锚杆加固围岩过程中预应力作用机理研究

锚杆加固围岩过程中预应力作用机理研究
【摘要】锚杆支护的实质就是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构。

巷道围岩锚固体强度提高以后，可以减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。

【关键词】巷道支护；围岩稳定性；松动圈；塑性变形；支护阻力；二次应力分布
0引言
作为预应力让压均压锚杆，就是通过锚固在岩体内的树脂与支护体外的托盘施加一定的预应力，控制巷道围岩的早期变形，消除顶板中的拉应力区，将松动破裂的岩体锚固在上部未松动的岩层中。

随着围岩的变形，锚杆施加给围岩的力也越大，而锚杆受到的围岩的反作用力也越大，如果一味地增加锚杆的强度，锚杆会很快被拉断，这就需要锚杆具有一定的让压均压性，在巷道围岩蠕变阶段锚杆能提供恒定的工作阻力，以保护锚杆不被拉断失效，从而起到维护巷道稳定的目的。

１预应力锚杆在加固围岩的力学机制分析
首先，运用线弹性理论的解析法，着重分析在均匀、连续、各向同性岩体中的圆形洞室。

预应力锚杆沿圆形洞室径向设置，且沿轴向等间距布置，分析计算在围岩中产生的附加应力，然后，将其推广到具有不同开挖曲率半径的洞室围岩，得出预应力锚杆提供给围岩附加应力状态的普遍形式。

令R为洞室半径，L为预应力锚杆长度。

如果锚杆所提供的预应力为T，沿周向等间距布置n根锚杆，则其在锚固围岩的内外边界上产生的附加径向压应力q及q’分别为：
q=■
q’=■
该问题是轴对称平面应变问题，在R≤r≤R1范围内其弹性力学解答为：
σr=q■+■
σθ=q■-■
ur=■■-■
上述各表达式中，r为所研究平面内任一点的径向坐标，E为弹性模量，v 为泊松比。

根据径向应力以压应力为正而拉应力为负，径向位移与分别为围岩的弹性模r方向相反为正。

根据以上各式，可以得出预应力锚杆提供给围岩的附加应力和附加位移的大致分布。

锚固产生的附加应力基本上限于锚杆的有效长度范围，这与圣维南原理相吻合，对远离该锚杆的其它锚杆之处影响很小。

因此，当洞室开挖边界接近于圆弧状，且用若干预应力锚杆等间距加固时，锚固所产生的附加应力除接近锚固点处比较复杂外，其余部分的分布则比较均匀。

２预应力在锚杆加固围岩的作用分析
预应力在锚杆加固围岩时，随地下工程地质条件的变化，围岩的状态也变得更加复杂，锚杆所要施加的预应力也不相同。

预应力锚杆受力状态也随着围岩条件的变化而变化，尤其是受动压和反复采动影响的回采巷道，在不同的各种因素影响下会发生拉、剪、扭等力学现象。

由于预应力锚杆的作用机制比较复杂，很难用单一指标来衡量预应力锚杆的作用，只能要根据具体的地质和采矿条件来分析其主要作用。

预应力锚杆对围岩的加固作用主要有以下几个方面：
２.１对围岩表面提供支护抗力，改变了巷道开挖边界的约束性质，达到控制围岩剪胀变形发展的目标。

预应力锚杆对围岩加固作用原理是利用钢材具有较高的抗拉强度和一定的抗剪强度加固围岩。

随着巷道开挖的完成，围岩的弹性变形和塑性变形即告结束，要维护巷道空间的稳定，必须通过一定的手段来限制围岩的进一步变形，即剪胀变形的发展。

在巷道开挖完成后，及时根据具体的条件安装预应力锚杆，通过预应力锚杆主动给围岩比较高的初撑力，能够有效地阻止围岩剪胀变形的发展。

这一点可以通过预应力锚杆的支护特征线得到很好解释。

２.２加固围岩，使破碎区及塑性区的岩体整体化，充分调动围岩的自身承载能力，使其形成具有较高承载能力的组合梁或组合拱。

由于普通锚杆没有预应力，就像棚子支护一样，属于被动支护，只有当巷道围岩变形到一定程度时，锚杆才起作用；相比普通的锚杆来讲，预应力锚杆是在巷道掘进后立即安装锚杆，并且在高预应力作用下尽可能使巷道围岩由开挖后的单向应力或双向应力状态变为开挖前的三向应力状态，这种支护属于主动支护，它能够尽可能快地控制顶板离层，消除顶板的拉应力区，利用锚杆的预应力将开挖后的软弱岩层挤压并悬吊在上方的稳定岩层之中。

在预应力锚杆的高预应力作用下，对于破碎区的岩块，一方面增大了岩块之间的裂隙闭合、滑移面上的摩擦力；另一方面，由于锚杆是一种典型的异质包体，它在岩体中起到了“销钉作用”，增大了破坏面的抗剪强度，相当于提高了破坏面的等效凝聚力。

对于巷道顶板面临的典型的层状结构地层，由于预应力锚杆的高预应力作用，将巷道顶板锚固范围内的数个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层，即成
为一个组合梁，其最大弯曲应变和应力均大大减小，组合梁的挠度也较小。

在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果巷道周边布置锚杆群，只要锚杆的间排距设置合理，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。

在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向受力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。

２.３改善围岩应力场，强化围岩体的力学参数，提高围岩的稳定性，增大围岩体残余强度。

井下巷道的开挖后，开挖边界附近围岩的应力状态向不利于稳定的方向转化，应力方面表现为由原来的主应力差值较小转化为主应力差值较大，改变了围岩的原始应力状态。

在这种应力状态的转化过程中，开挖边界附近围岩产生一定的塑性区，并向约束最弱的方向产生塑性松动。

这种塑性松动导致围岩体的力学性质发生变化，使得弹性模量E、粘聚力c、残余粘聚力c’、内摩擦角φ及峰值强度与残余强度均有不同程度的降低。

在围岩中设置预应力锚杆后，将在围岩中产生附加的锚固应力，尤其在锚杆群作用下，围岩又变成了三向应力状态。

由于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度，可通过调整围岩的应力状态来有效地提高围岩的稳定性。

２.４阻止结构面的滑移，提高其抗剪能力和抗滑能力，增加围岩的稳定性。

岩体中一般均有结构面（如节理面等），结构面对岩体的强度、变形性能、渗透性、各向异性、力学上的连续性，以及岩体中应力分布等，均有显著的影响。

一般来说，结构面是影响岩体力学问题的一个控制性因素。

开挖后的围岩，由于其主应力差较大，节理面对其稳定性起控制作用。

为了使围岩不沿节理面产生滑移，最有效的方法之一就是在其中设置预应力锚杆。

２.５改善围岩体的受力状态以及围岩应力场。

关于预应力锚杆对巷道围岩应力场的改善机制，由于模型试验和现场观测均存在较大困难，国内外的研究者比较少。

根据弹塑性力学理论，巷道开挖后，围岩将产生二次应力分布，应力重新分布的结果将使巷道四周围岩的径向应力减小，切向应力增大，这种应力分布状态将导致巷道围岩产生压剪破坏。

在锚杆预应力的作用下，围岩的径向应力得到显著的提高，径向应力的增大使应力分布趋于均匀，应力集中减缓，围岩的二次应力分布得以改善，从而提高了岩体的承载能力。

３结束语
总之，开挖后的围岩一般是不稳定的，要使其保持稳定，必须改善围岩中的应力状态及开挖边界的约束性质，行之有效的方法之一，就是在围岩中设置预应
力锚杆，在围岩中产生有利于围岩稳定的应力状态及约束条件。

【参考文献】
［1］陈炎光，陆士良，侯朝炯. 中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社，1994.
［2］王飞虎. 地下洞室预应力锚杆支护机理及设计参数确定方法研究[D].西安:西安理工大学，2001.。