锚固力是指锚杆对围岩的约束力。可细分为锚杆工作时的锚固力和设计锚固力,锚杆工作时的锚固力包括初始锚固力和正常锚固力。通常,锚固力是指锚杆正常工作时的锚固力。
抗拔力又称抗拔力或抗拔力,是指阻止锚杆从岩体中拔出的力。拉拔力可分为设计拉拔力和试验拉拔力。通常的拔力是指设计拔力,其值应大于螺栓的破断力。拉力用于锚杆施工质量检验,其值不应小于设计锚固力。
锚固力和锚杆拉拔力之间的差异
锚固力是锚杆对围岩的约束力,限制围岩变形,起到支撑作用。锚杆抗拔力是锚杆锚固后在抗拔试验中所能承受的极限荷载,它反映了锚杆体、锚固剂和岩石粘结在一起后,锚杆断裂或破坏的最大拉力。
锚固力随着被支护围岩的变形和膨胀而增大,所以锚固力是一个动态变化的力。锚杆的抗拔力是一个固定值,不随围岩变形和锚杆受力而变化。如果围岩不变形,不考虑锚杆的松弛效应,锚固力等于初始锚固力。
锚固力检测使用安装在锚固螺母和托盘之间的锚固测力计。一般在安装锚杆的时候就安装了锚杆测力计。锚固力检测是监测锚杆的受力状态,需要长期观测。锚拉力由锚拉力计检测,锚安装后可随时进行。检测锚杆抗拔力的目的是检查锚杆体、锚固剂和岩石粘结效果。在施工中,测试锚杆的抗拔力时,一般只要达到设计的锚固力即可;在进行破坏性试验时,要求锚杆在终止前被拉断或拔出。
检查锚杆施工质量时,一般检查锚杆的拉力。监测锚杆工作状态时,测量锚固力。通过测量锚固力来验证支护的可靠性,并为以后修改支护设计提供依据。在设计和施工中,要保证锚杆的拉力大于杆体的破断拉力这一基本原则,即锚杆杆体的受力超过其破断拉力后,锚杆可能被拉断,但不能拔出。常见的错误是设计的螺栓拉拔力小于螺栓体的破断力。
在施工和设计中,锚杆的锚固力和拉力经常被混淆和混淆。两者的混淆一方面是由于部分标准和教材的不同意见造成的;另一方面,对两者内涵的理解是错误的,不明确的。
预紧力和扭矩
预紧力,又称初锚力,是指安装锚杆(锚索)时,通过拧紧螺母或采用张拉的方法施加在锚杆(锚索)上的拉力,单位为kN。预紧扭矩是拧紧螺母使螺栓达到设计预紧力时施加在螺母上的扭矩,单位为n·m。
预紧力和预紧力矩的关系
两者之间有质的关系。通常预紧力矩越大,预紧力越大,但这是一种非线性关系。
预紧力是力,是施加在锚(锚索)上的拉力,单位为KN;预紧扭矩是施加在压紧螺母上的扭矩,单位为n·m。
这两种测量仪器是不同的。预紧力可以通过安装在螺栓托盘和螺母之间的螺栓测力计来观察;可以通过数字显示器或带刻度显示的螺栓扭矩扳手观察预紧扭矩。
锚杆的施工设计要求的是预紧力,而不是预紧扭矩。但在实际施工中,由于方便读取预紧力矩,预紧力测量相对复杂,预紧力随着预紧力矩的增大而增大。为了方便检测,可以通过直接检测预紧力矩来间接检测螺栓的预紧力。因此,通常在安装锚具时检测预紧力矩,而不检测预紧力。
增加螺栓预紧力有两种方法,一是提供足够的原动力,二是拧紧螺母。
预紧力的作用和要求
预紧力可以对锚杆起到积极的支护作用,特别是在层状岩石和破碎围岩的条件下。增加预紧力可以改变围岩性质,防止围岩被破坏,保持围岩稳定,有利于支护围岩。
试验证明,如果顶板围岩有整体离层冒落的趋势,只有预紧力大于潜在冒落围岩的重量,才能阻止围岩离层趋势的出现和继续发展,发挥锚杆的主动支护作用。
螺栓的预紧力矩越大越好。由于锚杆施工设备的限制,人工锚杆安装设备的预拉力为100 ~ 200N·m,初锚力可达10 ~ 20 KN。机载锚固设备的预紧力可达200 ~ 300N·m,初锚力可达30 kN。例如,当一根2.4m长的锚杆排距为800×800(mm)时,由于锚杆安装技术和施工设备的限制,单根锚杆支撑的围岩重量约为3.5t,35 kN的预紧力很难达到。所以定性来说,螺栓预紧力矩越大越好,以获得更大的预紧力。
只有达到一定的预紧力,锚杆才能起到积极的支撑作用,形成组合梁和叠合板结构。随着新的施工机具的出现,预紧力会逐渐增大。合适的预紧力范围为:下限大于支护围岩重量,上限为锚杆屈服强度的70%。
现场常见问题:一是预紧力低,甚至为零,无法发挥锚杆的主动支撑作用;二是预紧力的大小差别很大,造成锚杆受力不均。采用机械快速安装技术可以避免上述问题。
螺栓设计问题
在设计地脚螺栓时,地脚螺栓的直径一般按悬挂理论计算。这种设计理念在岩石压力较低、围岩运动方向平行于锚杆的条件下适用,但在应力较高、围岩运动方向与锚杆方向不一致时受到限制。例如,在对一些高应力巷道进行改造时,发现部分锚杆被挤压变形为类似汽车曲柄的“”形,与锚杆平行的观测孔错位。这些现象表明,锚杆的受力方向非常复杂,既有沿锚杆轴向的力,也有垂直于锚杆方向或成一定角度的剪应力。因此,在选择锚杆强度时,我们必须考虑所有因素,不仅要考虑锚杆的抗拉强度,还要考虑抗剪强度。特别是在高应力条件下,如果只考虑锚杆的抗拉强度,那么选用的锚杆必然直径小,强度低,导致支护失效。
根据多年锚杆支护实践经验和对锚杆支护机理的研究分析,锚杆支护的设计理念为:ⅰ、ⅱ类围岩巷道条件,低压力,应用悬浮理论指导设计和施工;ⅲ、ⅳ类围岩隧道条件压力适中时,应采用组合梁、复合拱理论指导设计和施工;ⅴ当巷道围岩条件和压力较高时,应应用围岩强化理论指导设计和施工。
锚杆制造和检验中存在的问题
螺栓螺纹部分具有低强度。
标准MT146.2-2002规定,螺栓尾螺纹的承载能力不得低于螺栓体的屈服强度,螺栓体的伸长率不得低于15%。以直径为20mm、长度为2200mm的螺栓为例,螺栓的各项测试指标均符合MT146.2-2002标准。试验结果表明,该螺栓各项参数合格,试验结论为该螺栓合格。但现场监测显示,当锚固力达到130kN时,很多锚从螺纹处断裂。此时围岩变形小于100mm,远小于锚杆伸长量30%的允许变形量。而且锚力远远小于其破断力,造成了“合格锚”不合格的问题。为什么“合格锚杆”不能适应巷道变形?根据实验室对锚杆的拉伸试验,当锚杆受力130kN时,锚杆的伸长率仅为2%。如果负荷增加,锚杆将从螺纹部分断裂。所以所谓的锚杆伸长30%并不是指整个锚杆的伸长,而是整个锚杆的伸长应该只有2%。为了使整个螺栓达到30%的伸长率,需要增加螺栓螺纹段的强度,使螺栓各部分的强度相等。一根合格的锚杆受力后,要经历以下过程:围岩变形→锚杆受力后被拉伸→围岩中积蓄的能量随着围岩变形被释放→围岩变形达到一定程度后→锚杆变形超过其允许量——锚杆受力达到破断强度而断裂——支护失效。如果锚杆存在缺陷,如弱面、螺纹段强度低,当围岩发生轻微变形时,由于螺纹段(弱面)先达到断裂极限,锚杆就会断裂。此时锚杆的伸长量很小,锚杆无法经历“锚杆伸长→应力释放和围岩卸压”的过程,但受力后,锚杆会被迅速拉脱,失去对围岩的支撑作用。因此,螺栓尾螺纹的承载能力不应低于螺栓体断裂强度的95%。测试螺栓伸长率时,整个螺栓体的伸长率,包括螺纹部分,不应低于15%。只有这样,锚杆体强度和伸长率两项检测指标才能合格,锚杆才能满足高应力大变形围岩支护的需要。
螺栓配件强度低。
制作锚具时,经常出现锚具配件强度低的问题。结果表明,在高应力巷道中,锚杆受力后会出现螺母穿入托盘、螺栓螺母打滑、螺母断裂等问题。因此,制作锚具时,锚具配件的强度应高于杆体的强度。
锚杆的制造和测试要求
随着对锚杆支护认识的深入和锚杆制造技术的提高,锚杆检测标准需要提高;
合格的地脚螺栓必须综合考虑地脚螺栓的各个零部件,综合得出结论,不能割裂开来;否则就会出现分项全部合格,综合成绩却不合格的问题。
在标准中,螺栓连接件需要从不低于屈服强度提高到不低于螺栓体的实际断裂强度。
如果不能满足以上两个方面的要求,在高应力、大变形围岩条件下,锚杆支护不能发挥应有的作用,不能起到让压和卸压的作用,不能满足工程需要,就会存在很大的隐患。因此,在高应力条件下,必须使用等强度锚杆,并高度重视锚杆制造质量,以充分发挥锚杆的支撑作用。
几十年来,锚杆支护技术不断发展和完善,应用范围不断扩大,已成为矿井支护的主要技术手段。随着锚杆支护机理的深入研究、施工工艺、施工设备的改进和新材料的应用,锚杆支护理论将不断更新,锚杆制造和检测的标准也将不断提高,以适应更加复杂的矿井条件。



