锚杆拉拔试验的意义

1 前 言
锚杆以其工艺简单、 支护及时及能充分 调动围岩自承能力的技术特点和成本低廉的 经济特点, 在地下工程中得到广泛运用, 但 由于锚杆作用在岩体内部, 这给测试工作带 来了困难, 常用的手段就是拉拔试验。 拉拔 试验时锚杆的受力状况和锚杆实际受力状况 之间是怎样的关系, 这是认识拉拔试验、 评 价锚杆锚固能力的关键。 拉拔试验见示意图 1。
312 实际工作时 实际工作时, 锚杆受力见图 4。
图 5 粘结剪应力曲线 (拉拔力达到最大时)
∫L 2
F 硬= l ΑΠD Σ (x) dx
∫L 2
= ΑΠD [ Σ粘 ]
· e- 8K E (x- l 2) D
6
dx =
3318kN 式中 Α
残余粘结剪应力影响系
数, 115。
(2) 软岩情况下, [ Σ粘 ] 取 2M Pa, 则
固能 力。 中 硬 岩, [ Σ粘 ] 取
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[ Σ粘 ] = 16M P a;
D
锚杆直径, D = 20×1023m ;
l 锚杆长, l= 2m ;
Ε杆= F 拉 (E ×A ) = 3103×1023
式中 E
A 3 钢的弹性模量, 210G P a;
015D。
∫ F (x) =
x L
Σ
(x)
×ΠD dx
(2)
式中 F (x)
x 点处杆体的轴力, N ;
2) 软岩时, K < < E , 则, e - 8K E l D ≈ 1,
Σ(x ) ≈ c ≤ [ Σ粘 ]
可见在中硬岩情况下, 锚固长度达到锚
杆直径的 15 倍时, 再增加锚固长度对提高锚
杆的抗拔力已没有什么作用了; 在而在软岩
情况下时, 抗拔力几乎与锚固长度成正比。
图 2 拉拔试验锚杆受力图
∫0
F 软= L ΠD Σ(x ) d x≈ ΠD l [ Σ粘 ] = 6215kN
4 拉拔试验的意义
图 4 部分锚固锚杆的剪应力分布
拉拔试验主要用来检验锚杆安装质 量, 评估锚杆的锚固能力。端锚情况下,
313 锚杆锚固能力与锚杆抗拔力的比较 31311 锚杆最大锚固能力
最大拉拔力就是锚固力, 部分锚固情况下, 最大拉拔力和锚固力之间的关系还要根据 岩体—粘结剂、 锚杆—粘结剂的刚度关系来
dx 得 F (x) = 4KF (x) 将 (2) 式代入得:
(EDB )
有 Ε杆> [ Ε脂 ], 因此, 锚杆的伸长对粘结剂的 受力、 破坏影响很大, 应予考虑。 (2) 杆体受力分析
粘结剂在杆体上产生的粘结剪应力与杆
Σ (x) = 4KΣ (x) (EDB ) 解此微分方程得: Σ(x ) = ce - 8K E X D 杆体上剪应力分布为指数曲线。
轴力来表示锚杆的锚固能力。
∫L Z
F = 0 ΠD Σ (x) dx> ΠD S∃ABC= ΠD l [ Σ粘 ] 4 式中 F 中性点处的轴力, 即锚杆的锚
作者简介 汤雷, 中国矿业大学 95 级博士研究生, 1993 年毕业于中国矿业大学采矿工程系, 同年于本校攻读 硕士学位, 95 年提前攻读博士学位, 发表论文 3 篇。
锚杆拉拔试验的意义
中国矿业大学 汤 雷 陆士良 三 河 尖 煤 矿 高加胜
摘要 本文通过对端锚锚杆、 部分锚固锚杆在拉拔试验和实际工作状态下的力学分析, 得出了最大拉拔力和锚固力之间的关系, 为正确地利用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评 估锚杆锚固能力提供了理论依据。
关键词 拉拔试验 最大拉拔力 锚固力
为了计算锚杆最大锚固能力, 不妨作以 下假设:
(1) 围岩塑性区已超过锚杆锚固长度, 锚
决定, 不可一概而论。
参 考 文 献
杆全长受到粘结剪应力, 分布如图 4;
1 朱浮声编著. 锚喷加固设计方法. 冶金工业出版社.
(2) 中性点位于锚固段中间;
93. 9
(3) 以锚杆的最大轴力, 即中性点处的
(责任编辑 晓 南)
F 拉= m in {F 丝、 F 托、 F 锚、 F 杆} 式中 F 丝 丝扣最大抗挤压力,
在进行拉拔试验时, 以锚固剂破坏到一 定程度而结束。 最先破坏的锚固剂层是与杆
一般: 车丝, F 丝< 30kN ;
体表面相粘结的那一层, 并且认为这一层锚
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16M P a, F硬 = 125kN ; 软 岩, [ Σ粘 ] 取 2M P a, F 软= 1516kN 31312 锚杆最大抗拔力 (1) 中硬岩情况下, 假设粘结剂破坏到 锚固长度中点, 抗拔力达到最大, [Σ粘 ] 取为 16M P a, 如图 5, 则
图 3 粘结剪应力曲线 粘结剪应力曲线, 指数曲线; - ·- ·- 残余粘结剪力曲线, 抛物线
固剂单元的张拉应变同杆体表面单元的张拉
面的粘结力, M P a;
应变相同。
K= m in {K 粘, K 岩};
可以考察在粘结剂达到粘结强度时, 如
K粘 粘结剂的剪切刚度, M P a;
果锚杆表面张拉应变远小于粘结剂允许张拉
K岩 围岩体的剪切刚度, M P a;
应变, 则锚杆伸长可不予考虑, 否则, 必须
讨论: (1) 当 x= 0 时, Σ (0) = c≤ [ Σ粘 ]
体和钻孔壁之间的相对位移成正比 (因为杆
(2)
当 x= l 时,
Σ ( l)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
× c
e - 8K E l D
体与钻孔之间的间隙宽度为定值) , 如图 2。
1) 中硬岩时, K 值为 E 的 1 20～ 1 10,
l= 15D , Σ (l) ≈ 111×1026c< < c≤Σ (0) ;
Ε (x) = 4F (x) (E ×ΠD 2) (3)
联立 (1)、 (2)、 (3) , 有:
F (x)
∫ ∫ x
x
= ΠD KB 21 L ( L 4F (x) dx (EΠD 2) + G)
A
杆体断面积, 3114×1024;
Ε杆 杆体最大拉应变。
一般树脂允许拉应变 [ Ε脂 ] < 4×1024, 则
滚丝, F 丝> 60kN ; F 托 托板最大承压力,
一般: 铸铁, F 托< 30kN , 低碳 钢, F 托> 50kN ; F 锚 锚头的锚固能力, 一般, F 锚= 30～ 50kN ; F 杆 杆体拉断力, 我国常用杆体, F 杆= 50～ 10kN ; 则, F杆< F 托< F 杆 因此, 只有采用滚丝和 钢托板时才有可能测得锚固头的锚固能力。 锚杆实际工作时所受的力来自于锚固端 和托板之间岩层塑性变形和碎胀变形所产生 的力, 其受力状况完全相同于拉拔试验时的 受力状况。 因此, 对于端部锚固来说, 拉拔 试验就能反应出锚杆的实际锚固能力。
则 Σ (x) = K×s (x) B
∫x
= K ( L Ε (x) dx+ G) B (1) 式中 s (x) x 点处杆体和钻孔壁之间的
相对位移, m ;
(3) 由于 Σ (0) ≤ [ Σ粘 ], 当拔拉力 F (0) 逐渐增大, Σ (0) 也逐渐增大, 当 Σ (0) = [ Σ粘 ] 时, 粘结剂开始破坏。粘结剪 应力的发展如图 3。 粘结剂从孔口逐渐向深 部破坏, 则最大粘结剪应力也逐渐向深部转 移, 当 Σ (x) 曲线与 x 轴所围成的面积最大
Ε (x)
x 点处杆体的拉应变;
考虑。 不妨设锚杆伸长不予考虑, 则达到最
G 杆体的刚性位移, m ;
大拉拔力时, 锚杆表面任一点粘结剂的粘结
B 杆体与钻孔之间的间隙宽, 取
力都相等, 并达到粘结强度, 则,
F 拉= [ Σ粘 ] ×ΠD ×l= 200kN
式中 [ Σ粘 ]
粘结强度, 一般, 树脂,
Σ (x) x 点处粘结剂作用于杆体表 时, 拉拔力达到最大, 拉拔试验停止。
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3 部分锚固锚杆的受力分析
假设丝扣的抗挤压力、 托板的承压力都
足够, 锚杆的锚固能力主要取决于粘结剂的
粘结能力。下面分析粘结剂对于锚杆的作用,
及其发展、 变化情况。
图 1 锚杆拉拔试验
311 拉拔试验时
2 端锚锚杆受力分析 拉拔试验时, 锚杆受力状况很简单:
在分析之前, 必须先弄清以下问题: (1) 进行拉拔试验分析时, 要不要考虑 杆体的伸长