锚索作用（精选十篇）
锚索作用 篇1
关键词：交错注浆,双作用锚索,巷道加固
1 概况
鹤煤九矿地面标高+188m, 井底标高-420m, 井筒深度608m, 于2006年10月份井底车场工程全部完工, 巷道位于二1煤层下73-80m, 岩性为灰色细粗粒砂岩及砂泥岩互层, 现两帮浆皮出现裂缝, 如不加以控制, 围岩恐将进入加速失稳阶段, 修复成本会更高。其原因为泵房周围巷硐复杂, 支承压力较高。根据九矿井底巷硐群围岩结构特点以及围岩修复要求, 结合现场考察, 提出泵房的修复方案为:采用深浅交错注浆+组合双作用锚索支护形式。
2 注浆参数
采用深浅结合的方式注浆, 注浆锚杆布置如图1所示, 二者交错布置, 孔间排距定为2.1×2.1m。注浆锚杆采用无缝钢管, 壁厚3mm, 直径准32mm, 深孔注浆锚杆长度4000mm, 短孔注浆锚杆长度1800mm, 注浆锚杆杆尾选用A3薄钢板, 规格为26mm×4mm与杆体焊接在一起。止浆塞采用快硬水泥药卷水泥玻璃止浆;每孔一卷, 选用KBY-50/70注浆泵, 公称流量50L/min, 公称压力0.5~7MPa;注浆管路采用25mm高压胶管及1寸多层胶管, 应保证管路连接安全快速、可靠。
深孔注浆采用C-S注浆浆液, 浆液由水泥浆、水玻璃、粉煤灰和其它添加剂组成, 水泥浆比重为1.5-1.7g/m3, 水泥采用425#普通硅酸盐水泥, 水玻璃模数在4.0-5.0之间, 浓度38-40波美度。长孔注浆压力1MPa左右, 单孔注浆时间不低于30min。
浅孔注浆浆液选用单液水泥浆, 水泥采用425#普通硅酸盐水泥, 水灰比为0.6:1~0.7:1, 单孔注浆压力2~3MPa, 单孔注浆时间不低于20min。
3 组合双作用锚索
锚索在组合时, 必须按要求进行组装, 每组4根Φ15.24mm的钢绞线, 利用固定环每0.8米均匀地绑扎在固定环的四周, 每隔一个内外组装, 4根锚索的前端必须用Φ20mm的塑料管套上5米, 作为锚索的预应力段, 进行双向锚固。组合锚索的加工图见设计图2 (a) 所示, 截面如图2 (b) 所示。锚具采用OVM15-4型, 适用于准15.24mm钢绞线, 构造见图2 (c) 。
组合锚索的长度为泵房与空重车线 (20m) 、泵房与绕道之间岩柱的宽度 (18m) , 进行双向锚固。三花型布孔, 水平间距2.1m, 竖直间距2m;底板以上1m为第一层锚索钻孔, 水平钻进20m;底板以上3m为第二层锚索钻孔, 主要控制巷道肩窝部分。组合锚索布置如图3 (a) 所示。同排组合锚索之间用14#工字钢梁连接, 长度为2300mm, 如图3 (c) 所示。
3.1 组合锚索的施工工艺
(1) 首先利用锚索钻机进行打孔, 井下现场进行组合锚索, 利用人力下入钻孔内。
(2) 锚索在组合时, 必须按要求进行组装, 每组4根Φ15.24mm的钢绞线, 利用固定环每0.8米均匀地绑扎在固定环的四周, 每隔一个内外组装, 4根锚索的前端必须用Φ20mm的塑料管套上5米, 做为锚索的预应力段。
(3) 组合锚索在放入钻孔时必须把Φ10mm的塑料管邦在前端, 用于排出空气。
(4) 以上工作完成后, 必须人工检查排气管是否通畅, 然后利用大块破布进行孔口的封闭, 在孔口封闭前必须把孔口注浆管放好, 用于钻孔注入砂浆。
(5) 用于排气的塑料管的一头插入装有水的塑料瓶内, 在注浆时观察钻孔内返出的气泡是否已注满了砂浆。当塑料瓶内返有灰浆时停止注浆。
(6) 注入砂浆时压力控制在0.6-0.8MPa, 不能大于1MPa, 防止把注浆泵胶管注坏。
(7) 锚索钻孔注满后4小时后, 除去注浆插管, 用砂浆处理平孔口部分, 以便进行锚索托盘固定, 根据副井的地层岩石情况, 组合锚索砂浆注满后, 等待砂浆凝固3-5天后进行锚索的张拉, 本次设计组合锚索的预应力为40吨。压力表上显示20MPa。在组合锚索的注浆达到凝固期后, 进行组合锚索张紧顺序。首先安装槽钢[20在安装上锚索垫板 (400×400×20) , 上好锚索锁具, 利用千斤顶张紧锚索, 张紧力40吨, 在手动油泵压力表上显示20MPa。达到设计要求。
3.2 注浆参数的确定
(1) 注浆压力。根据硐室的围岩性质、含水性、构造发育程度、静水压力、机电硐室的注浆压力采用下列公式进行计算:Pc=P0+ (5~8)
式中:Pc——注浆终压;P0——受注点的静水压力, MPa;5~8——注浆压力系数, MPa。
参数选择:注浆系数选取平均值即0.65MPa
所以Pc=3.87+0.65=4.52
因水泵房硐室现为喷砼, 强度较低, 为避免压力过大造成喷体开裂、跑浆等因素, 注浆压力到3~4MPa即可。
(2) 浆液的扩散半径。浆液的扩散范围是依据注浆围岩的岩性确定的, 因硐室围岩主要由砂质泥岩、细纱岩、硅质泥岩、煤等组成, 扩散半径按1.5m考虑, 这样在搭建工作台的范围之内, 便于注浆、堵漏工作的开展。
(3) 浆液性质及浆液浓度。浆液性质选择依据不同的要求来选择, 此次为硐室壁后加固注浆, 从注浆性质选择水泥单液浆注浆施工。浆液浓度根据水泵房硐室的地质条件、开裂程度, 本次注浆选用中等浆液浓度的浓度配比, 即水灰比0.5:1~1:1。为增加水泥单液浆的渗透性及结石体强度, 选用Na CI和三乙醇胺作为水泥单液浆附加剂, 用量分别为水泥重量的3%和0.3%。
(4) 跑浆严重时采取的措施。跑浆严重时, 采取水泥—水玻璃双液浆液进行堵漏处理。浆液的体积比选择在1:0.2~1:0.5之间即可。
(5) 注浆材料的选择。注浆加固须使用P.O42.5新鲜普通硅酸盐水泥。
4 结论
深浅交差注浆+双作用锚索支护技术解决了泵房加固的难题, 围岩的变形量大幅下降, 板板离层得到有效控制, 与加固之初相比, 巷道支护状况发生根本改观, 围岩完整性相比大大提高, 顶板、两帮完整, 稳定。两帮鼓出、顶板破碎等原支护破坏的现象比较少见。
参考文献
[1]李其敏.锚注加固技术在斜井修复加固中的应用[J].科技创新导报, 2011 (22) .
[2]黄胜, 甘永胜.锚注联合支护在朱仙庄煤矿软岩巷道的应用[J].山东煤炭科技, 2008 (01) .
锚网、锚索联合支护技术的应用 篇2
【摘 要】在地质条件复杂，周边是风氧化带和采空区的老矿井，通过对矿山压力分布及顶板情况进行论证，成功应用了锚网、锚索联合支护，提高了支护效率，保障了掘进巷道的安全生产。
【关键词】锚网、锚索；应用
0.引言
苍村煤业公司今年5月前，五采区掘进巷道采用木腿棚支护，由于煤层直接顶板为灰色砂质泥岩，厚8.43m；煤层底板以深灰色泥岩为主，厚2.75m左右，掘进工作面常常出现底鼓、顶板破碎、切断下沉及棚腿断裂现象，职工劳动强度大，生产效益低，矿井安全生产管理困难；现掘进的500工作面煤层顶板5m以上为棕黄色砂质泥岩，若采用木棚支护，不能按时完成计划进尺，也会给安全管理带来重重困难，因此我公司根据实际情况，结合顶底板赋存条件，选择了锚网索联合支护，现使用正常，支护效果良好，可推广应用。
地质情况及工作面设计：
1.地质情况
500工作面煤层赋存稳定，顶板以黑色泥岩为主，局部为砂质泥岩或粉砂岩，厚度12-14m，一般13m左右。直接顶下有一层伪顶为薄层粉砂岩或砂质泥岩，厚度最大0.2m，随掘随落，为破碎型顶板。老顶以块状灰白色中细粒石英砂岩为主，称七里镇砂岩，为本井田K2标志层，有时相变为粉、细砂岩互层或粉砂岩，厚0.9-21.87m，一般2-3m，层位较稳定，坚硬，不易垮落。底板为灰黑色泥岩及砂质泥岩为主的根土岩，该层遇水易膨胀，松软。水文地质划分为以裂隙为主，属简单型。
2.500掘进工作面设计
500工作面沿煤层倾斜布置，南至F3正断层，北为1400采空区，东到煤层风氧化带，其中原苍斜二号井之1401工作面在风氧带附近回采116m，西临原苍村二号斜井1402、1403工作面采空区和平峒1303、1305工作面采空区。500运输顺槽长650m，回风顺槽长630m，联络巷为40m。
3.工作面支护设计
3.1确定巷道支护形式
根据地质资料分析，煤层直接顶为中等稳定顶板，适合锚网支护。为了将锚杆加固的组合梁悬吊于坚硬岩层或压力平衡拱内，需用锚索做辅助支护。开拓巷道再采用喷浆封闭围岩，厚度不小于30mm。根据六采区巷道的支护经验，巷道选用矩形断面，锚网、锚索联合支护。
3.2支护参数设计
3.2.1采用类比法选择支护参数：
根据地质资料和邻近巷道的支护经验，支护锚杆选用Φ16×2000圆钢锚杆，间距，开拓巷道为650-750，回采巷道为700-800；排拒均为1000。帮锚选用Φ16×1000圆钢锚杆和Φ18×1000玻璃钢锚杆，间距为700-800，排拒为1000。锚索均选用Φ15.24×6000、1860级低松弛钢绞线，沿巷中部布置两排，间距1600，开拓巷道排距为2000-3000；回采巷运顺沿巷中部布置两排，间距3000，回顺沿巷中部三花布置，排距3000，间距1200。
锚杆锚固力不小于50KN，扭力矩不小于100N.m；帮锚杆锚固力不小于30KN，扭力矩不小于60N.m；锚索预紧力不小于120KN，锚固力不小于230KN。
3.2.2计算法校核支护参数：
（1）锚杆长度校核：
顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件，应满足：L≥L1+L2+L
式中L——锚杆总长m。
L1——锚杆外露长取50 。
L2——有效长度（顶锚杆免压拱高b，帮锚杆煤帮破碎深度c）m。
L3——锚固端深度（顶锚杆取500，帮锚杆取300）。
普氏免压拱高：
b=[B/2+Htan（45o-ω帮/2）]/f顶
式中B、H巷道掘进宽和高（按最宽巷道效验）B=5500H=2400；
f顶——顶板岩石普氏系数取3煤取2
ω帮——两帮围岩的内摩擦角取45o
b=[5500/2+2400×tan（45o-45o/2）]/3=1250
C=2400×tan（45o-45o/2）]/2=497
依据上述计算顶锚杆长度L顶≥50+500+1250=1800
帮锚杆长度L帮≥50+300+497=847
所选锚杆长度满足要求。
（2）锚杆锚固力效验：
锚固力就是锚固剂与锚杆的粘剂力、锚固剂与锚孔的粘结力及锚杆的抗拉力的最小值确定的，再考虑一定的安全系数来计算。
顶锚杆锚固长度500，锚杆直径Φ16，锚固段岩锚孔直径40。
帮锚杆锚固长度300 锚杆直径Φ16，锚固段与煤锚孔直径40。
锚固力P=（P1，2）/K
锚固剂与锚杆的粘结力P1，2=Φ1，2×π ×L3×T1，2
式中 P1——锚固剂与锚杆的粘剂力KN，P2——锚固剂与锚孔的粘结力KN，
Φ1 ——锚杆直径Φ2——锚固段锚孔直径，L3——锚固段长顶锚杆为500帮锚杆为300，Τ1——锚固剂与锚杆的粘结强度N/2，取5，Τ2——锚固剂与锚孔的粘结强度N/2，煤孔取1.2，岩孔取1.8，K——安全系数取顶1.5-2帮取1-1.3
顶锚杆锚固力验算：
锚固剂与锚杆的粘结力
P1=16×π×500×5=125600N=125.6KN
锚固剂与锚孔的粘结力
P2=40×π×500×1.8=113040N=113KN
则P=（P1，2）/K=113/2=56.5KN大于50KN
帮锚杆锚固力验算：
锚固剂与锚杆的粘结力
P1=16×π×300×5=75360N=75KN
锚固剂与锚孔的粘结力
P2=40×π×300×1.2=45216N=45KN
则P=（P1，2）/K=45/1.3=35KN大于30KN
（3）锚杆抗拉力：
P3=π/4×Φ2×σT
P3——锚杆破断力KN，σT——锚杆抗拉强度N/2取375（金属锚杆），Φ——锚杆直径取16
则P3=π/4×162×375=75360N=75KN大于50KN满足要求。Φ18的玻璃钢锚杆，强度优于同等规格的金属锚杆，所以更能满足要求。
4.结论
锚索作用 篇3
预应力锚索格构作为一种抗滑支挡加固结构，已广泛应用于铁路、公路、水利、市政等行业的边坡病害整治工程。在预应力锚索锚固体系中，锚索并不是完全垂直于坡面，锚索的锚固力有平行坡面和垂直坡面的分力，其锚固角度对梁底摩擦力的作用效果和作用形式有着决定性的作用。同时锚固角度大小也会影响到加固效果及经济效益。因此，在预应力锚索格构梁加固边坡时选取最佳的锚固角度具有重要意义。
2 格构梁对锚固角的影响
预应力锚索格构梁中锚索预应力，通过格构梁体系将预应力作用给坡体，从而达到加固坡体的作用，因此格构梁与岩土体产生极大的接触压力，同时假定这种接触压力在格构梁上为均匀分布，则有:
其中，F为格构梁与岩土体的接触压力;∑P为作用在格构梁上的总预应力;A为格构梁的总底面积。
以θ>0时为例，边坡特征的几何参数如图1所示，图1中β为滑面倾角;P为锚索预应力;α为坡角。
以格构梁和土体的接触面作为受力对象(见图2)，将锚索预应力向平行于格构梁和垂直于格构梁的两个方向进行分解得:
其中，Pn为坡面正应力;Ps为坡面剪应力。
当格构梁正常工作时，格构梁不能发生由于岩土体的剪切破坏而导致的上爬或者下移现象，因此预应力的锚固角必须满足下式[1]:
其中，c1，φ1分别为接触面附近的岩土体的粘聚力和内摩擦角;k为设计安全系数。
将式(2)，式(3)代入式(4)得:
当达到临界状态时:
经整理得:
其中，A=P,B=kPtanφ1,C=kc1。
当锚索角度为仰角时，受力分解图如图3所示。
同理可得:
预应力锚索锚固角的选取以格构梁和坡面岩土体不发生相对滑动为判断准则，当取等号时即可求得临界锚固角θ0，如果锚固角大于θ0，则坡面的切向分力小于接触面的抗剪强度，格构梁与坡面不会发生相对滑动，如果锚固角小于θ0，那么坡面的切向分力大于接触面的抗剪强度，格构梁和坡面将发生相对滑动。
3 抗滑力对锚固角的影响
预应力锚索格构的作用是加固边坡，而能否加固边坡很大程上取决于预应力锚索的抗滑力，因此抗滑力的研究也就成为选取锚索锚固角度的一个重要因素[2]。
如图4所示将锚固力沿滑面分解成Pnh和Psh两个方向得:
那么由锚索提供的抗滑力为:
其中，φ2为滑面内摩擦角。
为了求得最大的抗滑力Pk，对式(12)进行求导
当β+θ<φ2时函数式(10)单调递增，当β+θ>φ2时，函数单调递减。由此可得当锚固角为θ1=φ2-β时，可求得最大抗滑力为:
当锚索与滑动面的夹角为β-θ时，同理可得:
解得:θ1=β-φ2。
4 锚索长度对锚固角的影响
在前文得到取得最大锚固力的锚固角度，同时锚索取得较满意的抗滑力的同时锚索不至于过长。
如图5所示，假设锚索与滑面的交点为内锚固点A，锚索与坡面的交点为外锚固点B，两点之间的距离为L,A点到坡面的垂直距离为H，根据三角形关系得[4,5]:
单位长度锚索提供的抗滑力为:
在合理的角度θ的情况下，要得到最大抗滑力Pt，对θ进行求导得:
经计算整理得:
根据结果可知，锚固角不仅与滑面内摩擦角有关，而且与滑面角度和坡面角度有关。
5 结语
在已知滑体坡角α、滑面倾角β、滑面区内的岩土体摩擦角φ2与凝聚力c1、锚索预应力为P、格构梁与边坡接触面处的岩土体的内摩擦角φ1与凝聚力c1、在确定设计安全系数k的前提下，先根据本文式(9)进行初判，确定临界锚固角θ0，再根据θ2=π/4-(β+α)/2+φ2/2计算锚索预应力的合理锚固角θ2，将θ2与θ0相比较，当θ0>θ2时，取θ2为最佳锚固角;当θ0<θ2时，取θ0为最佳锚固角。
摘要：针对预应力锚索格构体系中锚索锚固角度进行了研究,通过分析格构梁与坡体表面相互作用、抗滑力、施工工艺、坡体角度等对锚索锚固角取值的影响,得出应综合考虑坡角、滑面倾角、粘聚力、设计安全系数等因素,通过计算确定锚索预应力的合理锚固角度,进而比较分析得出最佳锚固角度。
关键词：锚索格构,锚固角,抗滑力,粘聚力
参考文献
[1]杨涛,周德培,张忠平.预应力锚索地梁中合理锚固角的确定[J].岩土力学,2006,27(2):290-293.
[2]Yoshinaka R.Evaluation of bolt reinforcement in discontinuous rocks[A].Proceedings of8th Congress on Rock Mechanics IRSM[C].Tokyo:[s.n.],1995:249-252.
[3]王泰恒,许文年,陈池,等.预应力锚固技术基本理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[4]熊文林,何则干,陈胜宏.边坡加固中预应力锚索方向角的优化设计[J].岩石力学与工程学报,2005,24(13):2260-2265.
预应力锚索粘结性能的探讨 篇4
关键词 预应力粘结锚索 无粘结锚索 粘结性能
锚索施工近年来在建筑工程中，特别是岩土加固工程应用越来越广泛。随着锚索的运用，由于锚索的失效、断裂带来的加固工程安全事故也随之越来越多。而通过对失事锚索的调查发现全长粘结预应力锚索比无粘结预应力锚索安全性能高得多。在我国100多例重点工程锚索支护安全性能调查中，有90%多失事及腐蚀的锚索是无粘结锚索引起的。下面我们通过一个案例对此进行详细的解析。
云南漫湾水电站1986年开工建设，1995年投入使用。在该水电站的坝顶，对一根全长预应力粘结锚索采用小型机械从2009年11月25日开始开挖，到2010年1月10日为止，锚索距离施工日期大约有20多年。该锚索由8根长25米，锚固段6.5米，孔径Ф115mm的钢绞线组成。自由段注425号水泥浆，锚固段425号水泥砂浆。钢绞线标号GB224-85，强度级别1470KN/mm2。开挖区域坚硬岩体，开挖条件好，pH纸检测区域内pH=11，地层腐蚀弱。试验通过以下三个方面进行结论：
一、通过钢绞线剥出量与缩进量关系分析验证水泥粘结作用。通过钢绞线剥出量与缩进量关系分析：2009年12月12日到2010年1月4日，在2-5m段每隔0.5m设一个钢绞线缩进量监测点，共6个监测点。开始锚索剥出长度7m，边开挖边剥钢绞线，开挖结束时剥出長度18.5m，一直剥到内锚固段。通过监测我们发现随着监测时间的增加，缩进量也随之增加，从0mm增加到30.9mm。缩进量和监测时间成正比关系。
根据上述锚索自由端7-18.5m缩进量与监测时间分析，我们得出结论，即钢绞线变形均匀到锚索自由端，锚索应力也均匀分布，即锚索锁定性由水泥浆体粘结作用来形成的。
该结论可以解释当全长预应力粘结锚索在某一处发生断裂，由于锚索与围岩和水泥浆体粘结为一体，不会引起整条锚索的断裂，只会在断裂锚索附近发生影响。水泥浆体粘结性延缓了了整条锚索失效。
二、通过剥开的锚索颜色，验证水泥浆体对锚索的防腐保护作用。在锚索剥开后观察锚索颜色为黑色，随着锚索位置的深入，颜色越来越鲜亮。这是因为水泥浆体的保护作用，加之锚索自由端在锚孔中与大气隔绝，也保护了锚索。但在一处靠近岩壁的7-10m处发现一些黄色小锈斑点，仔细查看，锚索与岩壁之间的水泥浆体很薄，一些地方水泥浆体发生了脱落。这表明水泥浆体破坏使锚索出现了锈斑。
为何全长粘结预应力锚索在无腐蚀地层中能防锈蚀呢？有研究发现钢铁在pH>11的碱性条件下，钢铁氧化后在钢铁表面形成三氧化二铁的保护膜，也就是钝化膜，厚度100mm，结构形式r—Fe2O3，它能保护钢铁不被锈蚀。而r—Fe2O3钝化膜形成必须保证pH>11的碱性条件，同时浆液用硅酸盐水泥拌制，限制氯离子和硫酸离子含量能保证钝化膜不被破坏。
三、在锚固段观察对岩体的锚固力。在开挖到18.5m处，即为锚固段。继续开挖锚固段，
相比较全长粘结预应力锚索，无粘结锚索的特点刚好和全长粘结锚索相反，优点与缺点互换。我们讲讲无粘结锚索的特点。
无粘结锚索有一个重要性能防护隔离功能。通过锚索孔中注入水泥浆体来隔离保护锚索，用塑料制品制成隔离体增加防护性能。另外采用了对中支架与隔离支架。对中支架主要起隔离波纹管与孔壁，防止两者之间接触与摩擦。隔离支架在波纹管内，起对中作用，隔开钢绞线。另外锚固段采用双层波纹管进行保护。而整个隔离层也采用双层隔离，增加了安全系数。
无粘结锚索安全隔离性差由以下原因造成的：一）水泥浆体来作注浆材料，可以起隔离作用，但水泥浆体仍会漏水与透气，对保护性有影响；二）塑料制品制成的隔离体很脆弱，在锚索穿入锚孔过程中很容易发生破坏；三）在实际施工中，由于对无粘结锚索隔离性能重视不够，会将双层隔离层变成单层隔离层，同时不安装对中支架。
另外由于锚索无粘结性能导致在对岩体支护时，只能依赖锚索拉力，无法利用岩体的共同作用，一旦锚索发生断裂，整条锚索会断裂，这是无粘结锚索最大缺点。根据研究有粘结锚索比无粘结锚索极限承载力提高15-30%。
当然无粘结锚索还有一些较突出的优点。其中一个突出优点是锚索拉力的可调整性。在无粘结锚索外锚头中可以看到锚索端头有一个防护帽，对锚索预应力调整就是通过这个防护帽中锚头装置调节。取下防护帽，将张拉装置安装在锚头上，进行张拉来调整张拉力。这在拉力需要调整的岩体加固场合应用比较广泛。
无粘结锚索应用比较便捷，只要一次注浆，不象粘结锚索需要二次注浆。二次注浆间隔较长，比较麻烦。同时适应力强，对任何复杂环境能适用。
综上所述，我们可以看到有粘结锚索与无粘结锚索两者的优缺点。有粘结锚索由于有钝化膜保护，防护性能好，在各地挖出的锚索案例中出现失效、断裂情况较少。同时由于水泥砂浆粘结性能，它还能与周围岩体形成咬合，连为一体，不仅提高自承能力，还能防止有粘结锚索“一处断，整条断”的危害。而相应无粘结锚索也有突出优点，它能通过防护帽的张拉装置调整预应力，这是有粘结锚索不具备的。同时施工比较方便，只需一次注浆，这些优点使其应用广泛。但无粘结锚索相对有粘结锚索的隔离保护差、自承力小等缺点，加之人们使用过程中不注意做好防护隔离层，在使用过程中失效事件较多，限制了其使用。因此我们在运用有粘结与无粘结锚索过程中要注意根据不同要求选择，扬长避短，充分利用优点，克服缺点，使其在运用中最大发挥其作用。
参考文献
[1]任爱武等 全长粘结预应力锚索长期运行效果研究.岩土锚固技术研究与工程应用.人民交通出版社.2010.9
[2]刘玉堂 无粘结锚索的隐患.岩土锚固技术与工程应用新发展.人民交通出版社.2012.9.1
浅析锚索支护技术的应用 篇5
1 锚索的种类及结构
锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在围岩深部, 外露端由工作锚通过压紧托盘 (或带孔的钢梁) 对围岩进行补强的一种手段。作为一种新型可靠有效的加强支护形式, 锚索在巷道支护中占有重要地位。其特点是锚固深度在承载能力高, 将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中, 可靠性较大;可以施加预应力, 主动支护围岩, 因而可获得比较理想的支护加固效果, 其加固范围、支护强度、可靠性是普通锚杆支护无法比拟的。
锚索类型:
按钢绞线的根数分有单根锚索和锚索束。
按锚固材料分有树脂锚固锚索、水泥锚固锚索和树脂水泥联合锚固锚索。
按锚固长度分有端部锚固锚索和全长锚固锚索。
按预紧力分有预应力锚索和非预应力锚索。
1.1 注浆锚固锚索
注浆锚固锚索的特点是采用多根钢绞线, 全长锚固, 钻孔直径大, 承载能力高。由于采用注水泥砂浆锚固, 需要一定的固化时间, 承载速度不像树脂端部锚固锚索那样快, 不能用于回采巷道, 一般适合于大断面硐室和巷道的补强加固。
1.2 树脂端部锚固锚索
树脂端部锚固锚索的特点是采用搅拌器搅碎树脂药卷, 对锚索进行端部锚固。其安装孔径为φ28mm, 用普通单体锚杆钻机可完成打孔、安装。安装工序简单, 便于操作, 施工速度快。
树脂端部锚固锚索支护技术主要应用在破碎顶板、复合顶板煤巷, 放顶煤开采沿煤层底板掘进的煤顶巷道, 软弱和高地应力巷道, 以及大跨度开切眼和巷道交叉点等条件比较复杂的井巷工程。
1.3 树脂注浆联合锚固锚索
树脂注浆联合锚固锚索兼有树脂端部锚固锚索和注浆锚固锚索的优点: (1) 单根钢绞线, 先用锚索搅拌器搅碎树脂锚固剂, 进行端部锚固; (2) 采用树脂端部锚固后, 可施加预应力, 使锚索及时承载; (3) 树脂端部锚固后实施水泥注浆, 进行全长锚固, 补强加固; (4) 施工采用单体锚索钻机, 不需要笨重的地质钻机, 施工速度快。
2 锚索支护技术的应用
锚索支护技术就是将一定长度的低松弛高强度的钢绞线配以专用锚固工具, 用树脂或水泥砂浆等锚固剂进行端部或全程锚固后, 通过液压千斤顶在其尾部施加预应力, 以达到对巷道围岩进行锚固支护的目的。
锚索除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外, 还具有对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用, 并且沿巷道纵轴线形成连续支撑点, 以大预紧力减缓顶板下沉变形作用。
对于围岩松动圈大, 巷道围岩节理发育, 顶板破碎及伪顶较厚等复杂顶板条件下的巷道, 通过锚索对锚杆所形成的组合梁的加固进行补强支护, 利用锚索顶板深部锚固、高预紧力和它的高承载能力的特点, 使顶板由锚杆支护形成的组合梁得到进一步加强, 并将其牢固地悬吊在上部直接顶或老顶上。
2.1 锚索预紧力的应用
由于锚索通过深部锚固后, 利用液压千斤顶的预紧作用, 可以对巷道的两帮或顶板提供较大的预应力, 从而可减缓巷道两帮及顶板的位移量。例如, 在回采巷道煤巷掘进过程中, 通过在巷道上帮每隔2米上下各布置一根锚固于顶板和底板岩石中的锚索, 以及利用专设于巷道上帮顶板与底板处锚杆的锚固点, 通过三环链和锚索使巷道上帮形成锚索的棱形网格结构, 从而达到控制煤巷上帮移近量的问题。
2.2 锚索在悬吊中的应用
利用锚索高强度、深部锚固的特点, 可以使顶板破碎、完整性较差的巷道, 通过加打锚索, 将完整性较差的顶板牢固地吊挂在稳固的直接顶或老顶上。例如, 在峻德煤矿二水平南22层一二区三段切眼掘送过程中, 遇到落差在2.0米以上的断层就有三个, 尽管施工过程中采用了锚网索联合支护, 但由于断层落差大, 使综采支架安装接顶带来难度, 为了解决综采支架安装时刹顶的难度, 避免综采支架的大起大落, 在切眼掘送过程中就利用锚索的悬吊作用, 用圆木在断层处进行接顶处理, 使顶板趋于平缓;再如, 对于大跨度、顶板完整性较差、压力大时, 可以采用桁架梁结构对顶板进行加固, 就是在长的工字钢或U型钢的两端及中间打孔, 用锚索对其进行悬吊处理, 从而起到控制顶板的目的, 在拱形巷道, 还可以通过在U型钢上铺设钢筋网后喷碹来加固顶板。
2.3 锚索在搭接平台施工中的应用
锚索具有强有力的抗拉强度, 施工机具简单, 而且还方便快捷, 可大大地降低施工难度。例如, 在兴安煤矿三水平北22层三四区运输石门与北22层三四区三段机道下山交叉处, 形成了“楼上楼”搭接平台, 在此搭接平台施工过程中, 就是利用锚索在斜长8米的搭接处, 沿三段机道下山通过均匀布置在巷道两帮的8对锚索, 将焊接成对的工字钢梁紧紧地锚固在巷道的两帮, 然后, 在巷道两帮, 沿8米长的工字钢组合梁均铅垂布置三根长锚索, 对两侧的钢梁进行垂直吊挂, 最后, 在工字钢组合梁上均匀焊接8对工字钢梁和铁板, 形成平台的完整结构, 全部工期仅用了5天, 这种施工方式较以往的掏梁窝、发碹工字钢梁相比, 节约了工时, 减轻了工人的劳动强度, 取得了可观的经济效益, 为北22层三四区三段工作面早日投产创造了条件。
3 煤矿锚索支护技术的未来展望及存在的问题
3.1 煤矿锚索支护技术的展望
利用锚索支护技术的锚固深、高强度和高预应力的特点, 它不是简单地与锚杆配合, 应用于煤矿的巷道施工过程中, 它完全可以独立地承担对巷道围岩的控制, 而且它与工字钢、U型钢、钢筋网等支护材料以及喷碹工艺等有机的结合, 会取得良好的支护效果, 它将越来越受到广大煤矿建设者的青睐。
3.2 存在的问题
(1) 目前各矿锚索支护所使用的钢梁均为工字钢制成的, 而且都是就槽打孔, 造成工字钢梁与围岩成线性接触, 这样只能会加速顶板的断裂, 建议使用槽钢作悬吊梁。
(2) 锚索与搅拌机具联结的器具不专业, 通常都是将200mm长铁管一端砸成椭圆, 另一端焊一小段六棱钻杆, 这样有时出现该联结器夹不紧锚索, 造成药卷搅拌不充分, 从而影响锚索的端部锚固效果。
(3) 拆卸钻杆的工具不配套, 经常出现操作工用钻杆砸钻杆联结器的方式拆卸钻杆, 这样很容易造成钻杆损坏。
摘要：简要地阐述了锚索的种类及结构, 发展历程和使用的范围, 并结合多年从事锚索支护技术工作, 介绍了几项从事锚索支护应用的成功经验, 同时也展望了未来锚索支护技术的发展前景。
预应力锚索施工浅析 篇6
某边坡支护工程地层为砂岩和砂岩泥板岩互层, 表面覆盖层厚1~2m, 边坡岩体多呈强风化和弱风化状态, 局部呈微风化, 坡面上随机分布的小断层与层间错动 (层面) 相互结合, 构成一些稳定性差的楔体。其次洞脸边坡上存在一系列与边坡走向平行的高陡倾角断层, 破坏了边坡岩体的完整性。其支护类型包括锚杆、网喷砼、预应力锚索等。因锚杆、网喷砼施工工艺较单一, 不再赘述。仅对无粘结式端头预应力锚索施工谈一些粗浅的认识。
2 预应力锚索施工工艺流程
预应力锚索施工工艺如下:
3 施工设备机具及主要材料
4 预应力锚索施工工艺
4.1 造孔
(1) 开孔前用钢卷尺结合控制点坐标确定孔位, 地质罗盘和倾角仪分别调校钻孔方位角和倾角。
(2) 锚索孔采用ROC460PC高风压潜孔钻机和QZJ—100B型轻型潜孔钻钻进, 钻孔的开孔偏差不得大于10cm, 钻进过程中每5m测量校正孔斜一次, 如遇复杂地层测斜加大密度。测斜采用仪为CQ—1型测斜仪。孔斜误差不得大于孔深的2%。
(3) 钻进过程要认真做好记录, 记录内容包括钻进深度、进尺速度、回水颜色、岩芯记录等数据, 以确定岩层的稳固程度, 确保锚固段位于完整基岩中。若孔深已达到设计孔深, 而仍处于破碎带或断层等软弱岩层时必须加深钻孔, 继续钻进, 直至监理工程师认可为止。
(4) 钻进过程如遭遇坍塌掉块溶洞等复杂地层可报请监理设计同意后进行固壁灌浆处理, 待浆液达到设计龄期后, 扫孔施工中严格控制钻进技术参数, 小钻压, 低转速, 较高风量钻进。
(5) 钻孔完毕后, 连续不断地用水和压缩空气对钻孔进行彻底冲洗。冲洗完毕后将孔口加塞保护, 防止异物落入孔内。
4.2 预应力锚索制作安装
锚索原材料及相关工器具存放在原材料堆放场内, 锚索的加工和编制则在现场施工平台上进行, 其整个制作程序为:下料→锚固段钢绞线剥皮去脂→编索→安装导向帽→验索→存放。
(1) 下料。使用钢绞线之前, 要检验钢绞线的出厂证、质保书, 并检查其外观和直径, 有锈蚀、缺损不得使用。灌浆管和排气管均采用PE塑料管, 其质量要满足设计要求。锚索下料长度按锚索实际孔深并考虑到混凝土垫墩厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度要求, 适当留有余度。下料在锚索车间平坦开阔的工作平台上, 下料前将不同孔深的锚索材料编制成下料单, 按下料单中各孔钢绞线所需的长度, 用钢卷尺丈量, 其误差在5mm以内。钢绞线采用砂轮机切断, 切口要求整齐无散头现象。
(2) 编索。 (1) 将钢绞线和进、回浆管、排气管及充气管平行摊于现场施工木制平台上, 对不同的进、回浆管进行编号和在进口段用不同颜色区别。 (2) 安装止浆环及进、回浆管、排气管及充气管, 并检查管道是否畅通, 并且管路系统耐压值不低于设计灌浆压力的1.5倍。对耐压值不够或不通畅者要更换, 管道安装检查完后管口临时封闭, 并进行编号。 (3) 锚索内锚段和张拉段按设计图纸要求穿设对中支架, 两对中支架间绑扎无锌铅丝一道, 绑扎时保证钢绞线平行, 不得交叉, 最后在锚索端头套上导向帽。 (4) 无粘结锚索内锚段剥皮去脂后再进行编索, 去脂不得损伤钢绞线。最后自由端采用波纹套管防护。 (5) 索体验收。索体制作完毕后, 与相关人员一起验收, 验收合格后的锚索进行及时安装, 未安装安装的锚索, 将其架空放置, 上面覆盖彩条布以防止钢绞线锈蚀。锚索下面垫置木方防止锚索发生弯曲、扭转和损伤, 对存放时间较长的锚索在使用前要再次进行严格的检查。
4.3 预应力锚索安装
锚索安装时, 孔口搭设简易脚手架, 锚孔轴线上方安装导向轮, 锚索端头安装导向帽 (见图2) 人工均匀推进, 将锚索顺直送入孔内, 安装至设计深度。
4.4 承压垫座浇注
本工程采用现浇式承压垫座。施工程序如下:
(1) 凿除坡面松石浮渣, 用高压风和水彻底清理坡面。
(2) 按照设计要求, 安装导正管、承压垫座钢筋构件、钢垫板。
(3) 支模板, 模板缝隙和与坡面接触处用同标号细砂浆封堵。
(4) 按照设计要求浇注承压垫座, 同时留取试件。
4.5 锚孔灌浆
(1) 钻孔工作结束后, 用压力风水冲洗, 将孔道内的钻孔岩屑和泥砂冲洗干净, 直至回水变清。
(2) 灌浆工作开始前, 通过灌浆管向孔内送入压缩空气, 将钻孔孔道内的积水排干。
(3) 灌浆:通过安装在波纹管内的灌浆管灌浆, 直至回浆管中返浆为止, 锚固端和自由端一次灌浆完成。灌浆采用纯水泥浆液进行灌注, 其水灰比取0.4~0.45, 浆液中应掺入一定数量的膨胀剂、减水剂和早强剂, 其28天的强度不低于30Mpa。
(4) 灌浆长度应符合施工图纸要求, 封堵装置位置应准确, 不得产生滑移和串浆现象。灌浆采用自下而上一次施灌, 进浆必须连续。
(5) 对于破碎带或渗水量较大的围岩, 在安装锚束前, 应按规范对锚孔进行灌浆处理。
4.6 张拉
(1) 张拉设备和仪器必须配套标定, 并绘制压力表读数—张拉力关系曲线, 以指导现场张拉作业, 未经标定或标定不合格的张拉设备和仪器不得使用, 标定间隔期不得超过6个月。超过标定间隔期的设备和仪器或遭强烈碰撞的仪表, 必须重新标定后才准使用。
(2) 锚固段的固结浆液、承压垫座砼等承载强度未达到施工图纸的规定时, 不得进行张拉。
(3) 锚索正式张拉前, 应先对单根钢绞线逐根预紧, 使钢绞线完全平直。预紧完成后即可正式张拉, 张拉力应逐级增大, 其最大值为锚索设计荷载的1.05~1.1倍, 稳压10~20min后锁定。锁定后的48h内, 若锚索应力下降到设计值以下时应及时进行补偿张拉。
(4) 使用YCW—250型千斤顶分级整体张拉。
(5) 采用应力控制及伸长值校核操作方法, 当实际伸长值大于计算伸长值10%或小于5%时, 应暂停张拉, 查明原因并采取措施予以调整后, 方可继续张拉。
(6) 张拉时, 升荷速率每分钟不超过设计应力的1/10, 卸荷速率每分钟不超过设计应力的1/5。
(7) 根据监理工程师的指示进行试验束的张拉, 试验束的数量和位置由监理工程师确定。在进行锚索试验时, 应认真记录压力传感器的读数, 千斤顶的读数以及试验束在不同张拉吨位时的伸长值, 记录成果应及时报送监理工程师。每次进行试验束张拉, 必须有监理工程师在场时进行。
4.7 验收试验
(1) 预应力锚索施工中, 应按施工图纸和监理工程师员的指示随机抽样验收试验, 抽样数量不少于3束。
(2) 竣工抽样检查的合格标准, 以应力控制为准, 实测值不得大于施工图纸规定值的5%, 并不得小于规定值的3%。当验收试验与竣工抽样检查合并进行时, 其试验数量应为锚束总数量的5%。当竣工抽样检查的锚束中有一束不合格时, 加倍扩检, 扩检不合格, 按监理工程师的指示进行处理。
(3) 抽样检查及验收全部结束后, 汇总各孔的设计张拉力, 评定预应力锚固效果。
(4) 预应力锚束工程全部结束后, 向监理工程师申请完工验收, 提交完工验收资料。
4.8 锚头保护
(1) 锚具以外的钢绞线除留存15cm外, 其余部分用磨光机切除。
(2) 外锚头按施工图纸要求用砼封闭保护, 砼保护层厚度不小于10cm。
5 结语
预应力锚索施工质量控制要点可以说是千头万绪的, 其中, 责任心是最主要的。通过树立质量意识、强化质量责任、加强质量监督, 本工程得以优质、高效地完成。
摘要：本文主要介绍了预应力锚索施工工艺流程及施工技术。
关键词：无粘结式端头预应力锚索,低松弛度钢绞线,一次灌浆,后张法
参考文献
锚索加固技术应用分析 篇7
在各类煤矿井下硐巷中,顶板岩体破碎、围岩松散性强与受采动影响严重的巷道、大跨度断面、大硐室、巷道交叉点及地质构造带等特殊地段简单选用常见的锚杆支护方法难以实现有效支护,必须通过增加支护深度来提升支护效果,这就需要通过锚索加固技术来达成[1]。而在采深不断增加的今天,如何更好地运用锚索加固技术也就成为众多技术人员关注的焦点。
1 锚索加固支护作用分析
1.1 悬吊作用
依据围岩运动变形破坏相关理论研究及对生产实际数据的长期记录观测,巷道成形后,其浅部围岩的离层、扩容、断裂、跨落速度相较于深部岩层要更快一些,且越往深处这种速度越低,围岩移动变形的滞后时间也越长。基于这一原理,锚索在打入围岩后,其端部能够固定于破坏、变形速度相对较低的稳定岩层中,这就使得锚索能够对围岩的向内变形起到良好的悬吊效果,甚至能够对覆岩下部已经发生离层、断裂乃至跨落的煤岩块体起到一定的绝对悬吊作用。一般来说,在一些采取锚杆锚索联合支护的巷道中,部分区段顶板锚杆失效后,出现的煤岩体网兜现象就是锚索独立承压时的悬吊效果的表现。
1.2 挤压加固作用
在围岩中布设锚索后施加的(径向约束力)锚索预紧力对围岩形成挤压效果,使得原本存在于各煤岩层中的裂隙、节理等间隔距离缩短,进而促使煤岩层的强度与层间摩擦力大幅提升,实现对各煤岩层的有效约束,避免其不断扩容的同时有效遏制移动变形速度。此外,随着巷道覆岩不断移动变形与破坏,各煤岩层相交位置的锚索同两个煤岩层之间的相互作用,能够很大程度上对煤岩层之间的相对位移起到遏制作用,并对其所穿过的各煤岩层起到良好的挤压加固效果[2,3]。
1.3 组合梁作用
在巷道顶板中增设锚索可以显著控制锚索所穿过各煤岩层的离层、扩容、变形现象,实现各煤岩层之间摩擦力与挤压力的提升,提升煤岩层强度,同时让锚索所穿过的各岩层胶结成一个大厚度的组合梁,鉴于整个组合梁具备一定厚度,因此其抵抗弯曲变形与剪切变形的能力十分显著[4]。
1.4 组合拱作用
相较于锚固作业,锚索作业同其锚杆方法、操作流程及预紧力等诸多方面完全相同,这使得巷道中布设锚索后,围岩在锚索预紧力的作用下也与锚杆在两侧端头之间的围岩中构成圆锥形应力对称分布区一样[5]。一旦将锚索均匀布设于巷道中,则各个圆锥形应力区便会彼此叠加作用,从而在巷道围岩中构成有效的承压拱。
2 锚索加固应用分析
2.1 工程概述
红河矿井下西侧轨道上山主要布设于煤层中,巷道埋深680 m,断面形状为矩形,主要担负整个西翼采区的煤炭运输任务。其所在煤层为4#煤层,厚度介于3 m~3.6 m之间,巷道伪顶为厚1.3 m的泥岩,直接顶为均厚1.95 m的细粉砂岩。巷道埋深近700 m,属于典型的深部巷道,不仅地应力较大且地质环境相对复杂。对于巷道的维护若单纯选用传统的锚杆支护方式不仅作业强度大、施工成本高且施工后巷道变形严重,局部区段返修率较高,对于日常生产的有序开展和井下安全均造成严重威胁。针对这一问题,经过研究后最终选用“锚杆+锚索”的联合支护方式,其中锚杆支护沿用原有参数,锚索支护参数如下所述。
2.2 锚固参数确定
2.2.1 锚索材料的选择
支护锚索选用7根高强度低松弛性的钢绞线,每根锚索均为直径15 mm,锚索强度标准达P=1 860 MPa,设计载荷150 k N~1 200 k N,极限载荷250 k N~1 600k N。同时依据井下地质环境和施工需求,选用水泥卷进行锚索的锚固作业,锚固长度为3 500 mm。
2.2.2 锚索支护参数
锚索间距与锚固长度关系式及锚固长度同锚索粘结强度关系表达式分别如下式(1)~式(2)所示:
式(1)中,L为锚索锚固长度,mm;S为锚索间距,mm。
式(2)中,d为锚索直径,mm;fs为锚索设计抗拉强度,MPa;fc为锚索同锚固剂的粘结设计强度,MPa;K为安全系数。
结合上述两式并参照红河矿地质柱状图,可最终确定锚索加固所用锚索长度为8 000 mm,锚索间隔2 000 mm。
锚索加固作业时多选用点锚索与“锚索+钢梁”联合支护两种形式,鉴于红河矿矿压显现偏大,且顶板强度偏低,所以选用直径18 mm钢筋梁配合锚索的加固方式。锚索加固布设示意图如下图1所示。
2.3 锚索施工流程
整个锚索加固作业分为钻孔、安装、固定与预应力施加等环节:a)锚索制备。依照设计长度,通过电动砂轮机制备长8 000 mm的锚索,并对钢绞丝锚固段进行除锈、去污厚将锚索运至井下作业点;b)钻孔。选用型号为MQJ-85的钻机依照设计进行钻孔作业,作业钻孔选用可连接的B22钻杆,单根长度1.5 m,钻头直径为27 mm,钻孔成型后用水进行冲洗;c)锚固。选用水泥锚固卷充当锚固剂进行锚索锚固作业;d)预紧力张拉。锚固结束7 d后,待水泥锚固强度符合设计标准厚,通过张拉机对锚索进行预紧力张拉,设计值为12T,达到设计值厚撤下千斤顶,将锚索同托板、钢筋梁锚固成整体。
3 应用效果
为确保对锚索加固作业厚巷道变形现象进行有效掌握,并便于进一步优化设计参数,同采取锚索加固的区段进行巷道变形监测。下图2所示即为巷道顶底板与两帮随时间变化的收敛量统计图。
分析可知,选用锚索对巷道进行加固作业厚,45 d左右巷道变形基本达到稳定,同原有支护数据对比分析可知,巷道变形量缩减40%左右,锚固支护大幅提升了巷道的稳定性并为矿井创造了显著的经济效益。
4 结语
锚索加固在红河矿巷道支护中的实践表明,其同锚杆相配合能够起到良好的支护效果,不仅大幅提升了井下巷道围岩稳定性,更减轻了作业人员工作强度与巷道维护成本,有效提升了矿井的经济效益与社会效益,是值得广泛推广的一项井下工程技术,也是众多工程技术人员今后需要关注探究的要点。
参考文献
[1]阮庆胜.注浆锚索在深井巷道支护中的应用[J].科技视界,2015(7):80.
[2]郑志涛,徐颖,戴国涛.基于FLAC(3D)的深部软岩巷道中空注浆锚索加固分析[J].煤炭技术,2015(5):43-45.
[3]王良旭.软岩巷道修护支护技术实践[J].山东煤炭科技,2014(1):50-51.
[4]代光明,杨成.全煤锚网支护巷道锚索加固技术研究与实践[J].煤炭与化工,2014(5):67-70.
锚索应力分布规律研究及应用 篇8
矿用锚索施工简单, 适用性强, 是矿山井巷工程优选的加强支护方式之一。施工实践也证明, 预应力岩石锚索是一种有效的支护手段, 在围岩较差或受采动影响大的煤巷、大硐室、大断面巷道、开切眼、交叉点及构造带等需要加大支护长度和提高支护效果的地方, 采用预应力锚索是一条有效的措施。巷道上覆各煤岩层的运动、变形, 因各层面岩性不同而造成层面间的相对位移, 并直接作用于锚索, 在非连续层面附近的锚索中产生剪、拉或压应力;同时, 锚索又反作用于非连续面, 阻止这种非连续层面的相对错动;当2层面错动力大于锚索极限抗剪强度时, 锚索将受剪断折。而小孔径锚索用于煤层巷道加强支护效益显著。
1锚索锚固段的应力分布分析
预应力锚索根据结构可分为锚固段和自由段2部分。当锚固段远离岩体表面时, 会使现场的测试难度增加, 所以讨论内部锚固型锚固段应力分布的不多。通过开尔文问题的位移解, 可知内部锚固型锚固段所受拉力的应力分布规律, 同时, 来分析预应力锚索锚固段的受力特征及影响其锚固力的因素, 并提出合理方法来优化锚固结构设计。
1.1在内部锚固型锚固段方面的应力分布弹性解
锚索锚固段离岩体表面比较远, 受力分析上可被认为位于无限体中, 且不受表面边界的影响。另外, 假设岩体与黏结材料是性质相近的弹性材料。在无限体内, 点O受到来自集中力p作用 (图1) , 称其为开尔文问题[4]。
开尔文问题沿z方向的位移为
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式中, μ为岩体的泊松比;G 为岩体的剪切模量;undefined。
由荷载—位移互等定理, m点集中力p产生的O点的位移等于在O点集中力p产生的m点的位移。同时, 让锚固体与z轴相互重合, 有x=y=0, 所以, 在锚固段任意一点z处, 有集中力p产生的锚固外端点O的位移为μz=p (1+μ) / (2πEz) 。
假设锚固段自锚固外端点O开始是半无限长, 且锚固段与岩体的变形都处于弹性状态, 而锚固段在沿z轴方向对岩体产生的剪应力是τ (z) , 那么τ (z) 所引起的锚固外端O点的位移就应等于锚固段总的伸长量。即
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式中, a为锚固体半径;E为岩体弹性模量;A为锚固体截面积;Ea锚固体弹性模量。
根据标准型的韦伯方程[5], 可获得在锚固段中沿锚固体的剪应力分布为
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式中, t=E/[2 (1+μ) a2Ea]。
故锚固段轴力分布函数 N=pexp (-tz2/2) 。
1.2对于拉力分散锚固型锚固段的受力分析
根据分析能够看出, 锚固段在弹性状态下所受的剪应力主要集中在锚固端, 然而剪应力有较大的峰值, 对于整个锚固段, 其受力不均且利用率极低。随着科学技术的发展, 锚固结构出现了较大的转变, 由先前单一集中拉力型的结构发展到拉力分散型、压缩集中/分散型、拉压混合型锚索等较多锚固结构。拉力分散型锚索的锚固结构及剪应力分布如图2、图3所示。
根据图2可了解到, 若拉力分散锚固型的各锚固段长充足时, 那么其各段剪应力分布的叠加等于锚固段的剪应力分布, 可知公式
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式中, pi为第i段锚固力;zoi为第i段锚固外端点与O点的距离。
当自由段摩擦阻力较小时, 单根多循环张拉能使得各钢绞线受力均匀, 这时拉力分散型各锚固段受力pi基本相等, 假设各锚固段等距, 则上式可简化为
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式中, z0为锚固分段间距;k为分散锚固段段数。
通过分析可知, 拉力集中锚固型最大剪应力是拉力分散锚固型最大剪应力的k倍。由图3b、图3c知, 由于拉力分散锚固型锚固段的剪应力分布比较均匀、最大剪应力相对较小, 锚固段可得到充分利用, 所以更为合理。
2预应力锚索设计分析
近年来, 随着对锚杆支护理论研究的不断深入, 极大地推进了锚杆支护技术在巷道支护中的应用, 但在应用中还存在着局限性[6]。而采用锚索加强支护, 能够将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩连接, 增强次生承载结构稳定性;同时, 对锚索施加比较大的预紧力, 从而加大不连续面间的抗剪力, 以此来增大围岩的整体强度。
2.1锚索长度的选择和安设时间确定
用悬吊理论进行支护设计, 煤巷锚索支护的主要作用是:将下部不稳定岩层悬吊在上部稳定岩层中, 通常认为锚索越长, 支护效果越好。很多时候, 在设计巷道支护参数时, 为了找到稳定的坚硬岩层, 把锚索长度设计到大于15 m。经过在双鸭山矿业集团试验测试, 煤巷锚索支护的主要作用为:通过锚固段与锚索托板之间的作用对巷道上方不稳定岩层起到预防性挤压加固, 而悬吊只是次要作用, 最好不让锚索起悬吊作用。因此, 认为应以挤压加固理论来设计锚索。安装锚索时, 应熟练掌握其规律, 不需要一定将锚索锚固在巷道上覆顶板坚硬稳定的岩层中, 其长度一般为6～7 m。双鸭山矿业集团目前使用的是Ø15.24 mm钢绞线锚索, 这种锚索的延伸率仅为3.5%, 因此它不适用于很大变形的情况。在掘进工作面, 过早安设锚索会因巷道围岩的大变形而导致钢锚索被拉断, 安设锚索太迟又会导致锚杆锚固段与锚索锚固段之间的岩层离合。实践表明, 在围岩表面与锚杆锚固段之间的岩层发生急剧变形时期, 不应安设锚索;围岩表面与锚杆锚固段之间岩层由急剧变形向缓慢变形过渡时, 是锚索安设的最好时间段。
2.2锚索施工后的紧固方法
根据技术要求, 锚索安设之后应该及时给予100 kN的预紧力, 在距离掘进面20 m时再进行二次紧固, 使预紧力达到150 kN, 从而减少顶板变形。然而在现场施工时, 经常出现不进行二次紧固以及用非专业工具安设锚索等问题, 预紧力达不到设计要求, 起不到支护作用。为此, 需加强锚索施工的质量检查, 随时抽查已安设锚索的二次紧固质量, 监督施工人员执行技术要求情况, 将锚索的紧固值控制在规定范围之内。
3预应力锚索应用分析
(1) 巷道概况。
新安煤矿采深在600 m以上, 其西区6#右四采区回风巷沿底掘进, 采用机掘方式, 巷道净高3.0 m, 净宽4.0 m。煤层平均厚度2.9 m, 平均单轴抗压强度10.3 MPa。直接顶为细砂岩、砂质泥岩、泥岩, 厚0.70～2.81 m。基本顶为砂质泥岩, 厚13.2～20.6 m。直接底为砂质泥岩或泥岩, 厚4.40～6.94 m。基本底为中细粒砂岩, 厚12.0～14.3 m。
(2) 支护方案。
根据地质资料, 通过理论计算及现场实际经验, 确定西区6#右四采区回风巷支护方案:顶锚杆采用Ø20 mm螺纹钢锚杆, 长2.4 m, 排距900 mm, 每排4根锚杆。帮锚杆采用Ø20 mm螺纹钢锚杆, 长2 m, 排距900 mm, 每排每帮3根锚杆。锚索选用Ø15.24 mm高强度低松弛钢绞线, 长6.3 m, 排距3～5 m, 理论破断力为260 kN。顶帮均铺网, 采用由Ø14 mm钢筋焊接而成的托梁。
(3) 支护效果。
新安煤矿在采用以上支护后, 掘进期间整条巷道未进行维修, 只在个别顶板破碎地方进行了加固。目前该采区通过回采已经经受了采动影响的考验, 巷道顶板下沉量及两帮移近量都很小, 取得了非常好的效果。
4结语
通过对锚索应力分布规律的研究, 利用开尔文问题的位移解, 可以知道内部锚固型锚固段所受拉力作用的相关应力分布规律, 与此同时来分析预应力锚索锚固段的受力特征及影响其锚固力的因素, 并提出合理的方法来优化锚固结构设计。预应力锚固技术中的预应力锚索改善了岩体不利的受力状态, 调动岩体的自身强度和提高岩体的自稳能力, 从而可大大减轻支护结构的自身质量、节省工程材料、缩短工期, 已经得到了广泛的应用。实践证明, 合理的锚索设计、锚索施工工艺的改进及监督手段的加强, 有效地控制了井下巷道的变形, 降低了巷道修护成本, 减少了巷道的返修率, 经济效益良好。
参考文献
[1]熊智彪, 王启云, 陈振富, 等.深基坑桩锚支护结构土层预应力锚索工作性能测试分析[J].安全与环境学报, 2008, 8 (4) :101-104.
[2]邱法维, 钱稼茹, 陈志鹏.结构抗震试验方法[M].北京:科学出版社, 2000.
[3]尤春安, 战玉宝.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24 (6) :925-928.
[4]刘伟平, 扶名福, 罗小艳.预应力锚索的非局部摩擦分析[J].煤田地质与勘探, 2009 (3) :41-44.
[5]朱焕春, 荣冠, 肖明等.张拉荷载下全长粘结锚杆工作机理试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21 (3) :379-384.
水电工程中预应力锚索的应用 篇9
关键词：水电工程预应力锚索
1工程概述及技术要求
1.1工程概述本工程电站厂房总体的布置要求，该电站厂区建筑面积2000，厂房后边坡1112～1172，设计开挖坡比1:0.3，开挖长度140m，导致厂房后边坡开挖控制范围大、边坡陡且高。厂房后边坡由第四系全新冲洪积层、崩坡积层、人工堆积和元古界黄水河群中部岩组上段、下部岩组、晋宁～澄江期第三期岩浆岩类、第四期花纲岩、震旦系灯影组、泥盆系上统、二迭系下统组成。为了避免厂房后边坡的跨塌对厂区工程施工、厂区建筑物的安全及将来电站运行管理造成的影响，采取可靠的处理是必要的。本工程采用先挂钢筋网喷砼封闭，再采用预应力锚索对边坡进行加强、加固的方案进行施工。
1.2技术要求
1.2.1在锚索施工过程中，严格按照设计要求及施工规范进行作业，为保证工程质量，对锚索配件质量及安装精度进行了全面的检查。
1.2.2锚索规格采用φ13 24mm、KSl270K钢绞线，锚固长度25m.
1.2.3重要的预应力工程应进行性能试验或生产性试验，以验证设计参数，完善施工工艺。
1.2.4预应力工程所用的材料和设备必须是合格的产品。
1.2.5在同一部位的预应力工程施工中，宜采用同一品种、型号、规格和同一生产工艺制作的预应力钢铰线，若需要代换预应力钢铰线，必须进行试验和论证。
1.2.6预应力锚索施工应按规定的工艺流程进行作业。
1.2.7预应力工程施工承重排架(含脚手架)，应根据现场的实际情况和设计载荷进行设计。
2预应力锚索施工
2.1造孔在锚索区采用5cm钢管搭设双排脚手架，钢管间排距为5~.x5cm,脚手架底脚钢管及横向钢管与山体通过φ25锚杆可靠连接，锚杆入岩深度1 m，外露0.5m，间排为3mx3m,梅花形布置.锚杆与脚手架焊牢。在钻孔位置铺设竹跳板，作为钻机及人员操作平台，竹跳板与脚手架用8号铅丝可靠绑扎连接，竹跳板在脚手架上不得滑动。造孔过程中应作好锚固段始末两处的岩粉采集，如在其它部位发现软弱岩层、出水、落钻等异常情况，也应随时作好采样记录，并及时报告监理工程师。
2.2预应力锚索的制作锚索的制作应在有防雨设施的加工厂完成，钢铰线下料前，将钢绞线放在平坦干净的水泥地面上或工作平台上，摊开理直，根据实际钻孔深度及锚具长度用钢尺丈量，砂轮切割.严禁电弧切割。下料切口两侧用20号铅丝绑扎.以免切割后切口松散(下料误差：-0，+10cm)。锚索体的长度等于锚头以里的长度加外露长度。外露长度包括撑脚高度、张拉千斤顶高度、工具锚板及工作锚板厚度与预留长度f一般为200mm)。对观测锚索尚应加上测力计高度。编束时一定要把钢绞线理顺后再进行绑扎。钢铰线下料或编束后如搁置时间较长，应采取临时防锈措施。内锚固段需组装成枣核状。量出内锚段的长度并作出标记，在此范围内穿对中隔离架，间距1m，两对中隔离架之间扎铅丝一道，内锚固段锚束分二层组装，隔离支架应能使钢绞线可靠分离，使每根钢绞线之间的净距≥5mm，且使隔离架处锚索体的注浆厚帽。
2.3锚索安装安装前应对锚索体进行详细检查，核对锚索编号与钻孔的孔号，并对损坏的配件进行修复和更换。推送锚索时用力要均匀一致，应防止在推送过程中损坏锚索配件。推送锚索时不得使锚索转动，在将锚索体推送至预定深度后，检查排气管和注浆管是否畅通，否则应拔出锚索体，排除故障后重新安装。
2.4混凝土锚墩施工混凝土锚墩施工需在内锚固段灌浆结束后方可进行外锚墩浇筑。在混凝土浇筑前需要清除锚头底部范围的松动岩块，承压钢板底部混凝土或水泥砂浆充填密实。
3施工中遇到的问题及解决方法
3.1伸长值的计算与影响因素测试结果表明，从预紧力到超张拉力，锚固体系两夹片的跟进量之和约为9—10mm，而短锚索总伸长值本身较小，夹片跟进量占锚索伸长值的比例相对较大，为此计算锚索实际伸长值时必须考虑夹片的跟进量，锚索实际伸长值应等于油缸伸长值减去夹片跟进量：
3.2锚夹具与钢铰线的配套问题经过分析认为是由于限位板与工作错板的间距过大，导致钢铰线锁定时，工作夹片未与钢铰线同步跟进，引起钢铰线回缩量加大。后经调整限位板的结构，使回缩量控制在厂家要求的6mm左右。无粘结钢铰线锚索刚开始施工时，由于未考虑到同规格(φ15.24mm)的有、无粘结两种钢铰线直径上的差异，仍旧使用原限位板，结果发现测力计测试力与千斤顶出力相差达30％左右，继续张拉，钢铰线相对伸长值又在理论计算范围之内。为分析原因测试了钢铰线的直径，并检查钢铰线伸长部分的刮痕情况和预紧伸长值。检查结果表明，无粘结钢铰线直径为15.24～15.60mm大于有粘结钢铰线，导致钢铰线伸长部分刮痕较严重：预紧伸长值偏小，则是由于限位板与工作锚板间距过小，使夹片与钢铰线磨擦过大引起的。经调整限位板的结构，更换限位板后，解决了问题。
3.3超张拉力的确定短锚索总伸长值小，锁定回缩量占伸长值的比例大，应力损失大，如泄水底孔水平次锚索长12m，达到超张拉力时，钢铰线理论伸长量为60mm，钢铰线回缩锁定应力损失达10％，而设计超张拉系数为1.05，因而锁定力无法达到设计张拉力。经研究对短锚索的超张拉系数进行了修改，最大超张拉系数提高到1.180另外张拉端工作夹片对钢铰线有一定的磨擦，该磨擦力也应考虑在超张拉之中，因此超张拉系数应根据锚索的长度和锚固体系回缩量来确定。
3.4切割原设计要求对多余的钢铰线采用机械法切割，由于高空作业难度大，经设计、监理、施工共同对泄水底孔水平次锚索N10(安装有测力计)进行气割试验，试验结果表明，测力计测试温度仅上升0.3℃，预应力无损失，为此决定多余的钢铰线距锚垫板面40cm处采用气割法进行切割。
4质量控制
4.1所有材料特别是锚索专用材料必须进场试验验收合格后方可使用。
4.2严格按照有关规范及设计文件施工。
4.3钻进过程中一般采取干钻，防止水渗透至滑层加重对滑坡体的影响和钻渣粘结孔壁造成砂浆锚固力下降，特殊情况必须用水的，宜严格控制用水量，加强清孔。
4.4为保证锚固段长度和防止清碴不彻底，所有钻孔深度应超钻0.5m。
4.5锚索注浆必须是从注浆管孔底反向一次性连续注浆，如注浆出现间隔，必须采取措施，严禁从孔口注浆至锚固段。
4.6锚索注浆在砂浆强度达成终凝前严禁扰动锚索。
4.7保证垫墩背面地基有足够承载力。
4.8保证锚索受力方向为直线。
4.9张拉设备使用前必须经过标定，若长时间不用或经过长途运输，必须重新标定。
4.10锚索加工严禁使用电焊焊接截断钢绞线，严禁用铅丝绑扎钢绞线。
5总结
新型耗能锚索准静态耗能分析 篇10
李荣富等[1]借助有限元软 件对耐压鞍形舱壁结构在爆炸冲击载荷作用 下的弹塑 性动力屈 曲进行了 研究 。 Kar agi ozova[2]用ABAQRS/Exp licit模拟了应力波效应对弹塑性圆柱壳动力塑性屈曲和渐进屈曲的影响,结果表明, 冲击速度对 屈曲的跃迁有 大的影响 , 材料特性和惯性效应对屈曲模态的形成有重大影响。 王安稳[3]在对轴向阶梯载荷下圆柱壳的非轴对称动力屈曲研究中, 将临界应力和屈曲惯性指数作为双特征参数求解, 用Galerkin方法求解失稳控制方程, 得出包含双特征参数的 代数特征 值问题 。 Rat hod和Rao[4]基于极限平衡和有限元分析探讨了印度Subansiri Lower水电站岩 质边坡可靠度。Park等[5]采用点估计法分析了韩国Gunwi- gun大坝岩质边坡稳定可靠度。 许强等[6]采用底摩擦试验研究了锦屏一级水电站左岸坝肩边坡开挖过程中的变形破坏模式, 通过有限差分强度折减法分析了不同工况下工程边坡稳定性。
该文运用 有限元法 进行数值 分析, 对岩质边坡采用新型耗能锚索受力破坏进行了耗能研究, 为边坡防护提供理论和技术支持。
1建模及计算
1.1问题描述
在边坡和深基坑工程中, 为了平衡应力 卸荷造成 岩体和土 体的破坏 , 很多工程 中采用锚 杆和土钉 支护 。 但在岩体 受到大的 作用力如 地震等荷 载 , 普通的锚 杆和土钉 结构不能 满足要求 。 为此 , 该文采用 新型耗能 锚索结构。
1.2数值建模
抗拔模型长4 m,宽4 m,高20 m, 混凝土嵌固端长1 0 m, 底部由钢管组成,钢管底部由刚性板与钢管底部粘结, 一根锚杆底与钢板连接, 锚杆在拉力作用下,钢管屈曲,以上是直径1 0 cm,壁厚分别是1 、3、5、7、9 mm( 图1) 。
1.3材料参数
模型采用的微观参数: 耗能器直径1 00 mm; 高400 MPa; 壁厚25 mm; 弹性模量0.3 GPa; 泊松比2 65 kg/m3。
岩石弹塑性采用D- P模型, 密度 ρ= 2 400 kg/m3, 弹性模量E=9 Gpa, 泊松比 μ=0.25,c=3.5 Mpa,φ=33;壳体选取S4R单元, 厚度方向取3个积分点以 显示壳体 的塑性弯 曲应力分 布。 底板采用刚体模型,选用4节点的四面体单元R3D4 。 圆柱壳的下端约束条件为固支,上端为冲击端,其约束条件为自由。 刚体与柱的接触采用单面自动接触。
2结果与分析
图2是总的外力,当外力小于452 k N时 ,线性增长 ;当大于452 k N时 ,开始进入塑 性区 ;之后 ,缓慢增长硬 化 , 近似弧形到最大,再减小,力迅速见效到最小,又迅速增大到最大。
图3和大致图形一致 , 不同的是前面弹性段斜率很大 , 转折点前位移很小 。
图4给出了锚索受力和变形图 , 由于假设锚索是完全弹性 , 曲线是一条直线 , 中间有回弹 。
图5给出了桩荷载和位移的关系图 , 开始近似荷载随位移线性增长到最大 , 之后随位移减小而减小 , 出现回弹 , 但并未沿着原来的线 , 说明岩石弹塑性的本构关系 , 有一部分变形不能回复 , 是塑性变形部分 , 回复的部分是弹性变形部分 。
图6给出了耗 能器耗能 过程分析 , 开始近似线性增长到最大 , 之后出现波动 , 随后继续继续增大 。
图7是锚索耗能图 , 锚索储存势能变化图和圆管力和位移图近似 。
3结论
通过对新 型耗能锚 索模拟分 析结果表明:
( 1) 新型耗能锚索能够在地震等大的作用力下,耗散大量能量。
( 2) 耗能器耗 能占了总 能量的主 要部分 , 可通过耗 能器本身 的耗能破 坏 , 来保证整 个岩体支 护结构的 稳定性 。