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1、第19卷 第1期岩 土 工 程 学 报Vol.19No.11997年 1月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringJan.,1997X全长锚固锚杆的横向作用研究钟新谷 徐 虎(湘潭矿业学院资源工程系,411201)1 引 言全长锚固锚杆种类很多,在巷道支护中应用十分广泛。其支护机理有应用较为广泛的中[1～4]性点理论。实际上只要围岩沿锚杆轴向有移动趋势,那么中性点作用机理是存在的。在矿山生产中的巷道绝大多数为直墙半圆拱断面,这种断面在井下利用率高,成型容易。
2、根据刚塑性模型推导的直墙半圆拱底板滑移线场见图1所示。图中φ为围岩的摩擦角;ps为松动围岩压力;b为底板的松动宽度;α,β为围岩滑移线,箭头方向为底板围岩的移动趋势;Β为巷道宽度(滑移线场推导过程略)。如果在图1中沿AC,BD方向布置锚杆,那么围岩有垂直于锚杆轴向方向的移动趋势。由于锚杆变形刚度与围岩不一致,锚杆必然在垂直于锚杆轴向方向产生类似于抗滑桩的绕流阻力阻止围岩图1 底板滑移线场垂直于锚杆轴向方向的移动趋势。实际上围岩垂直于锚杆轴向移动趋势在圆形巷道中也是存在的。文献[5]指出,在图1中沿A
3、C,BD方向[7]布置锚杆可以防治软岩巷道底臌,并在文献[6]中进行了实测研究。通过模拟试验表明:无论是圆形巷道还是直墙半圆拱,交叉布置锚杆与沿法向布置相比,顶底板移近量和两帮移近量都大为减少。上述分析表明,锚杆的横向作用是不能忽略的。陈宗基教授在1990年第三届国际岩石力学会议专题报告中指出“进一步讲:,在泥岩或砂岩中,布置斜交锚杆对抵抗由于应力松弛导致承载能力的丧失,可能是更有效的。”所以,研究锚杆横向作用是十分必要的。2 锚杆横向受力特征分析如果在图1中AC,BD位置布置锚杆,围岩的移动趋势完
4、全垂直于锚杆轴向。很明显,锚X煤炭工业部煤炭科学基金资助项目(编号93采90918). 到稿日期:1995-06-01.94©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 第1期钟新谷等1全长锚固锚杆的横向作用研究95杆在AC段受到AFC区的压力作用。由于AFC区为均匀应力区,可以认为作用在AC段锚杆的压力是均匀分布的。那么锚杆横向受力分析如图2所示。根据煤
5、矿巷道单轨断面设计,现有凿岩机的钻孔长度及巷道空间作业的可能性,[8]采用2倍AC,BD长度基本上可以符合施工要求。锚杆[9]横向受力方程按推力桩m法建立,如图2所示。平衡方程为4dxEI·4=-mDyx+PD(1)dy3式中EI为锚杆刚度系数;m为围岩的比例系数(T/m),根据文献[9]的分类可类推各类岩石的比例系数m;D为图2 锚杆受力分析图锚杆直径;P为松动围岩传递给锚杆的压力。∞i采用级数法求解方程(1)。设x=6aiy,将x代入式(1)得i=0∞mDk(5k-4)..5kx=a0[1+6(
6、-)··y]EI(5k).k=1∞mDk(5k-3)..5k+1+a1[y+6(-)··y]EI(5k+1).k=1∞2mDk(5k-2)..·2.5k+2+a2[y+6(-)··y]EI(5k+2).k=1∞3mDk(5k-1)..·3.5k+3+a3[y+6(-)··y]EI(5k+3).k=1∞P·D4mDk(5k)..·4.5k+4+·[y+6(-)··y](2)EI·4.k=1EI(5k+4).在y=0处有如下边界条件成立:2dxEI·2=0
7、y=0(3)dy2dxEI·2=0
8、y=0(4
9、)dy将式(2)代入式(3)、(4)得a2=0,a3=0。[9]CC段锚杆是在弹性区内,所以按k法可建立如下锚杆平衡方程:4dxEI·4=-kDx(5)dy式中k为围岩的弹性变形系数,k=m·l,l为AC的长度。x,y坐标如图2所示。方程(5)的通解为βy-βy(c·cosβy+dsinβy)(6)x=e·(acosβy+bsinβy)+e4k式中β=;a,b,c,d为积分常数。根据锚杆在围岩的端部情况,有下列边界条件成4EI立:2dxEI·2=0
10、y=l(7)dy1©1994-2006ChinaA
11、cademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net96岩 土 工 程 学 报1997年 3dxEI·3=0
12、y=l(8)dy1′式中l1为CC的长度。由于在锚杆C点是连续的,所以在C点的弯矩M、剪力Q、转角φ,挠度x也是连续的。根据边界条件及C点连续条件可得如下6个方程:2βl(b·cosβl1-asinβl1)·e1+(c·sinβl1-d·cosβl1)=0(9
