树脂锚杆锚固质量和杆体变形特征研究.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 树脂锚杆锚固质量和杆体变形特征研究树脂锚杆锚固质量和杆体变形特征研究 Study on Anchoring Quality and Rebar Deation Characteristics of Resin Bolts 研研 究究 生生 王子越王子越 导导 师师 康红普康红普 研究员研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道支护巷道支护 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 3 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 本文针对煤矿巷道锚杆支护树脂锚固剂使用过程中存在的搅拌过度、钻孔 过大等问题，进行了锚固质量实验室试验，分析了搅拌时间、锚固剂环形厚度 和不同杆体外形对锚固质量的影响，试验得出在使用中速锚固剂、锚固段长 为125mm条件下， 合理的搅拌时间为2.515s； 锚固剂环形合理厚度为34mm； 左旋无纵筋锚杆锚固质量最佳。 在井下选择典型的大变形巷道，在巷道维修过程中，揭露和观测了锚杆杆 体的变形与破坏形态；采用数值模拟软件 FLAC3D对锚杆变形特征和机理进行 了模拟分析，得出岩层层理面的横向错动致使锚杆杆体在层理面附近产生明 显剪切弯曲变形，并使锚杆受到集中剪切载荷作用；在此基础上，对围岩结构 与强度，锚杆预紧力，锚固方式及锚杆索联合支护对杆体变形的影响进行了分 析，得出弱结构面，结构面上下岩层强度相差较大且薄弱岩层位于结构面下 方时，结构面最易产生错动；全长锚固、锚杆索联合支护、高预紧力支护都可 有效减小锚杆变形。 关键词关键词锚杆支护；锚固质量；杆体变形；数值模拟；变形机理；影响因素； 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract In order to solve the problems when using resin anchoring agent in coal mine roadways, like excessive stir, oversize holes etc, tests on anchoring quality have been conducted in the laboratory, the effects of stirring time, circular thickness of anchoring agent, and different rebar shapes have been analyzed on anchoring quality. When using medium-speed anchoring agent and the length of anchorage part is 125mm, conclusions are drawn that appropriate mixing time is 2.515s, circular thickness of anchoring agent should be 34mm, and left-handed anchoring bolt without longitudinal reinforcement anchors best. This study chooses tipical roadways with large deation as the subjects, observes deation shape of exposed bolts by side cutting and roof cutting. On site bolts’ deation feature and mechanism of the above two are analyzed by FLAC3D, a numerical modeling software. Conclusions are drawn that transverse diastrophism of bed plane will cause obvious shear deation of bolts, and rts concentrated shear load on bolts. On this basis, the effects of surrounding rock structures and strength, pretension force value of bolts, approach of anchoring, combination support of bolts and cables, have been analyzed on bolt deation. The results suggest that joint surface is the most liable to diastrophism when the strength of rock stratums differs much and the weak one located below; the deation can be effectively reduced by full length anchoring, combination support of bolts and cables and high pretension force support. Key words Bolt support;Anchoring quality;Rebar Deation;Numerical simul ation,Deation mechanism;Influence factor; 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 .................................................................. 1 1.1 研究意义 .................................................... 1 1.2 研究现状 .................................................... 2 1.2.1 树脂锚固剂锚固质量研究现状 ............................ 2 1.2.2 锚杆杆体变形研究现状 .................................. 7 1.3 存在问题 ................................................... 12 1.4 主要研究内容 ............................................... 12 1.5 研究方法和技术路线 ......................................... 13 2 树脂锚固剂锚固质量试验 ............................................... 15 2.1 试验简介 ................................................... 15 2.1.1 试验设备及仪器 ....................................... 15 2.1.2 试验步骤 ............................................. 18 2.2 试验结果 ................................................... 19 2.2.1 搅拌时间试验 ......................................... 19 2.2.2 锚固剂环形厚度 ....................................... 22 2.2.3 不同杆体外形 ......................................... 25 2.3 试验分析 ................................................... 27 2.4 本章小结 ................................................... 28 3 单根锚杆轴向和横向载荷作用下变形特征分析 ............................. 29 3.1 锚杆轴向伸长变形 δn与轴向拉拔载荷 σb0关系推导 .............. 29 3.2 锚杆剪切变形 δt与横向剪切载荷 T 关系推导 .................... 32 3.3 节理岩体锚杆支护理论模型 ................................... 34 3.3.1 端锚与全长锚固锚固约束节理面法向张开作用对比分析 ..... 34 3.3.2 端锚与全长锚固抗剪能力对比分析 ....................... 37 3.3.3 端锚与全长锚固抗弯能力对比分析 ....................... 39 3.3.4 两种锚固方式对节理岩体支护效果比较 ................... 39 3.4 本章小结 ................................................... 40 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 4 巷道锚杆现场取样分析 ................................................. 42 4.1 现场锚杆整体变形特征分析 ................................... 42 4.1.1 长平矿 41072 巷地质生产条件 ........................... 42 4.1.2 长平矿 41072 巷顶板锚杆变形特征分析 ................... 44 4.1.3 赵庄矿 1306 工作面回风巷 1 横贯地质生产条件 ............ 45 4.1.4 赵庄矿 1306 工作面回风巷 1 横贯两帮锚杆变形特征分析 .... 46 4.2 锚杆变形机理及锚杆围岩相互作用关系分析 ..................... 47 4.2.1 长平矿顶板锚杆变形机理及锚杆围岩相互作用关系分析 ..... 47 4.2.2 赵庄矿两帮锚杆变形机理及锚杆围岩相互作用关系分析 ..... 48 4.2.3 锚杆变形特征小结 ..................................... 49 4.3 锚杆支护作用分析 ........................................... 50 4.3.1 锚杆支护作用研究现状 ................................. 50 4.3.2 长平矿顶板锚杆支护作用分析 ........................... 52 4.3.3 赵庄矿顶板锚杆支护作用分析 ........................... 52 4.4 本章小结 ................................................... 52 5 锚杆整体变形规律的数值模拟研究 ....................................... 54 5.1 数值模型 ................................................... 54 5.1.1pile 单元说明 ......................................... 54 5.1.2 锚杆预紧力施加 ....................................... 55 5.1.3 计算时序 ............................................. 56 5.2 长平矿 41072 巷锚杆变形模拟 ................................. 56 5.2.1 模型说明 ............................................. 56 5.2.2 模拟结果 ............................................. 57 5.2.3 长平矿 41072 巷顶板杆体变形机理分析 ................... 59 5.3 赵庄矿 1306 工作面回风巷 1 横贯锚杆变形模拟 .................. 60 5.3.1 模型说明 ............................................. 60 5.3.2 模拟结果 ............................................. 61 5.3.3 赵庄矿 1306 工作面回风巷 1横贯锚杆变形机理分析........ 63 5.4 本章小结 ................................................... 63 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III 6 杆体变形影响因素分析 ................................................. 64 6.1 围岩强度、结构和结构面强度对杆体变形影响 ................... 64 6.1.1 试验Ⅰ模拟结果 ....................................... 64 6.1.2 试验Ⅱ模拟结果 ....................................... 65 6.1.3 试验Ⅲ模拟结果 ....................................... 66 6.1.4 试验Ⅳ模拟结果 ....................................... 67 6.2 预紧力值对杆体变形影响 ..................................... 68 6.2.1 模型介绍 ............................................. 68 6.2.2 模拟结果 ............................................. 69 6.3 全长锚固、锚杆索联合支护对杆体变形影响 ..................... 78 6.3.1 模拟结果 ............................................. 78 6.4 本章小结 ................................................... 86 7 主要结论与展望 ....................................................... 88 7.1 主要结论 ................................................... 88 7.2 展望 ....................................................... 89 参考文献 .............................................................. 90 致 谢 ................................................................ 94 附 录 ................................................................ 95 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 研究研究意义意义 巷道支护是煤炭开采中的一项关键技术，安全、经济、高效的巷道支护技术是实 现矿井高产高效的必备条件[1]。 近年来， 锚杆支护成为我国煤矿巷道的主要支护方式， 其特点是施工快捷、支护效果好、成本低。目前，高强度、高预紧力锚杆支护成套技 术[2]已在国内外得到普遍应用，取得了巨大的技术经济效益和社会效益[3-6]。 树脂锚固剂在锚杆支护系统中起着十分重要的作用，也取得了长足的发展[7-9]。 树脂锚固剂一般由聚合物树脂、高强填料、固化剂、促进剂及各种助剂组成，其粘结 强度大、固化快、安全可靠性高[10]，已广泛应用于煤巷锚杆支护。国内外研究学者通 过实验室试验、理论分析和数值模拟[11-13]等研究方式对树脂锚固剂的锚固机理、锚固 性能和锚固质量影响因素进行了比较详尽的分析。但是，随着煤矿开采深度、广度和 强度的不断增加， 出现了极破碎围岩和顶板淋水等难以锚固的巷道， 再加上现场对 “三 径匹配” 、安装方法和搅拌时间等掌握不当，往往会出现锚固力不足、 “手套效应”和 固化缺陷等锚固质量问题，影响巷道支护效果。 锚杆杆体是锚杆支护系统主要的承载构件， 杆体的变形规律是锚杆支护机理的重 要组成部分， 是支护参数合理确定的基础。 由于岩层的错动和离层， 杆体往往处于拉、 剪、弯、扭组合变形状态。国内外的研究学者对杆体的变形规律进行了大量的定性或 定量的分析工作，包括实验室研究[14-20]和理论探讨[21-23]等。尤其是上世纪 80 年代以 来， 随着计算机的发展， 各种数值模拟方法[24]也在杆体变形规律的研究中得到广泛应 用。但是，由于杆体变形的复杂性和多样性，上述研究很难从整体上对杆体变形规律 进行与实际情况比较相符的描述。 锚杆支护是一项 “隐蔽性”工程，树脂锚固剂的锚固质量和锚杆的变形不能直 接观测，目前对锚固质量和锚杆变形研究大多集中于实验室试验、理论探讨和数值模 拟方面。由于煤矿巷道地质条件的复杂性、多变性和不确定性，以上研究得出的理论 和成果现场实际应用往往会有一定偏差， 因此应该详细了解现场树脂锚固剂锚固质量 存在的问题以及锚杆杆体变形的形态规律，只有掌握了这些规律，才能在如何提高、 改善锚固质量上做到对症下药，也才能通过理论分析、数值模拟及相似模拟等手段， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 不断丰富、完善锚杆支护机理，进而指导实践。如果脱离了锚固质量和杆体变形规律 的现场特征研究，其他的研究都是“纸上谈兵” 。 因此， 本文在详细调查井下锚固质量问题和杆体变形形式的基础上开展树脂锚杆 锚固质量及杆体变形特征研究，以期丰富锚杆支护理论，为支护参数的合理确定提供 依据，改善施工质量，提高支护效果，保证巷道安全。 1.2 研究现状研究现状 1.2.1 树脂锚固剂锚固质量研究现状树脂锚固剂锚固质量研究现状 目前矿用树脂锚固剂主要为不饱和聚酯树脂型锚固剂， 不饱和聚酯树脂型锚固剂 由不饱和聚酯树脂、固化剂、促进剂、填料以及各种助剂组成，通常为双组份体系， 即树脂系统（树脂、填料、促进剂和助剂）和固化剂系统（固化剂、颜料、填料和助 剂） ，具有固化速率快、适应性强、固化速率可调范围宽和成本低等优点。 树脂锚固剂锚固质量主要是指锚固力和锚固状态[25]（锚固段长度、 饱和度和锚固 缺陷） ，树脂锚固剂的锚固质量受到多种因素的影响温度、水、围岩强度、围岩完 整性和现场的施工质量等。 目前树脂锚固剂锚固质量研究大多集中于锚固力， 以锚固力作为评价锚固质量的 单一标准。但是随着我国煤矿开采深度的不断增加，地质条件的不断复杂化，对支护 系统的刚度要求也越来越高要求支护系统对围岩变形和离层更为敏感，在离层刚刚 发生时即能对其施加较大的变形抗力，及时抑制围岩离层与滑动。为了提高支护系统 的刚度，锚固质量的研究更应关注锚固剂在整个锚固段内锚固状态。 我国煤矿树脂锚固剂的常用规格见表 1.1，主要技术特征见表 1.2，主要的物理力 学性能参数见表 1.3。 表 1.1 国内煤矿树脂锚固剂常用规格 型 号 规格mmmm 适用钻孔（mm） Z3530 Φ35300 Φ422 Z3540 Φ35400 Φ422 Z2850 Φ28500 Φ322 Z2835 Φ28350 Φ322 Z2360 Φ23600 Φ282 Z2335 Φ23350 Φ282 注 1） 锚固剂长度亦可根据用户需要另行生产 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 表 1.2 国内煤矿树脂锚固剂主要技术特征 型 号 特 性 凝胶时间s 等待时间s CK 超快 8-40 10-60 K 快速 41-90 90-180 Z 中速 90-180 480 M 慢速 ＞180 注以上均是在 221℃的环境温度下测定 表 1.3 国内煤矿树脂锚固剂主要物理力学性能参数 项 目 指 标 抗压强度 ≥60 MPa 剪切强度 ≥35 MPa 容 重 1.9～2.2 g/cm3 弹性模量 ≥16GPa 粘结强度 对混凝土 7 MPa 对螺纹钢 16 MPa 泊松比 ≥0.3 贮存期6 个月 使用环境温度 -30℃～60℃ 文[26]对锚固失效的基本模式进行了研究，总结为四种基本失效模式 （1）锚固 段沿孔壁滑动，被整体拉出； （2）钻孔孔壁岩体被剪切破坏； （3）锚杆从锚固卷中拉 出； （4）锚杆附近的锚固剂被剪切破坏。在现场中，多发生第四种形式的破坏。 由以上四种常见的锚固失效形式可知， 影响现场锚固质量的主要因素有锚固剂质 量、温度、水文条件、围岩强度、围岩的完整性和施工质量等。 文[27]对软弱破碎岩体中锚杆锚固质量进行了试验研究，指出在软弱破碎围岩中， 锚固破坏主要是树脂锚固体与岩体表面的剪切破坏所致。 针对现场顶板淋水条件下锚固力的大幅下降甚至难以锚固和高围岩温度下锚固 力的下降， 文[28-30]对水和温度对锚固质量的影响进行了理论分析和实验室相似模拟 研究，指出温度对树脂的聚合速度、固化时间以及固化特性有很大的影响，对树脂锚 固剂固化后的各项强度指标也有很大的影响。温度为 25℃时树脂锚固剂固化效果最 好，温度升高或者降低都会对树脂锚固剂固化后锚固力产生不良影响。随着模拟钻孔 温度的升高，树脂锚杆锚固力呈现明显的递减规律。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 图 1.1 锚杆锚固力与温度的关系 水对树脂锚固剂的锚固质量有较大影响，无论是钻孔中淋水还是积水，随着水量 的增加，锚固力都会急剧下降。 文[28-30]对钻孔淋水进行了实验室试验研究，由关系曲线可以看出 图 1.2 锚杆锚固力与顶板钻孔淋水量关系 当模拟钻孔内有淋水时，锚固力下降明显。锚固力随钻孔淋水量增大急剧下降。 与钻孔无淋水时相比，当钻孔内水流量为 120ml/min 时，最大锚固力下降为无淋水时 的 81.5；当钻孔内水流量为 240ml/min 时，最大锚固力下降为无淋水时的 63.3； 当钻孔内水流量为 360ml/min 时，最大锚固力下降为无淋水时的 37；当钻孔内水流 量为 600ml/min 时，最大锚固力仅为无淋水时的 10。 试验结果说明，钻孔淋水对树脂锚固剂锚固力影响很大，一方面在树脂锚固剂搅 拌过程中，钻孔淋水会将部分锚固剂冲出钻孔，使锚固段长度低于理论计算值；另一 方面部分水分掺杂进了锚固剂固化后的固化物中，形成大小不等的气泡，降低锚固剂 固化后的强度。因此，对于淋水量比较大的巷道，一方面应及时进行预抽放，或采取 深孔注浆封堵，切断裂隙带及断层带的水流通路；另一方面研制防水树脂锚固剂，并 针对不同地质条件，适当加大锚固长度。 文[31]通过实验室试验对锚固设计参数（锚杆杆体形状、锚杆直径、钻孔直径、 锚杆在钻孔中的居中度等）对锚固力的影响进行了研究，指出相对于其他常见矿用 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 锚杆形状，左旋无纵筋锚杆对树脂锚固剂的搅拌效果最好；锚固力与杆体直径成正比 关系；钻孔直径存在最佳范围；锚杆在钻孔中的居中度对锚固力的影响不大，但对支 护系统受力的均匀性和稳定性有较大影响。 文[32-34]总结现场实际施工经验， 对现场施工中存在的不规范操作对锚固质量的 影响进行了总结和分析。现场存在的主要不良操作有搅拌时间过长或过短、钻孔孔径 过大过小、钻孔深度过大、未处理孔内粉尘、快慢速锚固剂放置的先后顺序颠倒、搅 拌方法不规范（如将锚杆快速插入钻孔，不搅拌，在到达底端后再开始搅拌）等，指 出上述不良操作对锚固质量有较大影响，会导致锚固力大幅下降。 文[35]在保证锚杆杆体抗拉强度的前提下，对杆体外形与锚杆锚固性能以及安装 阻力之间的关系进行了研究，提出锚杆外形相关参数的最佳值。优化后的锚杆横肋高 度由原来的 1.46mm 降低为 1.0mm， 锚杆横肋间距由原来的 11.05mm 增加到 33.15mm， 横肋宽度由 3mm 增加到 9mm， 横肋交错布置。 对锚杆横肋高度、 间距和宽度优化后， 锚杆杆体的抗拉强度没有降低，锚固长度为 125mm 时锚杆的拉拔力比优化前提高 7.7；锚杆安装过程中的平均扭矩比优化前降低约 40，安装锚杆所需要的推力仅为 优化前的 50左右， 最大值为 0.73kN， 从根本上解决了锚杆全长锚固施工困难的问题。 文[36]针对树脂锚固剂实际使用中出现的“手套效应”和树脂不能在锚固范围内 完全有效包裹杆体的现象，对锚固剂安装过程中存在的搅拌过度、直接将锚杆推入不 搅拌、孔径过大过深等问题进行了实验室研究。 试验在断面积为 2m 2m，长为 4.5m 的混凝土中打设锚杆，用拉拔试验检测锚固 力，最后将混凝土剖开，观测锚固剂的固化形态。 试验分为初步试验和总体试验两部分。 初步试验的试验方案和结果如表 1 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 表 1.4 初步试验的试验方案和结果 锚杆 编号 药卷 类型 锚杆安装方法 锚杆 长度 10 分钟后测试 1 天后测试 备注 屈服荷 载 （Py） kips 刚度 （kips/ in） 屈服 荷载 kips 刚度 （kip s/in） 1 C 直接将锚杆插 入 4 6.2 92 7.9 140 直接插入锚杆 不旋转搅拌，试验失 败 2 A 同上 4 24.7 192 无 无 顶部 27’’范围出 现“手套效应” 3 B 同上 4 14.0 178 16.8 288 顶部 15.5’’范围 出现“手套效应” ， 锚杆全长发软，发 粘，试验失败 4 C 过度搅拌 4 22.5 356 无 无 搅拌 20s 后即搅 不动了，看起来效果 很好 5 C 过度搅拌 55s 2 4.7 78 6.2 123 试验失败 6 B 过度搅拌 41s 2 3.3 26 无 无 将锚杆拉出混 凝土块 7 B 过度搅拌 25s 2 3.0 54 5.4 182 试验失败 8 A 过度搅拌 2 20.2 220 20.2 220 搅拌 17s 后，即 搅不动，试验成功， 拉拔试验表明锚杆 性能良好 试验结果分析 （1）采取直接插入方法安装的锚杆，在不同程度上都出现了手套 效应； （2）2、3锚杆虽然出现“手套效应” ，但拉拔试验却显示其具有较为理想的 锚固力和刚度，说明拉拔试验不是一种完善的评价锚杆锚固质量的方法，整个锚固段 内如果有一小段锚固较好就可以实现较大锚固力。 （3）由 47锚杆可知，过度搅拌 会大大降低锚固力和刚度。 在混凝土剖开之后在锚杆与树脂结合面上会观察到锚固剂 由于过度搅拌而变成浅灰色粉状物。 在初步试验的基础上，总体试验方案制定如表 2 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 表 1.5 总体试验方案 试验方法 试验号 试验锚杆数 拉拔锚杆数 基本试验 按厂家要求安装锚杆，从三种锚杆 中各选取 5 个，并对某种锚杆进行一次 拉拔试验； 5172 15 3 不良安装方法试验 不旋转搅拌快速插入锚杆，然后旋 转 12 秒；每件锚杆各选 10 个，并对每 种锚杆进行 2 次拉拔试验； 缓慢插入锚杆 每种锚杆选取 5 个， 每种锚杆进行 2 次拉拔试验； 按厂家要求以 60rpm 转速搅拌插入 锚杆， 然后加大到最大转速至搅拌不动 每种锚杆各选 5 个，每种各进行 2 次拉 拔试验； 73102 170172 103118 119133 30 15 15 6 6 6 钻孔过深试验 按厂家要求安装锚杆每种锚杆各 选 3 个，每种各进行 1 次拉拔试验； 钻孔比锚杆长 2’’ 钻孔比锚杆长 3’’ 钻孔比锚杆长 4’’ 9 9 9 3 3 3 孔径过大试验 按厂家要求安装锚杆，用新钻头开 钻每个钻头只钻 3 个孔每种锚杆各选 取 3 个，每种各进行一次拉拔试验 使用 1’’钻头（1-1/16’’） 使用 1-1/8’’钻头 161169 无 9 无 3 无 总计 111 33 试验结果分析 （1）锚杆过度旋转搅拌可导致树脂严重破坏，在安装树脂锚杆时 要掌握好搅拌时间和转速。 （2）不正确的安装方式，如直接将锚杆慢速插入不搅拌或 将锚杆快速插入后再进行搅拌，都会出现严重的“手套效应” 。 （3）钻孔过深或孔径 过大都会使有效锚固段的长度减小。 1.2.2 锚杆杆体变形研究现状锚杆杆体变形研究现状 锚杆杆体在锚入岩体后，由于围岩连续变形的恢复、节理层理的张开以及锚杆预 紧力的施加， 杆体会产生轴向拉伸变形； 由于围岩节理层理面错动对锚杆的剪切作用， 杆体会产生剪切变形，但是，纯剪只发生于围岩强度很高时，围岩强度较低时，节理 层理面错动引起的锚杆变形往往是剪切-拉伸组合变形和剪切-弯曲组合变形。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 剪切荷载 内部破坏 剪切破坏 局部压碎 错动 离层 旋转和锚固剂 块体的楔紧 轴向载荷 岩石 图 1.3 锚杆组合变形示意图 目前预紧力的施加主要通过拧紧杆尾螺母，预紧力施加完毕后，残余扭矩会使锚 杆尾部产生扭转变形。锚杆在安装过程中由于承载面（岩壁、岩顶、煤壁、煤顶）和 锚杆轴向不垂直，造成一定的安装角度，调心球垫调心作用不佳，会在锚杆尾部形成 很大弯矩和偏载，使锚杆尾部发生弯曲和挤压。锚杆杆体尾部往往会产生“拉压弯扭 剪”组合变形。 国内外专家学者通过理论分析、 实验室试验和数值模拟等研究方式对拉拔载荷和 层理节理面错动引起的的锚杆变形和杆尾组合变形进行了研究。 1.2.2.1 试验研究试验研究 （（1））拉拔试验拉拔试验 Farmer[37]在研究张拉荷载作用下锚杆的力学行为方面作了基础性工作， 认为在较 小张拉荷载作用下， 锚杆的轴向拉应力和交界面剪应力从荷载作用点到锚杆里端以指 数形式衰减。 Freemen[38]在研究全长粘结式锚杆方面进行了开创性的工作。通过对拉拔试验中 锚杆受荷过程及沿锚杆方向应力分布的观测，提出了中性点、锚固长度和拉拔长度的 概念。 Stillborg[39]改进了锚固节理岩体的拉拔试验，提供比传统拉拔试验更准确的力学 条件来模拟工程实际情况。研究发现，锚杆与节理相交处会产生应力集中，同时由于 锚杆的延展性，导致锚杆在节理处的截面相对变小，直至发生破坏。 杨松林等[40]对混凝土中锚杆荷载传递机理进行了理论分析和现场试验， 指出两者 产生明显差别的原因及理论的适应范围，并通过对试验结果的讨论，阐明了锚杆表面 煤炭科学研究总院硕士学位论文 9 形态对混凝土与锚杆交界面抗剪强度的决定作用。 （（2））节理节理剪切试验剪切试验 Bjurstrm[41]首先对锚杆抗剪切性能进行了系统研究。他在花岗岩块上插入全长 粘结式锚杆来进行剪切试验，发现锚杆倾斜于剪切面安装可以使剪切面强度更高，也 提高了节理面的剪切刚度。 Haas[42-43]在用树脂灌浆锚杆锚固的石灰岩和片岩试块上进行了剪切试验， 试验结 果表明全长锚固锚杆比端锚锚固锚杆抗剪性能高；相比于锚杆垂直剪切面安装，锚杆 倾斜安装更有助于锚固岩块的抗剪强度的提高； 膨胀的效果有助于锚固节理面的强度 提高。 Hibino和Motojima[44]在使用直径2mm的全长锚固锚杆锚固的混凝土块上进行剪 切试验，并与端部锚固锚杆作比较，发现在给定的位移下，全长锚固锚杆的抗剪强度 大大高于端部锚固锚杆；锚杆的预紧力会提高剪切刚度，但对抗剪强度影响不大。 Egger 等[45-47]在 1983 年将锚杆锚固的混凝土试块放在高压下进行剪切试验，发 现节理面与锚杆之间的安装角度为 3060时，试块抗剪强度最大；锚杆垂直于剪切 面时提供最低抗剪强度； 锚杆的倾斜角在 4050之间时剪切刚度最大。 1991 年 Egger 进一步提出，锚杆加固可以增加节理的抗剪强度，减小其变形；锚杆在节理面附近有 较大变形，距离节理面 10mm 的地方，锚杆变形消失；破坏面通常由过大剪力或者拉 力引起。1996 年 Egger 又与 Pellet 合作，提出锚固节理岩体发生破坏时的最大位移会 随着锚杆和节理面之间夹角的减小而减小；同时发现，围岩刚度越大，发生破坏时， 剪切位移越小。 葛修润等[48]进行了加锚节理面抗剪性能的室内模拟试验， 探讨了锚杆对节理面抗 剪性能的影响以及锚杆阻止节理面发生相对错动的销钉作用机制， 改进了估算加锚节 理面抗剪强度的公式。试验结果表明加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增大而增 大，即使不大的剪切位移就已使锚杆的抗剪作用得到充分发挥；锚杆倾斜角对加锚节 理面抗剪强度有重大影响。 Spang 和 Egger[50]通过室内和现场剪切试验对节理岩体中锚杆的作用方式进行研 究。结果发现，最大剪力和最大荷载时的剪切位移随锚杆断面的增加而增加；锚杆中 的拉力和剪力会大大增加粗糙节理面的抗剪力； 节理面的刚度随摩擦角的增加而增加； 剪切面能使锚杆弯曲，因而会产生很大的拉力；节理面的最大抗剪能力随锚杆倾斜角 煤炭科学研究总院硕士学位论文 10 当≤45时的增加而增加，增加锚杆倾斜角≤30时时，又会大大减小节理的剪 切位移； 抗剪强度最大值的 80是从非常小的剪切位移中得到的； 剪胀角对锚杆最大 抗剪强度的影响与锚杆倾斜角的影响相当；全长水泥灌浆锚杆具有“销钉效应” ，它 所能提供的抗剪强度约为锚杆最大拉荷载的 7080； 全长水泥灌浆锚杆也具有 “摩 擦效应” ，可增强锚杆锚固节理面的抗剪强度。并最终给出了锚杆提供最大抗剪强度 的经验公式。 叶金汉[51]通过室内三轴压缩