摘要
柔性注压锚杆是一种结构新颖和锚固机理独特的新型锚杆,能主动适应围岩运动、便于检测锚杆内腔的压力并通过内腔压力的变化来监测矿压的变化、锚杆重量轻、容易实现锚杆的回收复用等优点。但其作用机制即作用规律和理论分析方法却不甚明确。因此,开展该课题的研究具有重要的理论意义及实用价值。
作者通过理论分析、数值模拟计算、实验室模拟分析及现场实测分析等手段,对柔性注压锚杆这一新型锚杆的锚固特性进行研究和探讨,取得了一些有意义的研究成果和结论。
将材料简化为线弹性体,应用弹性理论,给出了柔性注压锚杆杆体以及围岩的应力场和位移场的解析解。并在此基础上应用强度理论,假定锚杆盲端围岩具有足够的阻抗拉拔力以防锚杆被拉出锚孔,给出锚杆的最大许用拉拔荷载将由钢丝强度、杆体高分子材料强度和钢丝与杆体高分子材料之间的剪切强度三个方面来确定。
忽略锚杆端面效应,将锚杆体与围岩的接触分析简化为平面应变的二维问题。建立二维接触问题有限元计算模型,研究了锚杆锚固系统主要参数对锚杆锚固效果的影响规律,给出柔性注压锚杆锚固系统的最优化状态:高强度钢丝应置于锚杆壁厚中间或稍偏外壁处;锚杆壁厚有一个合理的取值;合理选择钢丝根数和截面;一定的锚杆结构参数有其适用围岩材料范围等。从而为该新型锚杆的设计、制造以及应用提供依据。
建立锚杆锚固系统三维有限元计算模型,对锚杆锚固段接触应力分布规律进行数值模拟。提出锚杆锚固段阻抗摩擦应力曲线,可以通过在锚固段锚头端设置一定的位移值这种二次加载方式而得到。并将锚杆锚固段纵向阻抗摩擦应力曲线命名为三个阶段:应力波浪段,应力平台段和应力速降段。
通过地面试验和井下现场试验,对柔性注压锚杆的实验装置、试验方案、锚杆结构、锚杆抗拉拔载荷等进行了多方面的考核与验证,获得获得了满意的结果。将试验拉拔荷载同理论结果和数值计算结果进行分析比较,得出理论值与数值计算值两条线是近似平行的直线,这一定程度的相互认证了理论计算与数值计算的正确性;将摩擦系数看成是常数以及将材料简化为线弹性会引起试验值、理论值和数值计算值之间一定的结果偏差。
对柔性注压锚杆群的锚固特性进行分析讨论,并以平顶巷道顶板柔性注压锚杆群锚固作用为例得出:锚杆群中每根锚杆横向影响范围都是局部的;群锚杆布控具有明显的纵向影响;顶板垂直位移对水平地应力的变化不够敏感,但对上覆层压应力的变化却非常敏感。
Flexible pressurized anchor is a kind of new anchor which has new structure and unique anchoring mechanism. It can actively adapt for the motion of adjacent rock, facilitate the detection of anchor inner cavity pressure and monitor the change of mine pressure through the change of inner cavity pressure、the weight of anchor is light and it is easy to achieve recycling reuse of anchor. But its mechanism of action including the role of law and the methods of theoretical analysis is not clear and defined. Therefore, it has important theoretical significance and practical value to study the subject.
The author has researched and explored anchorage properties of the new type of flexible pressurized anchor by the methods of theoretical analysis、numerical simulation、laboratory simulation analysis and field measurement analysis and has made some meaningful research results and conclusions.
The material is simplified as linear elastic material body, applied elasticity theory, given the analytic solutions of stress field and displacement field for the flexible pressurized anchor rod and adjacent rock. And applied strength theory on this basis, assumed that blind-side rock bolt has sufficient resistant pullout force in case that the anchor bolt can be pulled out of anchor bolt hole, Given the maximum allowable pullout load of anchor which is determined by the strength of steel wire、the strength of rod polymer material and the interfacial shear strength between steel wire and rod polymer material.
Ignore effects of Interfacial anchor,simplify analysis of contact anchor bolt body with rock to two-dimensional plane strain problem. Establish finite element model for two-dimensional contact problem, study the regulation of the main parameters of anchor bolt anchorage system for bolt anchoring effect. Give the optimum condition of anchorage system of Flexible pressurized anchor: there is a reasonable value of anchor wall; a reasonable choice of wire number and cross-section of the wire; some structural parameters of anchor bolt and its scope of application of rock material and so on. Thereby, provide the basis for the design, manufacture and application of the new anchor.
Establish three-dimensional finite element model for anchor anchorage system, carry out numerical simulation for contact stress distribution of anchor anchorage section. Anti-friction stress curve of anchor anchorage section can be obtained by setting a certain displacement value on the head-end of anchor anchorage section, which is a secondary loading way. And the vertical curve is divided into three stages: Stress wave segment, stress plateau segment and stress downhill section.
Assess and verify many aspects of flexible pressurized anchor through ground test and under shaft field test, such as experimental installation、testing program、anchor structure and anti-pullout anchor load and so on, and obtain satisfactory results. Compare the values of experimental pullout load with theoretical results and numerical analysis and come to the result that the line of theoretical values and line of the values of numerical calculation are two approximate parallel straight lines. And the result certifies the accuracy of theoretical calculation and numerical calculation in a certain degree; that coefficient of friction is considered as a constant and simplified as linear elastic material lead to a certain deviation caused by experimental values, theoretical and numerical values.
The analysis and discussion on the characteristics of flexible pressurized anchor group and the anchoring effect of the flexible pressurized anchor group of flat tunnel roof show that : the horizontal effect of each anchor of anchor bolt groups is partial; the layout of anchor group has a obvious vertical effect ;the change of the vertical displacement of roof to the level stress is not enough sensitive while to the change in stress of the overlying strata is very sensitive.
引文
[1]陈炎光,陆士良,候朝炯等.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994年.
[2]杨双锁,康立勋.煤矿巷道锚杆支护研究的总结与展望[J].太原理工大学学报,2002年,33(4):376-381.
[3]王永岩.软岩巷道变形与压力分析控制及预测.博士学位论文,辽宁工程技术大学,2001年.
[4]赵光思等.800m深井三软煤巷锚杆支护试验研究.煤,2001年,10(1)26-28.
[5]王胜利,程海平等.9号煤回采巷道锚杆支护技术.煤矿开采,2001年,45(3):29-30.
[6]王珏,许帮华.半煤岩巷道锚杆支护方式选择及应用.煤矿开采,2001年,42(1):38-41.
[7]李玉祥,王强.大断面煤巷锚杆支护技术.矿山压力与顶板管理,2002年第4期:10-12.
[8]候朝炯,柏建彪等.困难复杂条件下的煤巷锚杆支护.岩土工程学报23(1):84-88.
[9]武增荣.煤巷锚杆(索)支护在煤峪口矿的应用.科技情报开发与经济。2005年,15(12):263-264.
[10]修作量.浅谈煤巷锚杆支护技术的现状与发展.煤矿开采,1996年,(2):3-6.
[11]王焕文,王继良.锚喷支护[M].北京:煤炭工业出版社,1988年,48-79.
[12]煤炭工业部锚杆支护技术考察团.锚杆加固技术的新进展:赴澳大利亚技术考察报告.东北煤炭技术,1993,NO.4,15-19.
[13]郭颂.美国煤巷锚杆支护技术概况[J],北京:煤炭科学技术,1998年,26(4):50-54.
[14]谭云亮,刘传孝.巷道围岩稳定性预测与控制[M].北京:中国矿业大学出版社,1999年.
[15]于先富,阎石.回采巷道锚杆支护设计[J].煤炭技术,2008年,27(2):48-50.
[16]陈庆敏,郭颂,张农.煤巷锚杆支护新理论与设计方法[J]矿山压力与顶板管理2002第一期12-15
[17]伊藤福夫.锚杆支护现状及其存在的问题.锚杆支护.煤炭工业出版社.1976,1-58.
[18]杨新安.软岩巷道锚注支护机理与技术研究.中国矿业大学博士学位论文.1996年.
[19]朱浮声编著.锚喷加固设计方法.冶金工业出版社.1993.9,105-155.
[20]王泽进,鞠文君。我国锚杆支护技术的新进展[J]。煤炭科学技术,2000年9月:4-6
[21] P.O Grady,P.Fuller,P.Dight.Cable Bolting in Australian Coal Mines Current Practice and Design Considerationgs[J],Mine Engineer,1994年.
[22] S.S.Peng. Coal Mine Ground Control[M],John Wiley&Sons,Inc,New York.1978年.
[23] Schach R,K Garshol, A M Heltzen.Rock Bolting-A Practical Handbook[M], Pergmon Press,1979年.
[24] Zou Xi-zheng,Hou chao-jiong. The Classification of the Surrounds of Coal Mining Roadways[J], Journal of Coal Science and Engineering.1996年2(2):55-57.
[25]候朝炯,郭励生等..煤巷锚杆支护[M].徐州:中国矿业大学出版社.1999年.
[26]刘玉泉,韩宝东等.锚杆支护理论浅析.煤炭技术,2003年22(12).
[27]刘福春.锚杆支护作用原理与实践应用.西部探矿工程,2003年11月:25-28.
[28]孙恒,王梦絮等.岩体锚固系统的作用机理认识.西部探矿工程,2002年第3期.
[29]程良奎,张作湄等.岩土加固实用技术[M],地震出版社,1994年.
[30]代青文,罗军.锚杆应用及加固机理研究综述[J].水利水电科技进展,1997年,17(1):29-33.
[31]王志宏,刘雨田.不同锚固方式锚杆受力机制与性能特征[J].矿冶工程,1994年,14(2):17-20.
[32]许明,张永兴等.砂浆锚杆的锚固及失效机理研究[J].重庆建筑大学学报,2001年,23(6):10-15.
[33]杨双锁,张百胜.锚杆对岩土体作用的力学本质[J].岩土力学,2003年,24(增):279-282.
[34]候朝炯,勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报,2000年,19(3):342-345.
[35]陈少峰,唐德高等.锚杆锚固机理试验研究[J].建筑技术开发,2003年,30(4):21-23.
[36]王永岩,卢灿东,张选利等.锚杆分类及其特性分析与比较,煤矿安全,2007,38(8):63-66.
[37]张乐文,刘传波.新型锚杆及岩土锚固新技术,公路交通科技,2004,21(7):26-29.
[38] Noel T.Brewer, Gretchen B.Chapman, The fragile basic anchoring effect, Journal of Behavioral Decision Making, January 2002, Volume 15, Issue 1: 65-77.
[39] Rolf Eligehausen, Werner Fuchs, Thomas M Sippel, Anchorage to concrete, Progress in Structural Engineering and Materials, July 1998, Volume 1, Issue 4: 392-403.
[40]韩军,丁秀丽等.岩土锚固技术的新进展.长江科学院院报,2001年,18(5):65-69.
[41]代青文,罗军.锚杆应用及加固机理研究综述[J].水利水电科技进展,1997年,17(1):29-33.
[42]程良奎.深基坑支护的进展[C].岩土锚杆新技术论文集,北京:人民交通出版社,1998年.
[43]程良奎.单孔复合锚固法的机理与实践[A].工业建筑,2001年,31(5):35-39.
[44]王文才.快硬水泥锚杆的研究与应用.中国矿业,1999年第8卷第6期:42-45.
[45]唐保付等.二次高压灌浆提高土锚承法力机理研究[C].岩土锚固新技术论文集.北京:人民交通出版社,1998年.
[46]郭汉.锚杆劈裂注浆试验研究[J].煤炭学报,1999年,24(5):471-476.
[47]胡建林.可重复高压灌浆土层锚杆.岩土工程学报,1998年,20(1):56-59.
[48] T F Herbst. Removable Ground Anchors-answer for Urban Excavations[C]. London:Ground Anchorages and Anchored Structures,1997.
[49]侯志鹰,巩文胜.ML螺旋式可回收锚杆技术研究.同煤科技,2003年12月,98(4):20-21.
[50]王永生.机械式可回收锚杆及支护机理分析.煤炭科学技术,2003年12月,31(12):48-50.
[51]张金钟,胡成忠.塑料涨壳式可回收锚杆的应用.矿山压力与顶板管理,2004年第4期:81-82.
[52]冯梅梅,茅献彪.机械式可回收锚杆支护效果分析.矿山压力与顶板管理,2005年第4期:14-17.
[53]林登阁,韩立军,易恭猷.注浆锚杆支护设计与应用.建井技术,1996年第4期:45-48.
[54]陈庆敏,郝玉龙.锚杆注浆加固技术及其应用.煤矿现代化,1998年第4期:24-25.
[55]陈庆敏,郝玉龙.内锚外注式新型锚杆及其应用.矿山压力与顶板管理,1998年第2期:62-64.
[56]郜进海,靳文学.煤巷巷帮支护的一种新形式.太原理工大学学报,2000年3月,31(2):110-113.
[57]高丹盈,张钢琴.纤维增强塑料锚杆锚固性能的数值分析.岩石力学与工程学报,24(20):3724-3729.
[58]刘汉东,于新政等.GFRP锚杆拉伸力学性能试验研究.岩石力学于工程学报,2005年10月,24(20):3719-3723.
[59] A D Barley. The Single Bore Multiple Anchor System[C]. London: Ground Anchorages and AnchoredStructure,1997.
[60]邬爱清,韩军,罗超文,程良奎.单孔复合型锚杆锚固体应力分布特征研究.岩石力学与工程学报,2004年,23(2):247-251.
[61]周涛,程发祥,曾庆华.螺旋锚杆在沿空煤巷支护应用.山东煤炭科技,2003年2期:37-39.
[62]韩延国.左螺旋树脂锚杆的应用.山西焦煤科技,2003年第1期:37-38.
[63]胡云飞,张茂生.螺旋锚杆的工业性试验及应用前景.陕西煤炭,2005年第8期:35-36.
[64]冶金建筑研究院.分散压力型(可拆芯式)锚杆的研究与应用[R].北京:冶金建筑研究院,1999年.
[65]范景伦,曹虹.压力分散型锚杆技术。建筑技术开发,2001年1月,28(1):7-12.
[66]林文泽,郭正群.浅谈深圳市笔架山公园山体滑坡的治理.山西建筑,2005年9月,31(17):95-96.
[67]陈荣.一种新型的岩石加固锚杆—砂固结内锚头预应力应力锚杆的试验及机理论研究[D].中国科学院武汉岩土力学研究所,1998.
[68]张乐文,汪稔.岩土锚固理论研究现状[J].岩土力学,2002,23(5):627–631.
[69]程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报,2001, 34 (3): 7-16.
[70]孙钧.中国岩土工程锚固技术的应用与发展[A].熊厚金主编.国际岩土锚固与灌浆新进展[C].北京:中国建筑工业出版社, 1996. 27-32.
[71]程良奎.我国岩土锚固技术的现状与发展[A].岩土工程中的锚固技术[C],北京:地震出版社,1992.
[72]耿卫红,罗春华.土锚固工程技术及其应用.探矿工程,1997年第4期:8-10.
[73]张季如,唐保付.锚杆传递机理分析的双曲函数模型.岩土工程学报,2002年第2期:188-192.
[74]宋振骐,王威强,陈中合等.柔性注压锚杆:中国,N200320107130.2[P],2005-11-2.
[75]王威强,陈中合,颜建成等.环向限延伸柔性注压锚杆:中国,CN200610044390.8[P],2006-4-2.
[76]陈中合,王威强,张乐文等.全长锚固柔性注压锚杆锚固力分析,煤炭科学技术,2006,34(2):72-75.
[77]陈中合,王威强,张乐文等.柔性注压锚杆锚固机理分析.辽宁工程技术大学学报,2006,25(5):699-701.
[78]陈荣杨树斌苏学贵李成伟.新型锚杆及其合理性探讨.建井技术,1996(4):25～27.
[79]陈荣杨树斌,吴新生等.伟砂固结预应力锚杆的室内试验及锚固机理分析.岩土工程学报2000,22(2):235～237.
[80]李相钦.水力膨胀式锚杆的应用.建井技术2001,22(2):6～8.
[81]赵景明.几种先进的新型锚杆技术.城市勘测,1994年第02期.
[82]陈中合.柔性注压锚杆及其锚固与失效研究.山东大学博士学位论文.2006年.
[83]徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,1990年.
[84]陈火红,Marc有限元实例分析教程,北京:机械工业出版社,2000.
[85]张铜生,张富德.简明有限元法及其应用.北京:地震出版社,1990.8.
[86]何君毅,林祥都.工程结构非线形问题的数值解法.北京:国防工业出版社,1994年.
[87]孟凡中.弹塑性有限变形理论和有限元法.北京:清华大学出版,1984.
[88] LAN Yu,ZHANG Lian—jie。Large finite element analysis software ANSYS[J],Application of science and technology,2000,(6):ll—l5.
[89] YE Xian lei(叶先磊),SHI Ya jie(史亚杰),ANSYS工程分析软件应用实例[M],北京:清华大学出版社,2003年.
[90] GUO Hal ying,Abstract of large finite element analyse software ANSYS and application[J],Wirele~communication technique,1996,22(5):51—55.
[91]叶先磊.ANSYS工程分析软件应用实例.北京:清华大学出版社,2003年.
[92]岳彩虹.柔性注压锚杆结构参数与围岩压力对锚固系统影响的研究.[学位论文]山东青岛:青岛科技大学:2009.05.
[93] Lutz L. Gergeley p. Mechanics of band and slip of deformed bars in concrete[J],Journal of American Concrete Institute.1967, 64 (11): 711-721.
[94] Hansor,N.W. Influence of surface roughness of prestressing strand on band performance[J], Journal of Prestressed Concrete Institute.1969, 14 (1): 32-45.
[95] Goto, Y., Cracks formed in concrete around deformed tension bars[J],Journal of American Concrete Institute, 1971, 68 (4): 244-251.
[96]汉纳T H.锚固技术在岩土工程中的应用[M].胡定译.北京:中国建筑工业出版社,1986年.(Hanna T H. Application of Anchoring Technique in Geotechnical Engineering[M]. Translated by Hu Ding. Beijing:China Architecture and Building Press,1986.(in Chinese))
[97] Stillborg B. Experimental investigation of steel cables for rock reinforcement in hard rock [Doctoral thesis D]. Sweden: Lulea University of Technology, 1984.
[98] Nakakyama, M. Beaudoin,B. B. A novel technique determining bond strength developed between cement paste and steel[J].Cement and Concrete Research. 1987, 22 (3): 478-488.
[99] Goris, J. M. and Conway, J. P. Grouted flexible tendons and scaling Investigations[A]. Proceeding of the 13thWorld Mining Congress[C]. Sweden: Published by Rotterdam, Balkena, 1987.
[100] Hyett A J, Bawden W F and Reichert R D. The effect of rock mass confinement on the bond strength of fully grouted cable bolts[J]. Int. J,Rock Mech. Min. Sic. And Genomic. Abstr. 1992, 29(5): 503-524.
[101]程良奎,胡建林.土层锚杆的几个力学问题[A].中国岩土锚固工程协会主编.岩土工程中的锚固技术[C].北京:人民交通出版社,1996.
[102]高永涛,吴顺川,孙金海.预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用[J].北京科技大学学报,2002,24(4):387–390.
[103]张友葩,高永涛,吴顺川.预应力锚杆锚固段长度的研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(6):980–986.
[104]尤春安.全长粘结式锚杆的受力分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):339–341.
[105]尤春安.压力型锚索锚固段的受力分析[J].岩土工程学报,2004,26(6):828–831.
[106]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.
[107]尤春安,高明,张利民等.锚固体应力分布的试验研究[J].岩土力学,2004,25(Z):63–66.
[108]曹国金,姜弘道,熊红梅.一种确定拉力型锚杆支护长度的方法[J].岩石力学与工程学报, 2003,22(7):1141-1144.
[109]吕吕国,李同生.载荷对丁载橡胶摩擦学特性的影响[J].密封与润滑,2001年第6期29-30.
[110]王贵一.橡胶的摩擦及试验[J].特种橡胶制品.2000年,21(3):55-62.
[111]卢灿东.柔性注压锚杆结构参数与锚固性能分析研究.[学位论文]山东青岛:青岛科技大学: 2007.05.
[112]赵汝嘉,数字化手册编委会.机械设计手册-(软件版V3.0)[M].北京:机械工业出版社.
[113] Yow J.L., Hunt J.R, Coupled processes in rock mass performance with emphasis on nuclear waste isolation [J]. Int.J.Rock.Mech.Min.Sic. 2002, 39(1):1-7.
[114] Fei Cai, Keizo Ugai, Reinforcing mechanism of anchors in slopes: a numerical comparison of results of LEM and FEM,International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, June 2003, Volume 27, Issue 7: 549-564.
[115] A. P. S. Selvaduraim, The axial loading of a rigid circular anchor plate embedded in an elastic half-space, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, May 1993, Volume 17, Issue 5: 343-353
[116]张选利,王威强,王永岩.柔性注压锚杆应力及许用拉拔荷载的确定.青岛大学学报(工程技术版)2008,23(1):83-87.
[117]张选利,王永岩,王威强.柔性注压锚杆结构优化有限元分析.西安科技大学学报2009,29(6):707-711.