錨桿支護機理研究

　　隨著地下洞室及邊坡支護等工程的發(fā)展，錨桿在巖石工程中的應(yīng)用得到了很大發(fā)展，眾多學(xué)者對錨桿與圍巖的相互作用機理、影響因素以及可能發(fā)生的失穩(wěn)模式進行了深入研究。
　　一、錨桿對巖石的加固作用主要分以下幾種：
　　⑴ 懸吊理論[1]
　　1952~1962年，Louis.A.Panek經(jīng)過理論分析及實驗室和現(xiàn)場測試，提出錨桿的作用是將軟弱、松動、不穩(wěn)定的土體懸吊到上覆堅硬巖層上（圖2-10）；在軟弱圍巖中，錨桿的作用是直接將頂板的破碎巖石懸吊到其上部的自然平衡拱上（圖2-11），拱高可采用普氏的壓力拱理論估算。從圖2-10，2-11可以看出，起懸吊作用的錨桿，主要是提供足夠拉力，用以克服滑落巖土體的重力或下滑力，來維持工程穩(wěn)定。
　　利用懸吊作用進行錨桿支護設(shè)計時，錨桿長度可根據(jù)堅硬巖層的高度或平衡拱的拱高來確定，錨桿的錨固力及布置可根據(jù)所懸吊巖層的重量來確定。懸吊作用很好的解釋了錨固頂板范圍內(nèi)有堅硬巖層時的錨桿支護?？缍容^大的軟巖巷道中，普氏拱高往往超過錨桿長度，懸吊作用難以解釋錨桿支護獲得成功的原因。
　?、?組合梁理論[2]
　　1952年德國Jacobio等發(fā)表的組合梁作用理論，實質(zhì)上是通過錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊，增大層間的摩擦力，同時錨桿的抗剪能力也阻止層間錯動，從而將疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁。圖2-12是Jacobio所作的疊合梁試驗，在均布荷載下，組合梁的承載能力是疊合梁的n倍。
　　組合梁理論很好的解釋了層狀巖體錨桿的支護作用，但難以用于錨桿支護設(shè)計。根據(jù)組合梁作用原理，組合梁是保持巖體穩(wěn)定的支護體，但組合梁的承載能力難以計算，組合梁形成和承載的過程中，錨桿的作用難以確定。在組合梁設(shè)計中，采用彈塑性分析得出的最小抗力來確定錨固力，往往難以精確反映軟弱圍巖的情況，同時將錨固力等同于框式支架的徑向支護力也不太確切。
　?、?減跨理論[3]
　　在懸吊作用理論及組合梁作用理論的基礎(chǔ)上，提出了減跨理論，該理論認為：錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，穿過薄層狀頂板，每根錨桿相當于一個鉸支點，將巷道頂板劃分成小跨，從而是頂板撓度降低，其冒頂高度及頂板下沉量均有大幅度的降低，從而使巷道圍巖更加穩(wěn)定，見圖2-13所示。
　　錨桿固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，距離巷道頂面較遠，其對巷道頂板的懸吊作用并不像簡支梁的支點那樣，垂直位移為零，因而其內(nèi)在缺陷是顯而易見的。
　　⑷ 組合拱理論[4]
　　早在1955年，T.L.V.Rabcewicz就提出安裝錨桿后使巷道圍巖中形成連續(xù)的壓縮帶（圖2-14），錨桿的作用是使圍巖中產(chǎn)生一定厚度的壓縮帶承受圍巖壓力的觀點。70年代初美國T.A.Lang和Pender提出錨桿的拱形壓縮帶作用原理，T.A.Lang通過二次元光彈性試驗證實了拱形壓縮帶的存在。與拱形壓縮帶作用相似的還有組合拱作用。
　　拱形壓縮帶理論很好的解釋了軟弱圍巖中錨桿的作用，它與組合梁理論類似，拱形壓縮帶的承載能力還難以確定，且很難與錨桿錨固強度聯(lián)系起來。
　?、?銷釘作用[5]
　　銷釘作用表現(xiàn)為兩方面：⑴利用錨桿將不穩(wěn)定塊體釘?shù)缴畈糠€(wěn)定的圍巖上；⑵軟巖巷道圍巖常發(fā)生壓剪破壞，破壞了的巖體將沿最不利的滑移面滑動。如沿井巷周邊徑向布置錨桿，由于錨桿與滑移面斜交，錨桿就會起到防剪抗滑作用。
　　利用銷釘作用進行錨桿支護設(shè)計，對于塊狀圍巖的大型硐室，一般采用赤平投影先確定不穩(wěn)定塊體，而后進行錨桿支護設(shè)計。對于普通巷道由于不連續(xù)面的參數(shù)難以獲得，以及計算分析工作量太大而難以進行。對于軟巖巷道，錨固深度不應(yīng)小于剪切滑移鍥體的長度，錨桿間距應(yīng)不超過錨固深度的1/2，錨固力不應(yīng)小于圍巖穩(wěn)定所需的最小支護抗力。
　　軟巖中的銷釘作用是根據(jù)錨桿抵抗剪切滑移破壞提出的，但圍巖破壞形式是復(fù)雜多樣的，尤其是當剪切滑移破壞受到錨桿抑制時，圍巖破壞可能會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问剑凑占羟谢破茐脑O(shè)計的錨桿難以適應(yīng)實際圍巖變形破壞的變化。
　　二、我國學(xué)者根據(jù)主要錨固理論的特點及適用要求，也提出了幾種錨固理論模型，對錨固工程設(shè)計及施工有很好指導(dǎo)作用。
　　⑴ 孫鈞、宋德彰的理論分析模型
　　 采用塑性應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系，通過石膏—硅藻土材料三向壓縮試驗，回歸出塑性區(qū)圍巖C、Ф值隨八面體塑性剪應(yīng)變εp的衰減規(guī)律；將錨桿的作用簡化為對錨固圍巖從錨桿兩端施加徑向約束力，即提高圍壓，由試驗得出圍壓與巖體殘余強度的關(guān)系。在上述工作的基礎(chǔ)上，利用彈塑性理論能夠定量分析錨桿的支護效果。該理論模型同以往的理論相比，采用了先進的塑性軟化本構(gòu)關(guān)系，理論分析結(jié)果與實際更加接近。
　　⑵ 孫學(xué)毅的全長錨固無托板錨桿的力學(xué)模型
　　孫學(xué)毅根據(jù)70年代我國對砂漿錨桿軸向力研究的豐富實測資料，提出了砂漿錨桿的力學(xué)模型。該模型1983年在國際錨桿支護會議交流后，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。
　?、?王明恕的中性點理論
　　王明恕根據(jù)錨固后靜態(tài)錨桿的靜力平衡關(guān)系，指出錨桿體表面的剪應(yīng)力方向不可能一致，存在剪應(yīng)力為零的中性點。并在巖性均質(zhì)、均勻荷載、圓形巷道的假設(shè)下利用彈塑性理論推導(dǎo)出錨桿上剪應(yīng)力分布，給出了中性點位置的計算公式：
　　根據(jù)全長錨桿的應(yīng)力分布和中性點理論，王明恕提出全長錨桿的設(shè)計方法。中性點理論使人們對圍巖中錨桿應(yīng)力狀態(tài)及作用原理有了新的認識。
　　⑷ 李世輝的典型類比分析法
　　典型類比分析法是將典型工程現(xiàn)場測試資料、圍巖分類和簡便實用的巖石力學(xué)分析方法三者結(jié)合起來，綜合應(yīng)用了經(jīng)驗分析、位移等效原理、邊界元有限元數(shù)值模擬和復(fù)雜系統(tǒng)的綜合集成技術(shù)，其主要實施思路為：①工程圍巖的分類和亞類；②以同類圍巖典型工程的成功經(jīng)驗和現(xiàn)場測試資料為類比的基準；③對施工程序和方法的建議是與典型工程相近；④比較二者條件的異同，分別考慮其影響；⑤參照典型工程實測力學(xué)參數(shù)，利用簡易的力學(xué)分析工具對該工程圍巖變形與破壞特性作粗略評估；⑥參考上述定量分析，綜合考慮有關(guān)因素，以估計范圍值的形式提出定性與半定量的咨詢意見。典型類比法是以典型工程為比較的類比法，并且參照數(shù)值分析的結(jié)論，這比普通的類比分析法更為科學(xué)和可靠。
　?、?董方庭的圍巖松動圈分類法及支護建議
　?、俚貞?yīng)力與圍巖相互作用會產(chǎn)生圍巖松動圈；②松動圈形成過程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象，松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難；③依據(jù)松動圈的大小采用不同的原理設(shè)計錨桿支護。小松動圈（0~40mm）采用噴射混凝土支護即可；中松動圈（40~150mm）采用懸吊作用原理設(shè)計錨桿支護，大松動圈（>150mm）采用組合拱原理設(shè)計錨桿支護。松動圈支護理論對于錨桿支護的指導(dǎo)作用在于確定各種經(jīng)典錨桿支護作用理論的適用條件和范圍，可操作性較強。
　　三、結(jié)論
　　以上錨桿作用經(jīng)典理論的主要特點是認為錨桿使巖體中形成有利于圍巖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)承受圍巖壓力，目前廣泛地應(yīng)用于我國錨桿支護設(shè)計，對于人們認識理解錨桿支護具有重要意義。