力装置，包括：分还应有约束和传力装置，包括：分还应有约束和传力装置，包括：分还应有约束和传力装置，包括：锚杆托盘、螺帽以及喷网面层等。锚杆托盘、螺帽以及喷网面层等。锚杆托盘、螺帽以及喷网面层等。锚杆托盘、螺帽以及喷网面层等。3.2.2 锚杆基本结构形式锚杆基本结构形式n（2）锚固结构的特点）锚固结构的特点n锚固结构锚固结构方面的进步：方面的进步：机械式锚固机械式锚固摩擦式锚固摩擦式锚固粘结式锚固粘结式锚固全长粘结式锚固全长粘结式锚固n不同的锚杆结构各有不同的不同的锚杆结构各有不同的用途用途：如如适适用用煤煤层层的的竹竹、木木锚锚杆杆，塑塑料料锚锚杆杆，玻玻璃璃钢钢锚锚杆杆和和可可卸卸式锚杆式锚杆；适适应应于于煤煤矿矿巷巷道道变变形形大大的的特特点点，专专门门有有可可伸伸长长锚锚杆杆、让让压压锚杆、大变形锚杆锚杆、大变形锚杆；自自进进（钻钻）式式锚锚杆杆则则适适用用于于破破碎碎岩岩土土层层的的支支护护，免免得得因因为为拔钻杆时塌孔而无法安装锚杆。拔钻杆时塌孔而无法安装锚杆。土钉土钉则是锚杆拓展到土工中后形成的专用名词。则是锚杆拓展到土工中后形成的专用名词。3.3 锚杆支护材料锚杆支护材料n材料：杆体、固结机构或粘结材料、托盘、螺帽等。材料：杆体、固结机构或粘结材料、托盘、螺帽等。n3.3.1 杆体材料杆体材料常用的杆体材料主要是各种钢筋，包括常用的杆体材料主要是各种钢筋，包括圆钢圆钢、螺纹钢螺纹钢和和专专用钢材用钢材。n国内上世纪国内上世纪90年代前多用年代前多用1420 mm的的3号圆钢号圆钢（Q235）制作，抗断破坏力一般不超过）制作，抗断破坏力一般不超过100 kN；n近年来采用高强度、高刚度锚杆或超高强的近年来采用高强度、高刚度锚杆或超高强的螺纹钢锚螺纹钢锚杆杆（屈服强度（屈服强度400500 MPa）；）；n专门研制了单向左旋无纵筋螺纹钢，用于制作螺纹钢专门研制了单向左旋无纵筋螺纹钢，用于制作螺纹钢锚杆，并采用专用螺母，形成锚杆，并采用专用螺母，形成等强锚杆等强锚杆。n国内煤矿还采用有经济的竹、木锚杆、塑料锚杆、玻国内煤矿还采用有经济的竹、木锚杆、塑料锚杆、玻璃钢锚杆等。璃钢锚杆等。3.3 锚杆支护材料锚杆支护材料n锚杆实现高强和超高强的方法锚杆实现高强和超高强的方法：首先是高强度材料的应用；首先是高强度材料的应用；其次是对螺纹钢筋进行整体强化热处理，使直径其次是对螺纹钢筋进行整体强化热处理，使直径22mm的的螺纹钢锚杆破断力达到螺纹钢锚杆破断力达到300 kN以上，大大提高了锚杆的承以上，大大提高了锚杆的承载能力；载能力；再则通过对螺纹段采用整体滚丝方式加工螺纹，可保证螺再则通过对螺纹段采用整体滚丝方式加工螺纹，可保证螺纹段的极限承载力不低于杆体破断荷载的纹段的极限承载力不低于杆体破断荷载的90。3.3.2 锚固机构和粘结材料锚固机构和粘结材料n（1）锚固机构）锚固机构机械式锚杆靠机械装置实现锚杆的锚固。包括改善缝管（机构）性能机械式锚杆靠机械装置实现锚杆的锚固。包括改善缝管（机构）性能来实现与孔壁间的固结；改善涨壳结构和锚固的可靠性等。来实现与孔壁间的固结；改善涨壳结构和锚固的可靠性等。目前锚杆的粘结材料主要有：水泥质粘结材料和树脂类粘结材料。目前锚杆的粘结材料主要有：水泥质粘结材料和树脂类粘结材料。n（2）水泥质粘结材料）水泥质粘结材料n水泥砂浆和纯水泥浆液（与岩石及钢材水泥砂浆和纯水泥浆液（与岩石及钢材粘结强度粘结强度：1.85.0 MPa）n快硬水泥药卷（实心和中空结构）快硬水泥药卷（实心和中空结构）n（3）树脂类粘结材料）树脂类粘结材料n树脂粘结材料的发展树脂粘结材料的发展n树脂药卷结构与性能特点树脂药卷结构与性能特点树脂锚杆安装操作工艺树脂锚杆安装操作工艺:1.根据钻孔直径选择树脂锚固剂的规格、型号。根据钻孔直径选择树脂锚固剂的规格、型号。2.按设计要求的锚固剂规格和杆体长度，确定钻孔深度比杆体全长按设计要求的锚固剂规格和杆体长度，确定钻孔深度比杆体全长短短6080 mm。3.用压风清扫眼孔浮尘。用压风清扫眼孔浮尘。4.根据设计锚固长度，用杆体将选用的锚固剂送入孔底，启动搅拌根据设计锚固长度，用杆体将选用的锚固剂送入孔底，启动搅拌器带动杆体旋转器带动杆体旋转305 s，匀速推进到孔底。，匀速推进到孔底。5.卸下搅拌器后，及时在孔口将杆体楔住，固化前不要使杆体移位卸下搅拌器后，及时在孔口将杆体楔住，固化前不要使杆体移位或晃动，安装顶眼时尤为重要。快速或晃动，安装顶眼时尤为重要。快速15min，中速，中速40min后测试锚固力后测试锚固力为宜。为宜。6.快速和中速分别为快速和中速分别为7min、15min后上托板，旋紧螺母后即可承载。后上托板，旋紧螺母后即可承载。7.搅拌安装工具根据现场动力条件，可采用搅拌安装工具根据现场动力条件，可采用TJ-9风动锚杆搅拌机或风动锚杆搅拌机或电煤钻加连接头，紧螺母可采用电煤钻加连接头，紧螺母可采用QB-16风动板手或手动板手。风动板手或手动板手。8.若采用锚杆钻机作业，钻孔和安装锚杆同机操作更为方便。若采用锚杆钻机作业，钻孔和安装锚杆同机操作更为方便。3.3.3 托盘（垫板）和螺母托盘（垫板）和螺母n托盘（垫板）是锚杆支护系统中的一个重要部件。托盘（垫板）是锚杆支护系统中的一个重要部件。全长锚固锚杆：用螺帽压紧垫板，可防止垫板附近破碎岩块脱落，且全长锚固锚杆：用螺帽压紧垫板，可防止垫板附近破碎岩块脱落，且在锚杆受作用时，其外端口附近的粘结材料将出现在锚杆受作用时，其外端口附近的粘结材料将出现最大剪应力最大剪应力。端头锚固或全长锚固锚杆，没有托盘都是不合理的。端头锚固或全长锚固锚杆，没有托盘都是不合理的。n托盘（垫板）形式：平板形托盘、专门的（异形）垫板托盘（垫板）形式：平板形托盘、专门的（异形）垫板平板形托盘：一般用铸铁浇铸，或用钢板或废旧矿用工字钢翼缘切割平板形托盘：一般用铸铁浇铸，或用钢板或废旧矿用工字钢翼缘切割并钻孔而成。并钻孔而成。各种专门的（异形）垫板可以改善锚杆的锚固性能。各种专门的（异形）垫板可以改善锚杆的锚固性能。一般用高强度钢板制成，平板式垫板厚度一般用高强度钢板制成，平板式垫板厚度6mm，截面一般不小于，截面一般不小于150l50mm2。也可用铸铁材料，但其力学性能较差，厚度应增大。也可用铸铁材料，但其力学性能较差，厚度应增大。斗形托板斗形托板 钟形托板钟形托板 三角形托板三角形托板 环形托板环形托板图图3-3 3-3 常用异形垫板结构形式常用异形垫板结构形式（a）BHTA型型 （b）BHTB型型图图3-4 钟形锚杆托盘结构示意图钟形锚杆托盘结构示意图3.3.3 托盘（垫板）和螺母托盘（垫板）和螺母n螺母是直接传递锚杆作用的受力元件。螺母是直接传递锚杆作用的受力元件。高强度锚杆高强度锚杆均配有高强螺帽和钟形托盘，螺母必须拧紧，均配有高强螺帽和钟形托盘，螺母必须拧紧，以实现对锚杆施加预紧力。以实现对锚杆施加预紧力。采用锚杆钻机安装锚杆时可配套使用扭矩螺母，可以实现采用锚杆钻机安装锚杆时可配套使用扭矩螺母，可以实现低量级预应力（低量级预应力（150 N.m扭矩可以有扭矩可以有3050 kN预紧力），预紧力），实现锚杆的一次安装和锚固。实现锚杆的一次安装和锚固。（a）球形螺母）球形螺母 （b）塑料阻尼螺母）塑料阻尼螺母图图3-5 专用锚杆扭矩螺母结构示意图专用锚杆扭矩螺母结构示意图3.3.4 配合使用的其它配件配合使用的其它配件n配合锚杆使用的还有托梁、钢带、金属网等配件，常根据整体稳定的需配合锚杆使用的还有托梁、钢带、金属网等配件，常根据整体稳定的需要而进行各种不同的配置。要而进行各种不同的配置。n（1 1）托梁）托梁托梁是用锚杆固定在岩帮上的梁结构，同时梁也将若干锚杆连在一起，托梁是用锚杆固定在岩帮上的梁结构，同时梁也将若干锚杆连在一起，形成组合作用。托梁的一定刚度可使锚杆之间的松散岩土保持完整，形成组合作用。托梁的一定刚度可使锚杆之间的松散岩土保持完整，是使岩土体形成整体稳定的有效手段。是使岩土体形成整体稳定的有效手段。n目前常用的托梁有两种形式：目前常用的托梁有两种形式：钢筋梁钢筋梁和和W型钢带型钢带。3.3.4 配合使用的其它配件配合使用的其它配件n（2 2）网）网网的网的作用作用是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块掉落，是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块掉落，同时对提高喷层的抗拉性能也有一定的作用。同时对提高喷层的抗拉性能也有一定的作用。目前支护用网的形式与品质很多，主要有目前支护用网的形式与品质很多，主要有铁丝网铁丝网、钢筋网钢筋网与与塑料网塑料网等。等。n铁丝网铁丝网一般采用一般采用34 mm的镀锌铁丝编织而成。根据的镀锌铁丝编织而成。根据金属网网格的特征不同，可将金属网分为金属网网格的特征不同，可将金属网分为经纬网经纬网和和菱形菱形网网。n钢筋网钢筋网是由钢筋焊接而成的大网格金属网。它由受力是由钢筋焊接而成的大网格金属网。它由受力筋和分布筋构成。一般采用筋和分布筋构成。一般采用6 mm 的圆钢制作。的圆钢制作。n塑料网塑料网具有成本低、轻便、抗腐蚀等特点，但是强度具有成本低、轻便、抗腐蚀等特点，但是强度和刚度较低，可以与钢筋网配合使用。和刚度较低，可以与钢筋网配合使用。钢筋直径（钢筋直径（mm）纵向钢筋间距（纵向钢筋间距（mm）横向钢筋间距（横向钢筋间距（mm）5-12100、125、150、175、20050-2500（任意）3.4 锚杆作用原理和参数设计锚杆作用原理和参数设计n n3.4.1 传统的锚杆支护原理传统的锚杆支护原理n n3.4.2 现代分析方法现代分析方法n n3.4.3 锚杆杆体受力分析锚杆杆体受力分析n n3.4.4 锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计n n3.4.5 锚杆设计中的一些技术问题锚杆设计中的一些技术问题3.4.1 传统的锚杆支护原理传统的锚杆支护原理n n（1 1 1 1）悬吊理论）悬吊理论）悬吊理论）悬吊理论 悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石（岩块）悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石（岩块）悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石（岩块）悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石（岩块）悬吊在更深部比较稳定的岩石上，从而使软弱岩层稳定。悬吊在更深部比较稳定的岩石上，从而使软弱岩层稳定。悬吊在更深部比较稳定的岩石上，从而使软弱岩层稳定。悬吊在更深部比较稳定的岩石上，从而使软弱岩层稳定。（a）悬吊软弱层状岩层）悬吊软弱层状岩层 （b）悬吊危岩）悬吊危岩图图3-8 锚杆悬吊理论示意图锚杆悬吊理论示意图3.4.1 传统的锚杆支护原理传统的锚杆支护原理n（2 2）组合梁理论）组合梁理论组合梁理论认为：当顶板岩石是组合梁理论认为：当顶板岩石是层状分布层状分布时，顶板岩石就时，顶板岩石就象若干层梁一样。锚杆可以把分层的梁组合成为象若干层梁一样。锚杆可以把分层的梁组合成为单根梁单根梁。根据根据材料力学材料力学的观点，同样的观点，同样 n 根（层）梁组合成单根梁的根（层）梁组合成单根梁的最大内应力，较一般迭合起来的梁的内应力小最大内应力，较一般迭合起来的梁的内应力小 1/n，而，而组组合梁合梁的扰度较通常为的扰度较通常为迭合梁迭合梁的扰度小的扰度小 1/n2。（a）叠合梁与组合梁的内力比较）叠合梁与组合梁的内力比较 （b）层状顶板锚杆组合梁）层状顶板锚杆组合梁图图3-9 锚杆组合梁作用示意图锚杆组合梁作用示意图3.4.1 传统的锚杆支护原理传统的锚杆支护原理n（3 3）减跨理论）减跨理论减跨理论也是对减跨理论也是对层状顶板层状顶板而言的。而言的。由于由于 n 根锚杆的作用，跨度为根锚杆的作用，跨度为 L 的顶板岩梁成为的顶板岩梁成为（n+1）跨的连续梁，既减小跨度，也优化了梁结构。按照岩梁的跨的连续梁，既减小跨度，也优化了梁结构。按照岩梁的承载能力就可以计算连续梁的承载力。承载能力就可以计算连续梁的承载力。图图 3-10 锚杆减跨作用示意图锚杆减跨作用示意图注意：顶板变形模式注意：顶板变形模式 3.4.1 传统的锚杆支护原理传统的锚杆支护原理n（4 4）组合拱理论）组合拱理论组合拱理论认为：对于拱形巷道，通过锚杆的预紧力作用，组合拱理论认为：对于拱形巷道，通过锚杆的预紧力作用，在锚杆的两端将形成压缩的在锚杆的两端将形成压缩的锥形体锥形体。当锚杆布置在拱形巷。当锚杆布置在拱形巷道周围并且尺寸合适时，这些锥形体将相互重叠而形成道周围并且尺寸合适时，这些锥形体将相互重叠而形成拱拱形压缩带形压缩带（称为（称为压缩拱压缩拱）。此压缩拱可以承受外面传来的）。此压缩拱可以承受外面传来的载荷。即使是破碎岩石，这个压缩拱也是存在的。载荷。即使是破碎岩石，这个压缩拱也是存在的。组合拱理论的计算方法，采用了比较多的现代研究成果。组合拱理论的计算方法，采用了比较多的现代研究成果。图图 3-12 锚杆组合拱作用示意图锚杆组合拱作用示意图3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（1）概述）概述上述理论分析相对比较简单，但只反映了锚杆作用的表面和直观现象，上述理论分析相对比较简单，但只反映了锚杆作用的表面和直观现象，缺乏内在原因的分析。主要表现在：缺乏内在原因的分析。主要表现在：n上述理论以岩梁或岩石拱承载，另有外载荷作用的分析方法。实上述理论以岩梁或岩石拱承载，另有外载荷作用的分析方法。实际上，岩石的际上，岩石的两个作用两个作用是同时存在的，既是是同时存在的，既是承载体承载体，又是，又是施力体施力体。n没有反映锚杆是一种没有反映锚杆是一种内部加固内部加固的构件。锚杆是通过岩石内部的作的构件。锚杆是通过岩石内部的作用来实现岩层稳定的。用来实现岩层稳定的。n没有反映地下岩石工程中的没有反映地下岩石工程中的“共同作用原理共同作用原理”这一重要观点。这一重要观点。n岩土工程稳定主要是岩土工程稳定主要是变形问题变形问题。而上述分析的出发点主要集中在。而上述分析的出发点主要集中在强度（荷载）强度（荷载）影响方面，这不能满足实际工程稳定问题的要求。影响方面，这不能满足实际工程稳定问题的要求。总之，缺乏充分的理论根据和深刻的分析。总之，缺乏充分的理论根据和深刻的分析。3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（2）锚固体强化效果的分析）锚固体强化效果的分析采用锚固体试件，其试验结论如下：采用锚固体试件，其试验结论如下：n1）弹性参数（弹性模量）的变化）弹性参数（弹性模量）的变化锚杆对弹模有锚杆对弹模有正变正变的影响，且随锚杆密度增加呈增加的趋势。的影响，且随锚杆密度增加呈增加的趋势。n2）强度参数（）强度参数（C、）的变化）的变化影响破坏前后岩石单元强度的参数主要是影响破坏前后岩石单元强度的参数主要是粘结力粘结力。n3）脆性（软化角）的变化）脆性（软化角）的变化有的试验表明有锚杆情况下单元体的有的试验表明有锚杆情况下单元体的脆性减弱脆性减弱，这是有利于，这是有利于岩石稳定的。岩石稳定的。n4）扩容起始应力的影响）扩容起始应力的影响扩容的实质是扩容的实质是裂隙裂隙的开裂，锚杆约束裂隙开裂的作用就是保的开裂，锚杆约束裂隙开裂的作用就是保持岩石的完整性，从而可以提高岩石的强度。持岩石的完整性，从而可以提高岩石的强度。3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（3）最大水平应力理论）最大水平应力理论1）最大水平应力理论的基本观点）最大水平应力理论的基本观点nGale的最大水平应力理论认为：矿井岩层的的最大水平应力理论认为：矿井岩层的水平应力水平应力通常是大于通常是大于垂直应力。因此，锚杆支护应重点考虑水平应力的影响。垂直应力。因此，锚杆支护应重点考虑水平应力的影响。n水平应力对巷道稳定影响有水平应力对巷道稳定影响有三种情况三种情况，即：最大水平应力和巷道，即：最大水平应力和巷道走向走向平行平行、垂直垂直和和斜交斜交。图图3-13 最大水平应力理论的应力场效应最大水平应力理论的应力场效应3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（3）最大水平应力理论）最大水平应力理论n最大水平应力理论还认为：由于最大水平应力基本沿最大水平应力理论还认为：由于最大水平应力基本沿层理层理方向，方向，岩层容易出现岩层容易出现水平错动和离层水平错动和离层，以及沿轴向的，以及沿轴向的岩层膨胀岩层膨胀（巷道两（巷道两帮收缩）。于是锚杆起到帮收缩）。于是锚杆起到约束离层约束离层和和抑制岩层膨胀抑制岩层膨胀的作用。的作用。（a）约束岩层膨胀）约束岩层膨胀 （b）约束岩层错动）约束岩层错动图图3-14 锚杆加固作用示意图锚杆加固作用示意图3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（3）最大水平应力理论）最大水平应力理论2）最大水平应力理论的认识和分析）最大水平应力理论的认识和分析n最大水平应力理论反映了最大水平应力理论反映了地应力测量地应力测量的基本情况。的基本情况。n世界实测统计结果是：竖直应力基本符合重力值，水世界实测统计结果是：竖直应力基本符合重力值，水平应力在深于平应力在深于150 m以后有许多超过竖直应力；而在以后有许多超过竖直应力；而在3000 m以后将趋近于以后将趋近于1，变化点在，变化点在800 m左右。左右。n无论矩形或拱形巷道，无论矩形或拱形巷道，开挖开挖以后的顶板主应力均发生以后的顶板主应力均发生主应力转向水平的情况。主应力转向水平的情况。n因此，从力学原理讲因此，从力学原理讲,巷道的布置应顺着最大水平应力巷道的布置应顺着最大水平应力方向。方向。3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（3）最大水平应力理论）最大水平应力理论最大水平应力理论也存在如下缺点：最大水平应力理论也存在如下缺点：n“最大水平应力最大水平应力”仅是地应力的赋存特点，和仅是地应力的赋存特点，和锚杆锚杆的本的本质质无关系。无关系。n原岩应力尽管水平占多数，但对巷道原岩应力尽管水平占多数，但对巷道开挖开挖后，是否以水后，是否以水平应力为主，理论并没有说明。平应力为主，理论并没有说明。n除除顶板顶板外，实际也可能与之不符。如煤层采空后，岩层外，实际也可能与之不符。如煤层采空后，岩层下沉引起的两帮竖向应力集中，使巷道两帮的竖向应力下沉引起的两帮竖向应力集中，使巷道两帮的竖向应力远超过水平应力。远超过水平应力。n没有充分说明锚杆的没有充分说明锚杆的作用机理作用机理。仅说明最大水平应力情。仅说明最大水平应力情况况,而未解释诸如竖直应力更大时的情况。而未解释诸如竖直应力更大时的情况。3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（4）其它理论观点）其它理论观点 锚杆提供锚杆提供锚杆提供锚杆提供第三向约束第三向约束第三向约束第三向约束的观点的观点的观点的观点使岩石处在三向受力状态使岩石处在三向受力状态使岩石处在三向受力状态使岩石处在三向受力状态而能提高岩石的强度；而能提高岩石的强度；而能提高岩石的强度；而能提高岩石的强度；锚杆提高岩石的锚杆提高岩石的锚杆提高岩石的锚杆提高岩石的强度系数强度系数强度系数强度系数（C C、）值；）值；）值；）值；锚杆以其擅长锚杆以其擅长锚杆以其擅长锚杆以其擅长抗拉抗拉抗拉抗拉的性能使岩石受压的性能使岩石受压的性能使岩石受压的性能使岩石受压锚杆作为受拉杆锚杆作为受拉杆锚杆作为受拉杆锚杆作为受拉杆件有较大的弹性模量，在岩石变形时能提供件有较大的弹性模量，在岩石变形时能提供件有较大的弹性模量，在岩石变形时能提供件有较大的弹性模量，在岩石变形时能提供反作用反作用反作用反作用于岩石于岩石于岩石于岩石压缩力，使岩石表现出较强的压缩力，使岩石表现出较强的压缩力，使岩石表现出较强的压缩力，使岩石表现出较强的抗压性能抗压性能抗压性能抗压性能。3.4.2 现代分析方法现代分析方法n（5）锚固作用的认识）锚固作用的认识 维护岩石原有强度的作用维护岩石原有强度的作用维护岩石原有强度的作用维护岩石原有强度的作用n n锚杆的作用就是在岩石裂隙弥散性扩展过程中，起到锚杆的作用就是在岩石裂隙弥散性扩展过程中，起到锚杆的作用就是在岩石裂隙弥散性扩展过程中，起到锚杆的作用就是在岩石裂隙弥散性扩展过程中，起到适当的约束作用，适当的约束作用，适当的约束作用，适当的约束作用，延迟贯穿过程延迟贯穿过程延迟贯穿过程延迟贯穿过程。整体变形条件整体变形条件整体变形条件整体变形条件三连杆的例子三连杆的例子三连杆的例子三连杆的例子n n锚杆对完整岩石的影响是比较小的，对于锚杆对完整岩石的影响是比较小的，对于锚杆对完整岩石的影响是比较小的，对于锚杆对完整岩石的影响是比较小的，对于不连续岩石不连续岩石不连续岩石不连续岩石的作用明显。的作用明显。的作用明显。的作用明显。控制变形控制变形控制变形控制变形约束岩层膨胀和剪切膨胀变形约束岩层膨胀和剪切膨胀变形约束岩层膨胀和剪切膨胀变形约束岩层膨胀和剪切膨胀变形n n锚固作用，使岩土的剪胀或膨胀锚固作用，使岩土的剪胀或膨胀锚固作用，使岩土的剪胀或膨胀锚固作用，使岩土的剪胀或膨胀 受到抑制，而受到抑制，而受到抑制，而受到抑制，而限制其强度的降低限制其强度的降低限制其强度的降低限制其强度的降低，呈现理想弹塑性特点。呈现理想弹塑性特点。呈现理想弹塑性特点。呈现理想弹塑性特点。3.4.3 锚杆杆体受力分析锚杆杆体受力分析n（1）端头锚固锚杆的受力分析）端头锚固锚杆的受力分析 端头锚固时，锚固端以内的岩体向岩面空间方向变形，越端头锚固时，锚固端以内的岩体向岩面空间方向变形，越端头锚固时，锚固端以内的岩体向岩面空间方向变形，越端头锚固时，锚固端以内的岩体向岩面空间方向变形，越靠近岩面变形越大，锚杆总体上是受拉的。此拉力就是锚靠近岩面变形越大，锚杆总体上是受拉的。此拉力就是锚靠近岩面变形越大，锚杆总体上是受拉的。此拉力就是锚靠近岩面变形越大，锚杆总体上是受拉的。此拉力就是锚杆对岩体的杆对岩体的杆对岩体的杆对岩体的约束作用约束作用约束作用约束作用。地下工程中不同地下工程中不同地下工程中不同地下工程中不同位置位置位置位置的岩石，其变形量不同。锚杆受力也的岩石，其变形量不同。锚杆受力也的岩石，其变形量不同。锚杆受力也的岩石，其变形量不同。锚杆受力也各不相同。如在巷道（隧道）中总是各不相同。如在巷道（隧道）中总是各不相同。如在巷道（隧道）中总是各不相同。如在巷道（隧道）中总是两帮肩窝处两帮肩窝处两帮肩窝处两帮肩窝处和和和和底角处底角处底角处底角处有较大的应力。有较大的应力。有较大的应力。有较大的应力。锚杆的受力大小还和锚杆的受力大小还和锚杆的受力大小还和锚杆的受力大小还和锚杆长短锚杆长短锚杆长短锚杆长短、施工质量施工质量施工质量施工质量等因素有关。等因素有关。等因素有关。等因素有关。实测表明，锚杆也可能处在实测表明，锚杆也可能处在实测表明，锚杆也可能处在实测表明，锚杆也可能处在受压受压受压受压的情况。除因为锚杆受偏的情况。除因为锚杆受偏的情况。除因为锚杆受偏的情况。除因为锚杆受偏心弯曲为主的变形之外，还和周围岩石的破坏变形特性有心弯曲为主的变形之外，还和周围岩石的破坏变形特性有心弯曲为主的变形之外，还和周围岩石的破坏变形特性有心弯曲为主的变形之外，还和周围岩石的破坏变形特性有关关关关分区破裂化的概念。分区破裂化的概念。分区破裂化的概念。分区破裂化的概念。3.4.3 锚杆杆体受力分析锚杆杆体受力分析n（2）全长锚固锚杆的受力分析）全长锚固锚杆的受力分析 全长锚固锚杆的约束作用：主要由锚杆或粘结材料的全长锚固锚杆的约束作用：主要由锚杆或粘结材料的全长锚固锚杆的约束作用：主要由锚杆或粘结材料的全长锚固锚杆的约束作用：主要由锚杆或粘结材料的剪切剪切剪切剪切应力应力应力应力提供。提供。提供。提供。锚杆的端头与锚尾的剪应力最大，且方向相反，整个长度锚杆的端头与锚尾的剪应力最大，且方向相反，整个长度锚杆的端头与锚尾的剪应力最大，且方向相反，整个长度锚杆的端头与锚尾的剪应力最大，且方向相反，整个长度上呈曲线分布。上呈曲线分布。上呈曲线分布。上呈曲线分布。因此，在锚杆中间某部位存在一个剪应力为零的因此，在锚杆中间某部位存在一个剪应力为零的因此，在锚杆中间某部位存在一个剪应力为零的因此，在锚杆中间某部位存在一个剪应力为零的中性点中性点中性点中性点，中性点处有中性点处有中性点处有中性点处有最大拉应力最大拉应力最大拉应力最大拉应力。此即所谓的。此即所谓的。此即所谓的。此即所谓的中性点理论中性点理论中性点理论中性点理论。3.4.4 锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计n（1）经验法参数设计）经验法参数设计1）基本概念）基本概念n经验法是指通过众多经验法是指通过众多经验经验的累积，运用不同的累积，运用不同分类表分类表进进行对照、比较和归类，给出经验参数，或略作修正应用行对照、比较和归类，给出经验参数，或略作修正应用于工程。因此，经验法也称为于工程。因此，经验法也称为工程类比法工程类比法。2）基本方法）基本方法n首先要有科学的锚杆应用首先要有科学的锚杆应用分类表分类表。其次就是正确对现。其次就是正确对现有工程进行有工程进行科学归类科学归类，并由分类表提供合理的支护参数，并由分类表提供合理的支护参数或修正。或修正。3）有关锚杆支护施工的工程分类）有关锚杆支护施工的工程分类n合理的锚杆支护合理的锚杆支护分类表分类表应包括应包括三部分三部分，即：岩石的，即：岩石的（地质）分类、工程的分类、相关的锚杆支护方法和支（地质）分类、工程的分类、相关的锚杆支护方法和支护参数的分类。护参数的分类。3.4.4 锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计n 岩石的地质分类岩石的地质分类可从工程地质的角度对岩石进行分类。这些分类主要有：可从工程地质的角度对岩石进行分类。这些分类主要有：n国家围岩分类标准国家围岩分类标准：分为：分为5类（类（I、II、），），第第类为散体状结构岩石；类为散体状结构岩石；n岩石工程地质分类表（谷德正，重庆大学）岩石工程地质分类表（谷德正，重庆大学）：按岩体：按岩体结构分整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构结构分整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构共共四大类八大亚类四大类八大亚类；n岩石工程地质分类表（孙广忠，中科院地质所）岩石工程地质分类表（孙广忠，中科院地质所）：按：按岩体结构分块裂结构、板裂结构、完整结构、断续结构、岩体结构分块裂结构、板裂结构、完整结构、断续结构、碎裂状结构和散体结构等碎裂状结构和散体结构等六类六类。3.4.4 锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计n 岩石工程分类岩石工程分类考虑各种因素对工程的影响。有的还考虑工程实际情况，如工程的规考虑各种因素对工程的影响。有的还考虑工程实际情况，如工程的规模、期限、工程开挖后的稳定状况等。这些内容均分列在相应的分类模、期限、工程开挖后的稳定状况等。这些内容均分列在相应的分类表中。如：表中。如：n国外双指标分类（迪尔国外双指标分类（迪尔-米勒）：单轴强度（米勒）：单轴强度（5级）和弹模（级）和弹模（3级），级），共分共分15级；级；n美国（迪尔）美国（迪尔）RQD岩石分类：岩心采取率；岩石分类：岩心采取率；n日本按岩石声速分类：根据弹性波波速将围岩强度分为日本按岩石声速分类：根据弹性