玄筋锚杆在应用中基本参数及锚固性能的研究*

赵振广 李京玲 李大华

在井巷施工中,锚杆支护的顶板管理效果、降低成本等优点明显地超过了其他支护系统,使得锚杆支护得到了推广[1]。目前,锚杆支护不仅广泛应用于世界主要产煤国家的煤矿,而且也应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工程之中,伴随着“21世纪—地下工程世纪”的来临,锚杆支护技术更得到广泛和深入的研究及推广[2]。然而,由于传统锚杆的杆体材料多为钢材,其易腐蚀性使其应用范围受到限制,并且由于现代工程对耐久性的要求越来越高,钢材的使用寿命因电解及锈蚀受到强烈挑战。随着新型材料——玄武岩纤维的出现及研究,中华人民共和国交通运输部于2009年末发布了玄武岩纤维及其制品的行业标准。

最近,又有人提出用玄武岩纤维筋材加固井巷工程的观点及一些研究建议,为了促进此项研究的发展,本文针对玄筋锚杆中涉及到的一些主要参数和锚固性能进行了研究。

1 传统锚杆基本参数及锚固性能

传统锚杆基本参数及锚固性能如表1所示。

表1 传统锚杆基本参数及锚固性能[3]

从表1中关于锚杆长度的数据可以看出,锚杆的长度一般在1.5 m～6 m之间,实际生产中多为1.8 m。但不论哪种锚杆,都必须选择适当的锚杆长度,如果长度过短,各种锚杆均起不到支护作用。长度过长,除施工场地受限及浪费材料外,还会因其不易保证施工质量而不安全,同时也会使安装锚杆所用的时间变长,施工效率降低。

另外,从表1中锚杆的锚固力数据可以看出,锚杆的锚固力一般不超过120 kN,也就是说锚杆杆体一般不会承受超过120 kN的拉拔力,因此,锚杆杆体只要能满足120 kN的抗拉拔能力,即可满足一般锚固的应用要求。

从适用条件来看,楔缝式锚杆、倒楔式锚杆等点锚式锚杆对围岩类型级别要求较高,而水泥砂浆锚杆、管缝式锚杆等全长锚固式锚杆对围岩级别要求较低。

2 玄筋锚杆基本参数在工程应用中的研究

2.1 玄筋锚杆长度的确定

实际生产中,锚杆的长度是根据所锚固区域的围岩特征来确定的,应根据施工区域实际围岩状况,结合类似围岩的工程经验选择合理的锚杆长度。对于玄武岩纤维筋来说,其优良的可切割性能使其可方便地加工各种长度的锚杆,满足不同围岩条件对锚杆长度的要求,其长度可根据工程需要,参考传统锚杆的长度要求。

2.2 玄筋锚杆直径的选择

中华人民共和国交通运输部于2009年末发布了玄武岩纤维及其制品的行业标准,它规范了目前玄武岩纤维复合筋的市场。当前,玄武岩纤维复合筋的直径有3 mm,6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm,18 mm,20 mm和25 mm等规格,并分为有螺纹及无螺纹两种不同外观形式。标准还指出,玄武岩纤维复合筋“光杆”时的抗拉强度不小于 750(800～1 100)MPa,若为螺纹筋材,相应性能指标应以95%折算[4],从而得出玄武岩纤维复合筋的抗拉拔力如表2所示。

从表2中可以看出,当玄武岩纤维复合筋直径为16 mm时,其棒材和螺纹筋材的抗拉拔力均超过120 kN,所以建议选取直径为16 mm的筋材作为玄筋锚杆杆体。

2.3 玄筋锚杆的锚固方式选择

按照基本锚固类型,锚杆可分为点锚固锚杆和全长灌注锚杆。点锚固锚杆是用粘结或机械的方式使锚头锚固到岩体内,锚尾加托板等附属结构的锚杆。点锚固锚杆施工方便,但是,它只有托板承载,一旦松弛,支撑作用全部消失,托板周围岩石剥落后,支撑作用也会消失。另外,整个锚杆在荷载长期作用下也将会延长。因此,若对玄筋锚杆进行点锚固方式安装,宜在安装过程中施加一定的预应力方可解决点锚固方式所固有的缺点。

表2 玄武岩纤维复合筋抗拉拔力表

全长灌注锚杆是用快凝、高强度树脂或无机水泥灌注到锚杆全长范围,无需施加预张力的锚杆。全长粘结锚杆施工分为先注浆和后注浆两种方式,先注浆是先在锚杆孔内注满砂浆,然后插入锚杆。后注浆方式是将锚杆先插入孔内,然后注浆固结而成。采用全长灌注方式使用较广泛的为砂浆锚杆和钢丝绳锚杆,砂浆锚杆纵向抗压强度大,一般采用先注浆方式施工,而钢丝绳锚杆是利用废旧钢丝绳,经除锈去油和破股平直后作为锚杆使用的,当纵向受压时,容易弯曲变形,所以都是使用后注浆方式进行施工的[5]。对于玄筋锚杆来说,它是由玄武岩纤维纵向粘结而成的,当纵向受压时,容易造成纤维筋开裂,所以当采用全长灌注锚固方式时,建议采用后注浆方法施工。

3 结语

1)玄筋锚杆有足够强的承载能力替代传统锚杆。2)直径16 mm的玄武岩纤维筋能够满足普通的锚固力要求。3)玄筋锚杆的锚固方式可以为点锚固和全长灌注锚固。4)本文建议仅为理论及经验推导,尚需进行进一步的试验验证。

[1] 毛光宁.美国锚杆支护综述[J].中国煤炭,2001,27(11):54-60.

[2] 孔 衡,马念杰,王梦恕,等.锚固技术及其理论研究现状和方向[J].中国煤炭,2001,27(11):24-28.

[3] 《采矿手册》编辑委员会.采矿手册(第2卷)[M].北京:冶金工业出版社,1990:459.

[4] 吕 洋,郑玉元,聂 淼.桩锚支护体系在贵阳危旧房改造工程中的应用[J].山西建筑,2009,35(4):117-118.

[5] JT/T 2007.2-37,公路工程、玄武岩纤维及其制品[S].

[6] 解世俊.金属矿床地下开采[M].第2版.北京:冶金工业出版社,2008:116-122.