基于应力波的岩土工程预应力锚杆锚固支护方法

赵瑾瑛ZHAO Jin-ying

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，太原 030000；中国能源建设集团广东电力工程局有限公司，广州 510000）

0 引言

岩土工程中的锚杆锚固支护是保障工程安全的重要手段，尤其在节理围岩巷道中，其支护效果对工程的稳定性具有重大影响[1]。然而，传统的锚杆锚固支护方法在实际应用中存在一些问题，如支护效果不稳定，对岩土体变形的控制能力有限，锚杆的锚固效果易受地质条件影响等[2]。这些问题在一定程度上限制了锚杆锚固支护方法的应用效果，也为新方法的探索留下了技术空白。此次研究以提高锚杆锚固支护的稳定性为目标，提出了一种基于应力波的预应力锚杆锚固支护方法。研究通过对岩土工程中锚杆锚固支护的原理进行深入分析，结合应力波理论，提出了这种新方法。这种方法通过应力波的传播和反射，可以更准确地掌握锚杆锚固过程中的应力变化，从而实现对锚杆锚固支护的精细化控制，提高其稳定性和承载力，控制岩土体的变形和破坏。

1 工程案例

本文以山西某煤岩工程为实验对象进行研究分析，模拟分析采用该项目的数据进行，并得出相应的支护方案，并在工程实践中应用该支护方案，取得了不错的经济效益，解决了传统的锚杆锚固支护方法在实际应用中存在的问题，详细研究过程如下：

1.1 基于应力波的预应力锚杆锚固受力分析

应力波是由于外部作用力引起的介质中的应力和应变的传播过程[3]。在岩体中，当外部力作用于岩体时，岩体内部会产生应力波，并通过岩体中的介质传播。应力波的传播速度取决于岩体的物理性质，如岩石的弹性模量、密度等，应力波传播速度公式如式（1）所示。

式（1）中，应力波传播速度为v，介质弹性模量为E，介质密度为ρ。应力波在锚杆中的传播会引起锚杆的应力和应变变化，进而影响锚杆的锚固效果[4]。节理岩层是岩石中具有明显断裂面的岩层，其力学性质和工程行为与普通岩石有所不同，在岩土工程中需要特殊考虑和处理。节理张开时，变形锚杆受力示意如图1 所示。

图1 锚杆受力示意

当节理面处于锚固段时，锚杆首先通过锚固段与岩体连接，锚杆的锚固段与岩体之间存在摩擦力和锚固力。当节理张开时，岩体受到拉伸力，锚杆通过锚固段传递锚固力到岩体，阻止岩体的进一步张开变形。当节理面处于自由端时，锚杆首先通过自由端与岩体连接，自由端与岩体之间存在摩擦力。当节理发生滑移时，岩体受到剪切力，锚杆通过锚固段传递摩擦力和锚固力到岩体，阻止岩体的进一步滑移变形。无论节理面处于锚固段、自由端还是发生滑移，变形锚杆都起到了传递力的作用，通过锚固段或自由端与岩体连接，将锚固力或摩擦力传递到岩体，以阻止岩体的进一步变形。

1.2 锚杆锚固数值模拟与分析

为了分析锚杆加固节理岩体的力学机理，研究采用实体单元和接触面单元结合的方法进行模拟。根据相关技术资料对参数进行设置，锚杆拉拔试验材料相关力学参数如表1 所示。

表1 材料相关力学参数

在基坑施工过程中，对基坑支护体系进行全面、系统的监测，实时掌握基坑边坡岩体与支护结构之间的相互作用及支护结构的变形规律，进而对基坑工程的安全性进行评估，为支护体系的优化设计及施工提供科学依据。因此，研究结合节理变形过程中的受力分析，实验分别对三种锚固方式的锚固机理进行模拟。节理受力张开时，施加一个垂直荷载T=20kN 在节理面位置上方的岩体上；节理剪切滑移时，将施加一个水平载荷F=20kN 在节理面上方岩体的左侧，并将预紧力设置为40kN。三种锚固方式的锚固长度分别为600mm、1200mm 和2000mm。数值分析的目标是研究不同锚固形式的锚杆，在节理张开和滑移过程中的受力特征变化，而不考虑锚固体的破坏。为了观察杆体的拉应力、剪应力和轴向位移的分布情况，实验观察线被设置在锚杆内部沿Z 轴方向上。通过锚杆周围塑性区的分析可知，全长锚固下锚杆的延伸受到限制，导致节理两侧较大范围内的锚杆发生塑性破坏。加长锚固锚杆通过预先施加预紧力，使其在岩体中形成一种主动约束力。当岩体发生张开变形时，锚杆需要克服其自身的粘结力和杆体的主动约束力。同时，锚杆杆体内部预施加的预紧力也会产生一定的反作用力，阻止岩体进一步的张开变形。因此，在加长锚固技术中，需要合理选择锚杆的材料、长度和预紧力等参数，以提供足够的粘结力和主动约束力，以抵抗岩体的张开变形。同时，也需要对岩体的力学性质进行准确评估和预测，以确保锚杆能够有效地支撑和固定岩体，从而保证岩体的稳定性和支护效果。端头锚固剂施加力量时，锚杆的自由段可以吸收一部分的变形和破坏，从而减小了锚固剂产生的变形和破坏的程度。锚杆在不同锚固方式下的应力分布和灵敏度如图2 所示。

图2 锚杆在不同锚固方式下的应力分布

图2（a）中，端头锚固时，自由段的轴向应力升高至260MPa 并保持不变；加长锚固时，锚杆轴力在节理面处达到最大值253MPa；全长锚固时，锚杆轴力在节理面位置达到最大值约235MPa。图2（b）中，端头锚固的节理附近岩体的变形量为12.4mm，加长锚固的节理附近岩体的变形量为4.2mm，全长锚固的节理附近岩体的变形量为6.3mm。端锚锚杆的灵敏度较低，锚杆托盘间接对节理的张开变形产生作用。与之相反的是，全长锚固锚杆的灵敏度较高，锚杆全长存在黏锚力，可以阻止节理变形。加长锚固的控制效果更好，对节理张开的控制更为敏感，因为节理位于锚固区域存在黏锚力，锚杆处于锚固区仍有预紧力，自由段的预应力可以提供有效压应力，从而抑制围岩变形。

分析节理滑移时杆体周围塑性区可知，端头锚固在杆体的一端，另一端自由滑移，杆体周围的塑性区主要集中在锚固端附近。塑性区的形状可能呈现出一个锥形，锚固端附近的应变较大，逐渐向杆体的自由滑移端减小。加长锚固在杆体的一端进行锚固，并在另一端加长一段固定长度的杆体。在这种情况下，塑性区域相对较大，主要分布在锚固端和加长段之间。由于加长段的存在，塑性区的形状可能呈现出一个梯形，锚固端和加长段附近的应变较大，逐渐向杆体的自由滑移端减小。全长锚固在杆体的两端都进行锚固，塑性区域相对均匀地分布在杆体的整个长度上。由于两端的锚固作用，塑性区的形状可能呈现出一个近似矩形的形状，两端附近的应变较大，逐渐向杆体中间减小。无论是端头锚固、加长锚固还是全长锚固，杆体周围的塑性区都是由于杆体受到外部载荷作用而产生的。不同的锚固方式会导致塑性区的形状和大小有所差异，但都是为了增加杆体的稳定性和承载能力。滑移时杆体的应力分布如图3 所示。

图3 滑移时杆体的应力分布

分析图3 可知，在距离锚固起始点0.5-0.6m 范围内，轴力从72MPa 增高至215MPa，然后迅速下降。在节理面处，轴向应力降至90MPa。随后，轴响应力在节理面附近发生突变增加至最大值310MPa，随后下降为175MPa，并趋于稳定。加长锚固和全长锚固方式下，锚杆索受力过大。锚杆在节理面两侧的0.1m 范围内受到拉应力21.2MPa 和压应力29.4MPa。加长锚固和全长锚固时，锚杆在节理面上方0.1m 处的轴力分别达到最大值228MPa 和204MPa。在距离锚固端头1.1-2.0m 范围内，加长锚固方式的轴力保持129MPa 不变。除了端头锚固，其余两种锚固方式的水平应力分布呈现对称的趋势，主要受到压应力的作用。在端头锚固时，杆体受力滞后岩层滑移6mm，滑移变形量的最大值为34mm。而其余两种锚固方式的岩体的最大滑移量分别为8.73mm 和12.1mm。在加长锚固时，黏锚力和预应力一同提供节理处锚杆的抗剪力，这有效地抑制了锚杆的变形，减弱了岩体沿非连续面的分离情况。

1.3 锚杆锚固支护方法的工程实践论证

综合考虑全长锚固和加长锚固对节理围岩的控制作用，为了确保节理面密布区域位于锚杆锚固段，可以选择加长锚固或全长锚固方式。在加长锚固方式中，锚杆的长度可以根据节理面密布的区域进行调整，以确保锚杆的锚固段覆盖节理面密布区域。而在全长锚固方式中，锚杆的长度与岩体的高度相同，从而保证整个岩体的稳定性。另外，为了提升锚杆的抗拉和抗剪性能，需要施加一定的预紧力。合理的预紧力可以提高锚杆的工作性能，保证锚杆在岩体受力时能够发挥有效的支撑作用，确保整个岩体的稳定性和安全性。研究以山西某煤岩工程为实践背景，通过节理围岩巷道分析，得到支护的参数设定值。山西某煤岩工程的节理巷道支护方案如图4 所示。

图4 山西某煤岩工程的节理巷道支护方案

图4 中，加长锚固支护中，顶板锚杆间排距设置为800mm×800mm，锚索间排距设置为2000mm ×1600mm。对于两帮支护，锚杆间排距设置为800mm×800mm，实体煤帮和煤柱帮的锚索间排距设置为1500mm×1600mm。同时，加强施工管理，确保锚杆的预紧力达到40kN 及以上，支护现场监测结果如图5 所示。

图5 支护现场监测结果

分析图5 数据可知，巷道在掘进初期经历了快速的变形增大，但在巷道掘出30 天左右趋于稳定。顶、底板的相对位移稳定在168mm，比原支护方案降低了56.5%。煤柱的变形量稳定在109mm，实煤体的变形量稳定在98mm，比原支护方案降低了55.43%。在回采时期，巷道表面位移在距离工作面80m 时明显增加，最大变形量为273mm，两帮的最大变形量为347mm，能够满足巷道的正常使用需求。

2 结论

研究针对岩土工程中锚杆锚固支护的稳定性问题，提出了一种基于应力波的预应力锚杆锚固支护方法。通过理论分析和实验研究，研究证实了新方法在提高锚杆支护稳定性、承载力和控制岩土体变形破坏方面具有显著优势。实验数据显示，相对于原支护方案，新方法使得顶、底板的相对位移和实煤体的变形量分别降低了56.5%和55.43%。这为解决锚杆锚固支护中的问题提供了新的思路和方法，也为岩土工程的安全提供了更为可靠的保障。研究解决了传统的锚杆锚固支护方法在实际应用存在的问题，从而填补了技术空白。此次研究在理论分析和实验验证的基础上，证实了新方法在提高锚杆锚固支护稳定性方面的有效性，为今后的岩土工程实践提供了有益的参考。