混凝土喷射支护技术与岩石锚杆11

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,3,岩石锚杆与喷射混凝土支护技术,所谓,岩石锚杆,就是在岩层中使用的锚杆，多用在矿山巷道、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。,在矿山岩石巷道中，我们常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为,锚喷支护技术,；而在煤巷中，我们则称以锚杆和金属网、钢带等组成的联合支护技术为,锚网支护技术,。,3,岩石锚杆与喷射混凝土支护技术,3.1,概述,3.2,岩石锚杆分类,3.3,锚杆支护材料,3.4,锚杆作用原理和参数设计,3.5,锚杆施工机具和锚杆施工,3.6,喷射混凝土支护,3.1,概 述,岩土体变形的,两个特点,：变形的不均匀性和局部性。,锚杆的基本,工作原理,：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，约束另外部分的岩土体,变形与破坏,的发展。,岩土体自身还有一个,特点,：存在自平衡性。就是一定条件下，岩土体在出现局部破坏时，它无须外加的作用就可在岩土体内部进行应力调整，最终实现新的平衡。,实现,应力调整的条件,是变形的连续性和可传递性。锚杆的约束作用就是提供这一条件的有效手段。,因此，锚杆必须有一处和岩土体,牢固锚结,，杆体的其余部分伸到容易变形破坏的地方，并能对这部分岩土体产生,约束作用,。,3.2,岩石锚杆分类,3.2.1,锚杆的分类方法,不同的分类方法，可有不同类型的锚杆：,根据,锚固形式,分：全长锚固、加长锚固和端头锚固锚杆；,根据,锚固方法,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；,根据,杆体材料,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；,特殊功能,的锚杆：可伸长（屈服）锚杆、可回收锚杆、自进式锚杆、内注浆锚杆。,用于,土层,中的锚杆则被专门称为土钉。,表,3-1,各种类型锚杆的主要优缺点,锚 杆 类 型,优 点,缺 点,集中（端头）锚固类,机械锚固型,安装迅速，及时承载,对深部围岩强度要求高,粘结锚固型,易加工，制造简单,对深部围岩强度要求一般,全长锚固类,机械锚固型,易安装，及时承载,易腐蚀，锚固强度易衰减和丧失,粘结锚固型,适用范围广，树脂锚固剂承载速度快，锚固力大,树脂锚杆成本高，树脂易燃有毒,3.2,岩石锚杆分类,3.2.2,锚杆基本结构形式,（,1,）结构与组成,锚杆结构,:,均可以分为与岩土固结的,锚固段,、露在岩土体外面的,尾部,和连接锚固段与尾部的,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。,图,3-2,锚杆结构示意图,机械式,锚固锚杆已经较少使用。,粘结式,和,摩擦式,锚固锚杆可以是部分固结，也可是全长固结。,为了约束岩土体，锚杆的外露部分还应有约束和传力装置，如锚杆托盘、螺帽以及喷,-,网面层等。,3.2.2,锚杆基本结构形式,（,2,）锚固结构的特点,锚固结构,方面的进步：,机械式锚固,摩擦式锚固粘结式锚固全长粘结式锚固,不同的锚杆结构各有不同的,用途,：,如适用,煤层,的竹、木锚杆、塑料锚杆和可卸式锚杆；,适应于煤矿巷道,变形大,的特点，专门有可伸长锚杆；,自进式锚杆,则适用于破碎岩土层的支护，免得因为拔钻杆时塌孔而无法安装锚杆。,土钉,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,材料：杆体、固结机构或粘结材料、托盘、螺帽等。,3.3.1,杆体材料,常用的杆体材料主要是各种钢筋，包括,圆钢,、,螺纹钢,和,专用钢材,。,国内,90,年代前多用,1418mm,的,3,号圆钢制作，抗断破坏力一般不超过,100kN,；,近年来采用高强度和高刚度锚杆或超高强的,螺纹钢锚杆,；,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,等强锚杆,。,国内煤矿还采用有经济的竹、木锚杆。,锚杆实现高强和超高强的方法,：一是对螺纹钢筋进行整体强化热处理，使直径,22mm,的螺纹钢锚杆破断力达到,300kN,以上，大大提高了锚杆的承载能力；另一方面可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,90,。,3.3.2 锚固机构和粘结材料,（,1,）锚固机构,机械式锚杆靠机械装置实现锚杆的锚固，包括提高缝管（机构）来实现与孔壁间的固结。,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。,（,2,）水泥质粘结材料,1,）水泥砂浆和纯水泥浆液,2,）快硬水泥药卷,（,3,）树脂类粘结材料,1,）树脂粘结材料的发展,2,）树脂药卷结构与性能特点,3.3.3 托盘（垫板）和螺母,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,。,端头锚固或全长锚固锚杆，没有托盘都是不合理的。,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。,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,150l50mm,2,。也可用铸铁材料，但其力学性能较差，厚度应增大。,斗形托板 钟形托板 三角形托板 环形托板,图,3-3,常用异形垫板结构形式,（,a,）,BHT,A,型 （,b,）,BHT,B,型,图,3-4,钟形锚杆托盘结构示意图,3.3.3 托盘（垫板）和螺母,螺母是直接传递锚杆作用的受力元件。,高强度锚杆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。,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（,150N.m,扭矩可以有,30,50kN,预紧力），实现锚杆的一次安装。,（,a,）球形螺母 （,b,）塑料阻尼螺母,图,3-5,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。,（,1,）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，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。,目前常用的托梁有两种形式：,钢筋梁,和,W,型钢带,。,3.3.4 配合使用的其它配件,（,2,）网,网的作用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。,目前网的形式与品质很多，主要有铁丝网、钢筋网与塑料网等。,铁丝网一般采用,3,4mm,的镀锌铁丝编织而成。根据金属网网格的特征不同，可将金属网分为经纬网和菱形网。,钢筋网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。,塑料网具有成本低、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。,3.4,锚杆作用原理和参数设计,3.4.1,传统的巷（隧）道锚杆支护原理,3.4.2,现代分析方法,3.4.3,锚杆杆体受力分析,3.4.4,锚杆参数设计,3.4.5,锚杆设计中的一些技术问题,3.4.1,传统的巷（隧）道锚杆支护原理,（,1,）悬吊理论,悬吊理论认为：通过锚杆将巷道周围的破碎岩石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 （,b,）悬吊危岩,图,3-8,锚杆悬吊理论示意图,3.4.1,传统的巷（隧）道锚杆支护原理,（,2,）组合梁理论,组合梁理论认为：当顶板岩石是层状分布时，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,单根梁,。,根据材料力学的观点，同样,n,根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,1/n,，而,组合梁,的扰度较通常为,迭合梁,的扰度小,1/n,2,。,（,a,）叠合梁与组合梁的内力比较 （,b,）层状顶板锚杆组合梁,图,3-9,锚杆组合梁作用示意图,3.4.1,传统的巷（隧）道锚杆支护原理,（,3,）减跨理论,减跨理论也是对,层状顶板,岩石而言的。,由于锚杆的作用，跨度为,L,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。按照岩梁的承载能力就可以计算连续梁的承载力。,图,3-10,锚杆减跨作用示意图,3.4.1,传统的巷（隧）道锚杆支护原理,（,4,）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，在锚杆的两端将形成压缩的锥形体。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拱形压缩带（称为压缩拱）。此压缩拱可以承受外面传来的载荷。即使是破碎的岩石，这个压缩拱也是可以存在的。,组合拱理论的计算方法，采用了比较多的现代研究成果。,图,3-12,锚杆组合拱作用示意图,3.4.2,现代分析方法,（,1,）概述,上述理论分析相对比较简单，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：,1,）上述理论是以岩梁或岩石拱承载，另有外载荷作用的分析方法。实际上，岩石的两个作用是同时存在的，既是承载体，又是施力体。,2,）没有反映锚杆是一种内部加固的构件。锚杆是通过岩石内部的作用来实现岩层稳定的。,3,）没有反映地下岩石工程中的,“,共同作用原理,”,这一重要观点。,4,）岩土工程稳定主要是变形问题。而上述分析的出发点主要集中在强度影响方面，这不能满足实际工程稳定问题的要求。,总之，缺乏充分的根据和深刻的分析。,3.4.2,现代分析方法,（,2,）锚固体强化效果的分析,采用锚固体试件，其试验结论如下：,1,）弹性参数（弹性模量）的变化,锚杆对弹模有正变的影响，且随锚杆密度增加呈增加的趋势。,2,）强度参数（,C,、,）的变化,影响破坏前后岩石单元强度的参数主要是粘结力。,3,）脆性（软化角）的变化,有的试验表明有锚杆情况下单元体的脆性减弱，这是有利于岩石稳定的，也有的结果与此相反。,4,）扩容起始应力的影响,扩容的实质是裂隙的开裂，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。,3.4.2,现代分析方法,（,3,）最大水平应力理论,1,）最大水平应力理论的基本观点,最大水平应力理论认为：矿井岩层的水平应力通常是大于垂直应力。因此，锚杆支护应考虑水平应力的影响。,水平应力对巷道稳定影响有三种情况，即：最大水平应力和巷道走向平行、垂直和斜交。,图,3-13,最大水平应力理论的应力场效应,3.4.2,现代分析方法,（,3,）最大水平应力理论,1,）最大水平应力理论的基本观点,最大水平应力理论还认为：由于最大水平应力基本沿层理方向，岩层容易出现水平错动和离层，以及沿轴向的岩层膨胀（巷道两帮收缩）。于是锚杆起到约束离层和抑制岩层膨胀的作用。,（,a,）约束岩层膨胀 （,b,）约束岩层错动,图,3-14,锚杆加固作用示意图,3.4.2,现代分析方法,（,3,）最大水平应力理论,2,）最大水平应力理论的认识和分析,最大水平应力理论反映了地应力测量的基本情况。,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,150m,以后有许多超过竖直应力；而在,3000m,以后将趋近于,1,。,无论矩形或拱形巷道，开挖以后的顶板主应力均发生主应力转向水平的情况。,因此，从力学原理讲,巷道的布置应顺着最大水平应力方向。,3.4.2,现代分析方法,（,3,）最大水平应力理论,2,）最大水平应力理论的认识和分析,最大水平应力理论也存在如下缺点：,“,最大水平应力,”,仅是地应力的赋存特点，和锚杆的本质无关系。,原岩应力尽管水平占多数，但对巷道开挖后，是否以水平应力为主，理论并没有说明。,除顶板外，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，使巷道两帮的竖向应力远超过水平应力。,没有充分说明锚杆的作用机理。仅说明最大水平应力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,（,4,）其它理论观点,锚杆提供第三向约束的观点,使岩石处在三向受力状态而能提高岩石的强度；,锚杆提高岩