预应力锚杆支护（共11篇）
预应力锚杆支护 篇1
0 引言
在框架预应力锚杆柔性支护结构中,由于锚杆预应力的存在,锚杆在一定的锚固区域内形成压应力带,通过框架及挡土板形成压应力面,从根本上改善土体的力学性能,变传统刚性支挡结构的被动挡护为充分利用土体本身自稳能力的主动挡护,有效地控制了土体位移。另外,这种支护结构立面美观,锚杆与框架的空间协同工作性能较好,因此其在边坡加固和基坑开挖工程中得到了广泛应用[1~5]。
由于框架预应力锚杆支护结构是利用土体自身的阻抗去制约另一部分土体的变形和结构破坏,因而在使用中一般要对锚杆施加一定的预应力,以更好地发挥锚杆的自我约束系统。实践证明,锚杆的初始预应力总是变化的,这种变化通常表现为预应力损失。对基坑等临时性工程而言,预应力的损失可能不是很危险;但是对于边坡这种永久性加固结构,预应力的损失对锚固工程的稳定性是极为不利的。因为潜在破坏的土体通过锚杆的拉力作用,使其稳固地依附在稳定地层上,锚杆的拉力作用增加了潜在滑动面上的法向应力,从而提高了抗剪强度,使地层得到加固。一旦锚杆预应力损失达到一定值,致使地层抗剪强度下降到稳定值以下,锚杆有可能随锚固体被拔出,将导致锚固失效,即被加固地层失稳,给工程带来极大危害,甚至威胁人民生命财产的安全[6]。因此,锚杆预应力的变化直接影响到锚固工程的安全,有必要对其进行长期观测。本文分析了影响锚杆预应力损失的各项因素,给出了预应力损失大小的简单定量估算方法;另外,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,研究结果表明本文给出的简单定量估算方法是可行的。
1 锚杆预应力损失变化规律及过程
文献[7]在根据对某基坑锚杆预应力监测的基础上给出了锚杆预应力变化的三个阶段,如图1所示。已知基坑开挖深度范围内地层主要为粉土和粉质细砂,渗透性一般。图1中(1)表示自张拉初期开始,预应力快速下降阶段;(2)表示预应力上升阶段;(3)表示预应力稳定变化阶段。实际上,图1显示的结果和规律对于上述土质条件或近似土质条件下的基坑工程预应力锚杆具有一般性,由于基坑工程属于临时性工程,而边坡加固工程属于永久性工程,两者在预应力锚杆的施工工艺和构造措施处理上都有差异,所以图1对于边坡工程预应力锚杆的预应力损失的结果和规律而言还不具有代表性。
1.1 预应力快速下降阶段
此阶段发生在张拉锁定前后,历时较短,主要受锚具、土体压密、孔道摩阻、施加预应力大小等因素的影响。虽然该阶段历时较短,但是所引起的预应力损失相对较大,占总损失量的损失百分比大约在45%左右。
1.2 预应力上升阶段
从图1可以看出,这个过程主要表现为预应力值的增加。这是由于土体变形引起的预应力增加量大于松弛效应引起的预应力损失,预应力荷载呈现增加的趋势,增加的幅度取决于土体变形量的大小。
1.3 预应力稳定变化阶段
在经历前两阶段后,锚杆预应力值趋于稳定变化。此阶段由于土体变形模量发生较小规模的变化,使得预应力值略有增加,当土体变形趋于稳定时,预应力值也趋于稳定。
2 锚杆预应力损失影响因素分析
2.1 锚杆张拉锁定时引起的预应力损失
(1)张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1
锚杆张拉时引起的预应力损失,表现为锚杆测力计输出值小于油压千斤顶显示的压力。张拉过程的预应力损失主要由预应力锚杆同孔壁的摩擦和张拉千斤顶的摩阻力大小决定。如果钻孔平直,锚杆安置后不与孔壁接触,则锚杆预应力损失很小甚至不产生预应力损失。文献[8]指出张拉千斤顶的摩擦损失一般只有1%左右,因此可以通过超张拉来补偿。但根据有关文献及测试[9],张拉系统的摩阻损失一般为2%~4%,也即油压千斤顶显示的压力要比锚杆测力计输出值大2%~4%。笔者曾在施工现场询问锚杆张拉人员,发现他们对锚杆预应力损失没有引起重视,所以一般张拉都是以油表上所显示的压力作为最终施加的预应力值,因此,应该考虑张拉系统引起的预应力损失量。
(2)锁定后锚具回缩引起的预应力损失σl2
锚杆张拉程序完成后,卸荷时是靠夹片与锚垫板间的相互作用来锁定预应力,在锁定时,锚杆自由段难免会产生一定量的弹性变形,钢筋的回缩量大小决定了锚杆预应力损失量的大小。锚杆锁定后回缩量大小与锚夹具及其制造工艺有关。除此之外,组成外锚头的其它构件,如混凝土垫墩、垫板及外锚头的强度及加工、安装的质量也会影响锚杆预应力损失。
2.2 钢材应力松弛引起的预应力损失σl3
钢材在长期应力作用下会发生应力松弛现象,应力松弛量通常和锚杆张拉后的预应力初始值和受荷时间有直接的关系。钢材的应力松弛实验表明:长期受荷的钢材预应力松弛损失量大约为5%~10%,在相同的应力作用下,受荷100h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2倍;受荷1000h的松弛损失约为1h所造成的松弛损失量的2.5倍[7]。当施加的应力大于钢材强度的50%时,应力松弛会显著增加,而且荷载越大松弛量也就越大[10]。
2.3 土体蠕变引起的预应力损失σl4
土体是一流变体,具有明显的流变特征,在外荷载作用下,土体发生流变现象,从而引起锚杆预应力的降低。在施工期间,土体开挖卸载,使土体内部应力得到释放,土体向边坡临空面方向发生变形,从而增加预应力值,这种增加预应力值的效果具有明显的时间效应,随着施工期的结束,锚杆预应力的变化趋于平缓。另外,由于锚杆预应力的作用使得土体物理力学性质发生改变,土体产生压缩变形,在施加预应力初期,土体的压缩变形比较显著,预应力降低明显。
工程实践表明坚硬完整岩体在长期剪力作用下发生蠕变的量很小,对锚杆预应力的影响不大[10]。但是设置在土层中的锚杆一般都在固定5d内呈现出预应力值明显降低,在今后几年甚至几十年都会有持续降低的现象。这一规律与土体蠕变的趋势相一致,进一步说明土体蠕变是引起锚杆预应力损失的主要因素之一,这个损失量一般都在15%以内[6]。
2.4 群锚效应和张拉顺序引起的预应力损失σl5
在群锚张拉过程中,锚杆施工对已安装的锚杆的锚固力有一定的影响,这种影响多表现为预应力损失。究其原因可以理解为锚杆张拉引起框架和土体的变形,从而使锚杆影响半径范围内已安装的锚杆的预应力降低[11]。
一般来讲,支护结构上都存在多孔锚杆,所以理论上最合理的张拉顺序是同时同步张拉,但往往受张拉设备和施工工艺的限制,因此有必要选择合理的张拉工艺。最合理的张拉工艺应该是有利于土体均匀压缩,这样对坡体稳定有利。但是框架预应力锚杆柔性支护结构采用的施工工艺是逆作法,如果一次性将上部锚杆张拉到设计预应力值,当施工下部锚杆时必然引起上部锚杆较大的预应力损失,所以较好的办法是采用分级张拉,先将上部锚杆张拉到设计预应力值的一定比例,待施工完毕后再继续张拉到设计预应力值。
2.5 降雨入渗引起的预应力损失σl6
降雨量及降雨历时对锚杆锚固力有较大的影响,这种影响集中反映在强度较低、渗透系数较大的部位,而且具有时间滞后效应。由于滑面上遇水后土体的c、φ值降低,滑面上抗剪能力减弱导致锚固力的损失。但是随着裂隙水的不断渗入,土体抗剪能力降低,抵抗下滑的能力也随之降低,锚固力有所增加。随着土体内部水压的波动变化,锚固力也呈现波动变化。随着裂隙水的逐渐消散,由于土体的压缩变形和锚杆应力松弛,锚固力又会回到降雨前的水平。由此可知,在降雨前后,锚杆会受到较大的循环荷载作用,这对基坑和边坡的稳定是极为不利的[12]。因此,做好边坡的排水与防渗,有利于锚固荷载的长期稳定。
3 锚杆预应力损失的简单定量估算
锚杆预应力损失的大小,将直接影响边坡整治工程中设计张拉力、超张拉幅度的选定。对锚杆的工作状态,过高或过低估计预应力损失都是不利的,因此对预应力损失进行简单定量估算是必要的。根据前述对锚杆预应力损失影响因素的分析,锚杆的预应力损失量σl可由下式表示:
考虑到影响预应力损失的因素十分复杂,式(1)中前四项为主要影响因素。根据前述分析,对前面四种预应力损失简单估算为:张拉系统摩阻引起的预应力损失σl1为2%~4%;锚头夹具回缩引起的预应力损失σl2为3%~6%;钢材应力松弛引起的预应力损失σl3为5%~10%;土体蠕变引起的预应力损失σl4为10%~15%。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失大约在25%~40%之间。如果地层性质较差,比如基坑或边坡的上覆土层在较深范围内为杂填土、或土层的含水量较大、或锚杆穿越的土层较多而每种土层的性质相差较大等情况,由于土层与锚杆的锚固体之间的摩阻力有限,在锚杆的预应力施加到一定数值时就会出现锚杆被拔出的现象,此时锚杆的预应力损失可能更大。
4 锚杆预应力损失的试验研究
边坡加固下的锚杆预应力损失研究是笔者进行框架预应力锚杆柔性边坡支护结构模型试验的内容之一[13]。试验模型依据几何相似原理建立,为了增加模型试验的可靠性,采用大比例室内模型试验,取几何相似比为1∶3。
4.1 试验材料
试验材料与实际工程相同,本次试验所用主要材料为:土、混凝土、钢筋、水泥和砂子。
(1)试验用土体取自某自然边坡,为黄土状粉土,浅黄色,场地内连续分布,土质均匀,在进行原状土含水量、密实度测量后,通过控制填土密实度,分层向模型箱填土形成土坡;
(2)混凝土强度等级采用C20,按标准试验条件制作构件;试验用钢筋为普通钢筋,框架梁柱、面板配筋以及锚杆用钢筋均采用HPB235级;
(3)锚杆锚固段采用水泥浆高压二次注浆,水泥浆根据规定配合比并结合施工经验现场配制,试验测试时,水泥浆完全凝固,达到设计强度M30。
4.2 试验模型设计
试验模型箱采用钢木组合结构型式,箱体骨架采用槽钢,箱体内壁采用18mm厚木工板,各构件之间采用焊接与螺栓连接,试验模型箱长×宽×高净尺寸为3.6m×2.4m×3.6m。为减小模型试验的边界效应,在箱体内侧张贴一层0.3mm厚的塑料膜,经过处理后,侧壁和土体之间的摩擦力的影响将得到有效控制,可认为对试验基本无影响。试验模型箱的制作和试验土坡的具体形成过程详见周勇[13]的研究结果,加工制作完成后的试验箱如图2所示。
4.3 试验锚杆设计及钢筋计布置
锚杆拉力根据几何相似条件及文献[13]提出的计算方法确定。模型中锚杆材料采用HPB235级钢筋,锚固体直径取与实际工程中相同的孔径150mm,上面三排锚杆的水平倾角取10°,最下面一排为防止锚杆倾角过大接触地面而影响锚固效果,其水平倾角仅取5°。锚杆自由段长度和锚固段长度由计算确定,锚杆与框架的连接采用钢垫板与高强螺栓,最终锚杆设计剖面如图3所示。
试验模型中共设计了12根锚杆,根据试验设备的数量和支护结构的对称性,仅在边柱1和中柱位置上的八根锚杆钢筋上设计了钢筋计,测点布置编号如图4。
4.4 试验结果分析
图5为对各排锚杆施加预应力时其相应的预应力变化曲线,由于未考虑边坡的极限破坏状态,因此预应力均未达到各锚杆的极限抗拔力。图6为对应于锚杆施加预应力时其相应实测拉力的变化情况。前者由预应力拉拔仪读出,后者由钢筋计和SS-III型台式数字钢弦频率接收仪共同得出。图7给出了锚杆预应力损失变化曲线,图8给出了加载后并停止施加预应力时最终各锚杆的预应力损失变化曲线,经分析可得如下结论:
(1)理论上讲,如果锚杆不存在预应力损失,则锚杆施加的预应力读数和锚杆拉力实测值应该是相同的。对比图5、图6,两者纵坐标相同,明显可以看出图6中的曲线较图5中的曲线平缓,即锚杆上施加的预应力增长速度较各锚杆拉力增长要快,这说明锚杆均产生了不同程度的预应力损失。而且在预应力的施加初期,预应力损失非常明显,分析原因可以认为,锚杆刚开始施加预应力时,会使锚具大量回缩、框架和挡土板后的土体会产生较大的压缩变形从而引起锚杆较大的预应力损失。
(2)从图7所显示的各锚杆的具体预应力损失数值的变化过程来看,各锚杆的预应力损失没有严格可循的变化规律,这主要是由于影响锚杆预应力损失的因素很多,比如锚杆锚固段的钻孔直径有差异,灌浆的效果就不一样。本次试验中最主要的问题是加载设备数量有限,因此采用逐个锚孔分级循环加载,加载完成后立即锁定该级荷载,即锚杆的预应力施加不是在同一个时间进行,同时锚杆的张拉顺序对锚杆的预应力损失影响明显。但是框架预应力锚杆柔性支护结构最大的特点就在于框架与锚杆通过锚杆预应力的作用能够实现主动协同工作,如果锚杆的预应力不能在同一时间实现同步张拉,则由于框架与锚杆的协调变形会导致锚杆的预应力损失没有特定的规律而出现了随机性,对工程实践失去了指导意义。因此,在边坡加固工程中,为了减少预应力损失,应尽量实现同步张拉,且根据实际情况对于局部锚杆采取预应力补偿张拉的措施。
(3)本文前面在详细分析总结影响框架预应力锚杆柔性支护结构锚杆预应力损失因素的基础上,根据各影响因素的特性规律给出了锚杆预应力损失的简单定量估算,具体估算值为25%~40%。从图8可以看出,各锚杆的预应力损失量不一样,最小损失百分比为锚杆A4的23.65%,最大损失百分比为锚杆A6的44.04%,八根锚杆的预应力损失百分比平均值为32.41%,显然大部分锚杆的预应力损失百分比和所有锚杆的预应力损失的平均值都验证了这个估算范围,但是锚杆A4和A6出现了异常,这一点可以从图4中锚杆A4和A6的位置进行分析。文献[13]指出在框架预应力锚杆柔性支护结构中,中下部锚杆受力较大,上部锚杆受力较小。从图5、图6可以看出,锚杆A4无论是预应力的施加还是锚杆拉力实测值都较小,所以总体上预应力损失偏小;而锚杆A6由于位置靠下,上覆土压力较大,对其施加的预应力数值较大,但是由于对其施加预应力的时间较早,考虑钢筋的应力松弛和土体蠕变影响较大,最终导致其预应力损失较大。
5 结论
(1)分析总结了影响框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失的主要因素,具体包括张拉系统摩阻、锁定后锚具回缩、钢材应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗,综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算锚杆预应力损失范围大约在25%~40%之间。
(2)对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。但是由于文中建议的式(1)中,各项值均为一范围值,各项值如何根据具体情况确定无法明确,因此式(1)的预应力损失估算方法,只能做一总量估算,要明确各项数值还需进一研究确定。
(3)本文的研究是基于压实人工填土,并非原位土体,这对试验结果会有很大的影响。并且文中仅是利用一种土的试验结果,作为用于复杂地质条件下的基坑或边坡锚杆预应力损失量值的估算,依据还不是很充分。另外,影响框架预应力锚杆柔性支护结构的锚杆预应力损失的因素很多,有些因素可以人为控制,有些因素只能尽量避免,在施工过程中应该尽量减少锚杆的预应力损失,以使锚杆能够有效地发挥作用,取得良好的加固效果。
摘要：框架预应力锚杆柔性支护结构是用于提高边坡稳定性的一种新技术,锚杆作为其中的核心受力构件,其预应力值的大小是有效限制边坡位移的关键,但在实际工程中锚杆产生预应力损失是必然的。为深入了解锚杆的工作性能和作用机理,对其预应力损失进行研究,分析总结了影响锚杆预应力损失的主要因素,包括张拉系统的摩阻、锁定后的锚具回缩、钢材的应力松弛、土体蠕变、群锚效应和张拉顺序、降雨入渗等。综合考虑其它各种因素的影响,可粗略估算一般锚杆预应力损失范围大约在25%～40%之间。另外,为进一步验证锚杆预应力的损失大小,对框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的锚杆预应力损失问题进行了试验研究,结果表明本文给出的简单定量估算是可行的。
关键词：框架锚杆柔性支护结构,预应力损失,影响因素,试验研究
预应力锚杆支护 篇2
XX煤矿培训科 二零一二年八月
目
录
锚杆支护工培训教材提纲...................................1 锚杆支护工岗位责任制....................................2 锚杆支护工操作安全要点...................................2 锚杆支护工操作前的准备...................................3 锚杆支护工操作前的安全确认...............................4 锚杆支护工操作程序......................................5 事故案例................................................6 锚杆支护工培训教材提纲
一、备课人：xxx
二、备课时间：2012年8月15日
三、培训的目的：使员工掌握所需的安全生产知识、提高安全生产操作技能
四、培训的重点、难点：
锚杆支护工岗位责任制，安全注意事项，以及能熟练操作，并能掌握一些应急防范措施。
五、培训内容：
1、锚杆支护工岗位责任制
2、锚杆支护工操作的安全要点
3、锚杆支护工操作前的准备
4、岗位操作前的安全确认
5、操作程序
6、锚杆支护工危险源的辨识
7、本岗位事故案例
六、课后的思考题：
1、如何履行自己的岗位职责？
2、锚杆支护工的操作安全要点有哪些？
3、谈谈对事故案例的感想及今后预防措施？
锚杆支护工岗位责任制
1、锚杆支护工必须熟悉巷道支护方式及规格，正确使用支护材料。
2、锚杆支护工要有明确的分工，也要精诚合作。
3、锚杆支护工应按要求连接网片、安装锚梁、打注锚杆和锚索。
4、锚杆支护工必须掌握钻孔的深度、垂度、角度及锚杆、锚索外露长度、锚固力、拧紧力等，各项指标符合设计要求。
5、锚杆支护工进行支护前必须严格执行敲帮问顶制度，作业过程中随时注意顶帮变化，严防冒顶或片帮，坚持不违章作业，制止违章作业。对于不符合工程质量要求的坚决按规定补打或重打，直至合格为止。
6、要随时检查钻孔瓦斯涌出情况，严禁超限作业。
锚杆支护工操作安全要点
1、在支护前和支护过程中要敲帮问顶，及时摘除危岩悬矸。
2、严禁空顶作业。
3、煤巷两帮打锚杆前用手镐刷至硬煤，并保持煤帮平整。
4、严禁使用不符合规定的支护材料。
5、锚杆的直径、间距、排距、深度、方向等，必须符合作业规程规定。
6、安装锚杆时，必须使托盘（钢板、槽钢）紧贴岩面，未接触部分必须楔紧垫实，不得松动。
7、锚杆支护巷道必须配备锚杆检测工具，锚杆安装后，对每根锚杆进行预紧力检测，不合格的锚杆要立即上紧；对锚杆锚固力进行抽查，不合格的锚杆必须重新补打。
8、当工作面遇断层、构造时，必须补充专门措施，加强支护。
9、要随打眼随安装锚杆。
10、锚杆的安装顺序：应从顶部向两侧进行，两帮锚杆先安装上部、后安装下部。铺设金属网时，铺设顺序、搭接及联接长度要符合作业规程的规定。铺设网时要把网张紧。
11、锚杆必须按规定作拉力试验。煤巷必须进行顶板离层监测，并用记录牌板显示。
12、巷道支护高度超过2.5m，或在倾角较大的上下山进行支护施工，应有工作台。
锚杆支护工操作前的准备
1、备齐锚杆、网、梁、锚固剂、垫片等支护材料，并检查其材料质量是否合格，严禁使用不合格、变质的支护材料。
2、备齐施工机具（如风钻、煤电钻、钻杆、钻头等）并检查其完好性，严禁使用弯曲的钻杆、失爆的煤电钻等不合格规定的钻具。
3、检查施工所需的风、水管路及风嘴、水针，确保畅通。
4、空载试运转机具，确保正常使用。
5、检查控顶距及顶、帮永久支护情况，进行敲帮问顶工作。
6、检查、照看施工中腰线。
7、严格按“掘进钻眼工第4~8条”进行检查、处理。
锚杆支护工操作前的安全确认
一、施工前安全确认内容
手指口述：安全退路畅通，确认。手指口述：顶帮活矸危岩已处理，确认。手指口述：机载临时支护支设可靠，确认。手指口述：风水管路连接可靠，确认。手指口述：锚杆钻机完好，确认。
（二）、施工中安全确认内容 手指口述：眼位已确定，确认完毕。手指口述：钻杆连接可靠，确认。手指口述：锚杆孔深度达到要求，确认。手指口述：孔壁已清洁干净，确认。手指口述：垫片、螺母已上好，确认。手指口述：金属网已连接好，确认完毕。
（三）、施工后安全确认内容
手指口述：支护质量符合要求，确认。手指口述：风水管路已关闭，确认。手指口述：钻机已放在指定位置，确认。手指口述：钻头、钻杆已收好，确认。
锚杆支护工操作程序
1、准备、检查支护材料、支护机具及风、水管路，处理隐患问题。
2、敲帮问顶，处理活矸危岩。
3、进行临时支护。
4、当顶板涌水量大，锚杆无法安装时，应在与设计锚杆眼平行距设计锚杆眼300mm处重新打一个锚杆眼进行锚杆安装。
5、按中、腰线标定眼位。
6、钻眼。
7、安装锚杆、金属网、锚梁，上垫片。
8、测试锚杆锚固力，检查支设质量，对不合格的锚杆进行补支处理。
9、清理现场，收拾好钻具、材料。
锚杆支护工危险源辨识
1．装卸锚杆操作不规范，作业规程未对树脂药卷运送要求。2．启动前未检查锚杆机的完好或检查不到位，操作锚杆机时，没仔细观察周围环境。
3．启动锚杆机前未检查水路、油路。4．未检查或检查不到位，顶板、两帮状况差。
5．操作不当；掘进支护工戴手套、松散袖口、衣襟作业；液压管路接口松动或老化；锚杆机不完好；持证上岗、熟悉本岗位工作、熟练操作，锚杆钻机，锚杆钻机钻杆。
6、敲帮问顶工具不合适。
7、顶板和巷帮不完好。
8、高空作业未挂保险带。
9、打眼过程中操作不当或操作人员配合不当。
10、锚杆安装质量不合格。
事故案例
1、事故经过：
1999年4月22日晚六点班，XX掘进工作面正在生产。由于该工作面顶板压力大，煤壁松软，不时有大块煤块折帮。当班21点左右，扒装机前移后，跟在机后清理卫生的徐XX被突然折帮的煤块砸在右小腿上，造成小腿轻微骨折，肌肉撕裂。
2、事故原因：
（1）员工徐XX自主保安意识差，对煤壁折帮可能造成的危害辨识不到。
（2）当班班长班中巡查不到位，不能够对工作面存在的危险源及时提出警示。
（3）工区安全教育培训不到位，致使职工对危险源辨识能力不强，安全防范意识差。
3、防范措施：（1）加强对职工的安全教育培训，提升安全防范意识和危险源辨识能力。
预应力锚杆支护 篇3
一、预应力锚杆的作用
基坑支扩中，一般选用钢铰线作为预应力筋。利用对其自由段预拉的弹性回缩力对支护结构施以预设的应力，使支护结构得以稳定。预应力锚杆的作用司可以从以下两个方面理解。
1．施加预应力实现荷载平衡
施加预应力的方法可认为是对混凝土面板施加与主动土压力方向相反的荷载，用以抵消部分或全部土压力。混凝土面板为受力对象，一方面受到土体的压力，另一方面受到施加的预应力，在结构平衡时，两者应近似相等。对面层而言，只要能够满足施加预应力时面板不被破坏，再增加其厚度是没有多大作用的。
上述分析在说明预应力和土压力相互关系的同时，也为支护的设计与分析提供了依据，它是支护结构稳定的保证。
2．预加应力使土体和锚固体共同作用，发挥两者的潜力
预加应力可以使锚固体与土体进行协调结合(如图1，其中滑裂面与面板间为非粘结型)。将预应力锚杆分为三段，A点为锁定点，朋为自由段，则AB段预应力筋的应力大小相等，方向A→B；C点为锚固体受土体静摩擦力为0的点，BC间土的剪应力由B到C逐渐减小；CD同土与锚固体的剪应力可以认为等于0。
根据上述，通过预加应力，使自由段处的土体预压，使包裹锚固体的土体产生向基坑外的剪应力，以抵消基坑开挖时释放的土压力，储备抗变形能力。因此，预应力锚杆是一种充分利用高强钢材的能力、改变土体受力状态的有效手段。根据分析，可以看出：
(1)沿锚杆锚固段的黏结应力分布由自由段向坑外逐渐减小，计算时选用的摩阻强度系数只是一种近似，但在施工中可通过现场抗拔实验加以复核修正。
(2)由于土体应力状态的改变，也改变了土体的性能，土体由于受力压紧，其粘聚力C增大：另一方面，由于预应力作用，原来的土压力方向发生了改变，阻碍了滑移面的产生，换言之，即有效地控制了土体的变形。它为变形控制提供了依据。
预应力锚杆作用的两种理解方式，都是建立在基坑自稳、土体未产生变形的基础上。因此也就要求下步开挖是在锚杆张拉，施加预应力之后进行，这对施工步骤提出了严格要求。如果与此工序相反，则预应力锚杆的作用将大打折扣。
二、预应力锚杆的设计
预应力锚杆指的是用水泥浆或水泥砂浆将一组预应力筋锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚体。它所承受的拉力首先通过周边浆体的握裹力而传递到水泥浆中，然后再通过锚固段周边地层的摩阻力而传递到锚固区的稳定地层中。因此，应包括设计和试验两部分。
1．设计计算
锚杆预应力值的确定对于锚杆的应用起决定性作用，它不仅要考虑安全与经济性，而且对变形的控制尤为重要，其计算步骤如下：
(1)满足基坑稳定的支挡结构的力 根据静力分析；确定基坑稳定时各支护构件的参数，主要是各种力的大小，如桩承受的土压力，土钉的抗拔力等。
(2)预应力值的确定 由计算可知在支护体系中，支挡结构各部位所承受的土压力，再乘以安全系数，即施加的预应力。土钉支护时，土压力用抗拔力代替；其他支护类型用实际求得的土压力进行计算。
(3)预应力锚杆参数的确定 由预应力值，结合勘查的土性参数，确定锚杆参数，包括锚杆长度，自由段长度，预应力筋个数，倾斜角等。
(4)基坑稳定性是否满足要求 各参数计算结束后，再对整体进行稳定计算，如满足要求，则进行下一步工作。
2．试验资料
由于深基坑支护时，场地工程条件千差万别，开挖后与勘察资料不尽相同，因此现场实验必不可少。土层锚杆的抗拔能力取决于孔壁摩阻力。因此土层锚杆浆体的强度可略低，较多工程选用水泥净浆，基本可达到要求。现场实验的目的主要有：
(1)预应力锚杆的受力变化特性 通过分级加载下锚头的位移值，可对土体及锚杆的性质有一定了解，以便调整施工参数。
(2)抗拔力确定 通过抗拔实验，得出锚杆的极限承载力，应使荷载比β(锚杆的锁定荷载与锚杆的极限承载力之比)控制在较小的范围(β≤0．55)，以最大限度发挥预应力锚杆的锚固作用。
(3)安全储备 由实验知预应力设计值与极限承载力的关系，也就知道了安全储备情况，储备越大，其上部施加相同超载时越安全。这也从另一方面说明了支护结构的安全可靠性。
三、锚杆张拉与锁定
锚杆灌浆后，待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度的70％后方可进行张拉。张拉过程中分级加载，当预应力没有明显衰减时，可锁定锚杆。主要存在三个方面的问题：
1．张拉工艺
跳张法：为避免张拉对相邻锚杆的影响，应采用跳张法，即隔一或隔二张拉，尽量减少相邻锚杆张拉引起的预应力损失。
2．锁定值
既然预应力锚杆对变形有控制作用，那么，张拉锁定值是不是越大越好呢?并非如此，主要有以下几个问题：
(1)受地层特性、预应力锚杆及锚具的力学性能限制，预加应力值不可能无限增大；
(2)张拉值过大，使锚杆处于高强度工作状态，容易引起筋体的蠕变，进而导致预应力的损伤；
(3)过大的张拉值，使应力集中现象更明显，也容易引起面板的裂缝与破坏。
但张拉值也不能过小，否则不能完全发挥预应力的作用。
笔者认为，张拉应控制在设计值的110％左右，这样考虑锁定时夹片回缩力损失，张拉锁定的有效应力基本与设计值相等。
3．补偿张拉
有深坑支护中，由于土体蠕变，混凝土面板的徐变以及预应力材料的松弛损失，锁定的预应力值会有不同程度的减小，因此，需要考虑补偿张拉，但必须与基坑的监测数据相配合。在多排锚定结构中，笔者认为，在侧向土压力最大值附近的锚杆应进行补偿张拉；而其余部位锚杆，只要基坑变形符合规范，可不进行补偿张拉。
预应力锚杆支护 篇4
1 基本构造
预应力锚杆柔性支护体系包括诸多的组成部分, 如预应力锚杆、面层、锚下承载结构、排水系统等。承载体系指的是预应力锚杆, 构造体系则由面层和锚下承载结构组成, 排水系统则发挥着辅助作用。
具体来讲, 预应力锚杆柔性支护技术指的是在潜在滑移面以外的稳定岩土体中锚固锚杆的锚固段, 通过锚下承载结构和面层, 在潜在滑移面以外的稳定岩土体中施加锚杆增加的预应力。因为存在着预应力, 那么就会有压应力区产生于锚杆周围岩土中, 这样潜在滑动面上的正应力和抗剪阻力就会得到增加, 非稳定土体的下滑力得到减少, 因此, 将预应力施加于锚杆上, 可以对岩土体的变形进行主动控制, 对岩土体的应力状态进行合理调整, 促使基坑的稳定性得到强化。
2 变形和稳定分析
通过研究发现, 传统的深基坑支护结构将稳定性控制的设计方法应用过来, 以此来促使支护结构的安全和稳定得到保证。如今基坑有着越来越大的深度和更加复杂的环境条件, 对深基坑支护结构设计提出了更高的要求。因此, 在基坑工程中, 如今变形控制设计方式逐渐取代了以往的强度控制设计方式。过去传统的极限平衡法, 主要是分析基坑稳定性, 无法对任何有关变形的信息进行获取, 但是基坑开挖数值模拟计算分析则可以全面分析研究基坑支护的受力、变形以及破坏模式等力学行为, 以便更加有效的指导基坑工程的设计和施工。本文主要采用的是FLAC2D, 将显式有限差分格式求解场的微分控制方程给利用了起来, 通过混合离散元模型, 来对材料的屈服、塑形流动进行准确的模拟, 可以对基坑开挖的施工过程进行模拟, 进而实时仿真施工过程。
一是工程概况和计算模型:本文以某大厦深基坑工程为例, 基坑深度为23.5米, 对11排锚杆进行了布置, 锚杆长度在8米到20米之间, 竖向间距和水平间距分别为2米和1.5米, 将高强度低松弛钢绞线作为锚杆杆体。结合地质勘察结果, 场地包括诸多的土质类型, 如杂填土、中风化辉绿岩、微风化辉绿岩等。深基坑模拟宽度和模拟深度分别为50米和35米, 其中, 基坑开挖宽度和开挖深度分别为10米和23.5米, 基坑模拟所划分的平面单元有数千个, 每一个网络单元尺寸为0.25平方米。模型左右两侧对水平位移进行限制, 模型底面对水平位移和垂直位移进行限制。我们将理想弹塑性本构模型—摩尔库仑屈服准则作为土体, 预应力锚杆的模拟利用cable单元来实现。
二是计算结果分析:首先是基坑稳定分析, 我们将极限平衡法和强度折减法给应用了过来, 这样就可以将不同工况下的基坑安全稳定系数给得出来。通过对预应力锚杆进行施加, 前移了基坑潜在滑移面的位移, 在较大程度上提升了基坑的安全稳定系数。
其次是基坑位移分析, 通常是沿着基坑深度, 基坑坑壁的水平位移呈曲线分布形式, 在基坑顶面出现了最大位移, 深度增大的同时, 会逐渐较小。增加锚杆预加力, 会在较大程度上减少基坑坑壁的水平位移, 但是会逐渐减小减小的幅度。如果预加力值在k N以上, 那么对预加力进行提升, 基本上不会影响到坑壁变形。基坑地面的沉降分布规律等同于坑壁水平位移分布规律。越大的水平位移, 就会产生越大的沉降量。因此, 在控制中, 往往将水平位移作为标准, 基坑稳定不受影响的基础上, 对基坑坑壁的水平位移进行控制, 通常就可以控制地面沉降。
最后是基坑滑移场分析, 我们从理论层面来进行分析, 因为将预应力施加于锚杆上, 那么基坑坑壁水平位移和基坑地表沉降就得到了减小, 对岩土体的滑动起到一定程度的约束作用, 对岩土体的剪切变形进行减少, 这样潜在滑动面上岩土体的剪切变形也会得到减小, 对于出现的岩土体塑性区, 也会起到一定的延缓作用, 促使潜在滑移区的范围得到了缩小。通过研究发现, 在不断增加锚杆预应力值的过程中, 会逐渐减小潜在滑移面上剪切应变, 减小滑移区, 如果预应力在400k N以上, 就会大范围消失滑移区, 只会有小范围存在于基坑底处。因此, 通过锚杆预应力的施加, 可以对基坑变形进行减小, 并且基坑岩土体塑性区的范围也得到了缩小, 对于岩土体潜在滑动区的出现, 可以起到延缓或者阻止作用。
3 结语
通过上文的叙述分析我们可以得知, 随着时代的进步和发展, 预应力锚杆柔性支护技术因为具有一系列的优点, 因此被广泛应用到深基坑支护中。通过有限元数值模拟, 可以将锚下承载结构各个构件的最佳匹配尺寸给得出来, 这样可以对设计和施工起到有效的指导作用。在具体的实践施工过程中, 需要结合具体情况, 综合考虑诸多方面的因素, 科学设计应用方案;在施工过程中, 严格依据相关的规定和要求来进行, 以便更好的将预应力锚杆柔性支护技术给应用到深基坑支护中, 推动我国各类建筑事业获得更好的发展。
摘要：随着时代的进步和社会经济的发展, 我国城市化进程在逐步的加快, 在高层建筑、地下商场以及地下车库中出现了大量的深基坑开挖支护工程, 深基坑工程有着越来越大的规模、开挖面积和开挖深度。预应力锚杆柔性支护技术因为具有一系列的优势, 因此被广泛应用到深基坑支护中。本文简要分析了深基坑支护中的预应力锚杆柔性支护技术, 希望可以提供一些有价值的参考意见。
关键词：深基坑支护,预应力锚杆,柔性支护
参考文献
[1]魏凤仙, 张略, 郑伟峰.深基坑预应力锚杆柔性支护设计参数的灵敏度分析[J].工程勘察, 2010, 07 (01) :123-125.
[2]林振德, 陈云彬.结合永久性边坡支护的深基坑预应力锚杆柔性支护法的应用[J].岩土工程学报, 2012, 11 (15) :44-46.
[3]贾金青, 涂兵雄.预应力锚杆柔性支护法在超深基坑中的实践[J].岩土工程学报, 2012, 11 (15) :55-57.
锚杆联合支护技术研究探讨 篇5
【关键词】锚杆支护；支护系统；应用
0.引言
随着浅部资源的日益减少，我国有越来越多的煤矿进入深部开采。井下开采深度的增加，使得高应力巷道不断涌现，在浅部应力状态下表现为硬岩特征的岩石，在深部高应力状态下往往表现为大变形、难支护的软岩特征[1]。矿井深部开采存在“三高与时间效应”，即深部岩体处于地应力高、温度高、渗透压高以及较强的时间效应。深部开采造成巷道变形明显、支护困难，冲击地压、煤与瓦斯突出，以及围岩透水等灾害较严重，这些问题给煤矿生产中的巷道围岩控制增加了难度。
锚杆支护的适用条件普通单体锚杆只适用于加固稳定的岩石巷道或围岩岩体较完整的巷道，但在围岩较软或破碎带规模较大的岩巷、煤巷及动压巷道中往往取不到应有的效果，导致质量事故。随着煤炭开采深度的不断增加，巷道断面不断扩大，巷道压力的不断加大，冒顶事故时有发生，凸现了锚杆支护中存在的一些问题。笔者针对锚杆支护中的一些问题提出锚杆与锚索联合支护在煤矿巷道中的应用提出一点看法，以供同行探讨。
1.锚杆支护系统的缺点分析
（1）锚杆支护设计方法不科学虽然已制定煤巷锚杆支护规范，但设计时绝大多数采用工程类比法，支护形式和参数确定不尽合理，有可能支护强度太高，支护成本大，浪费了材料；在松软、软弱等特殊地质条件下支护强度也可能不足，出现片帮、冒顶等安全事故。
（2）锚杆的支护材料质量不能完全达到要求如钢材质量、加工的螺纹质量、树脂药卷质量等均直接影响支护质量。
（3）锚杆支护监测仪器与技术不能满足现场施工需要常用仪器的精确度、实用性不尽完善，不能完全反应锚杆支护效果。
（4）现有技术条件下，施工因素是直接影响锚杆支护可靠性的关键环节施工人员对锚杆支护理论的系统认识不够，对锚杆的安装操作质量管理不到位，施工达不到设计要求。如有时只重视对顶板的支护而忽视了对巷帮和底板的控制，或有些工人技术不过关、责任心不够，造成锚杆和锚索支护强度降低。施工中常见的巷道凹凸不平，锚杆、锚索托板不紧贴岩面，造成锚杆、锚索没有预应力而失效。
2.锚杆与锚索联合支护的研究
（1）锚杆与锚索联合支护的概念锚杆与锚索联合支护是煤巷巷道掘进过程中的一种主要支护形式，可以与钢带、金属网、工字钢梁联合使用。合理选择锚杆参数及支护形式，是安全、科学、经济的，能起到提高支护质量和矿山效益、降低成本的作用。锚杆与锚索联合支护是通过围岩内部发挥其支护作用的，其实就是变巷道被动支护为主动支护，提高巷道围岩的自身承载力。随着巷道围岩状况的不同，锚杆与锚索支护也具有不同的作用机理。
（2）分析锚杆与锚索联合支护。单根锚杆锚索加固岩体形成锚杆锚索周围应力包，只要锚杆锚索间距、排距适当时，同时在群锚的作用下.应力泡相互叠加，形成岩体内承载圈加固带。对于开掘巷道锚杆锚索支护，视岩石硬度、完整性、岩体节理情况、地应力、服务年限及是否受动压影响等因素，而确定锚杆锚索支护形式，由于伪顶性脆、易碎。直接顶坚实，最常用的是锚杆与锚索、网的联合支护形式。锚杆与锚索、钢带抗弯强度小易贴顶承受载荷小，顶板平整时常用锚杆加固伪顶，锚杆与锚索加固直接顶；锚杆与钢梁则能承受较大载荷。锚杆桁架是利用拉杆所产生挤压力减少或消除下位岩层的拉应力。形成一种以顶板岩层受压，拉杆受拉，类似桁架的承载结构，但两帮围岩体强度要高，若顶板完整性好，分层厚度又大，应该使用锚杆与锚索联合支护，利用锚索钢绞线较长的特点，在围岩上部形成一个能防止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而保持巷道支护的稳定性。
3.联合支护应用案例
某矿综采工作面位于本公司井下位于26125采区巷左翼的中南部，南部为已采的26123工作面，东部、北部为实煤，为矿界煤柱，西部为本采区三条大巷。工作面倾斜长150m，煤层倾角为3.50～70， 煤层厚度3.3～3.66m，平均为3.53m。煤层直接顶为泥质粉砂岩及灰白色细砂岩，底板为泥岩、砂质泥岩。
3.1支架控顶区到煤壁间的支护设计结合该矿实际最终确定选择锚杆与锚索联合支护
（1）顶锚杆锚杆长度可由下式计算进行确定，即L=K（1.1+B/10），式中K为围岩稳定影响因素，因顶板已受采动超前压力影响，取1.4m；B为支架出架通道宽度，取1.8m。由式知锚杆长度不小于1.79m，故选用公司常用Φ22mm×2200mm螺纹钢锚杆，根据煤矿顶板支护经验，锚杆间排距为800mm×800mm，每根锚杆用三节树脂药卷。
（2）锚索。
根据悬吊理论来设计锚索支护参数，结合煤矿巷道支护的经验，锚索采用Φ17.8mm×6300mm钢绞线，锚索间排距为1600mm×1600mm。
（3）帮锚杆。
采用砼托板配合Φ18mm×1700mm的端头锚杆为帮锚杆支护煤壁，帮锚杆间排距为750mm×1100mm。
3.2锚杆与锚索的联合支护实践
运输巷和回风巷均为锚杆配钢带支护巷道，在工作面距上半段停采线6m到停采线时，不采用铺金属顶网和拉设钢丝绳来控制支架顶板，而直接采用锚杆和锚索配钢带支护来控制支架控顶距离和出架通道。即采煤机割第一刀煤时先在煤壁用单体支柱每隔1m打上贴帮柱作为临时支护，用两台锚杆钻机（为加快时间）按锚索支护的间排距进行打眼， 采用方钢板（长250mm，宽250mm，厚8mm）沿工作面倾斜布置配合锚索进行支护顶板。割第二刀煤后，按锚杆支护间距采用锚杆配钢带（长3m，宽0.3m，眼间距0.8m沿工作面倾斜布置）进行支护顶板，锚杆（索）配钢带支护是为防止上一台支架撤除后矸石垮落影响下一台支架回撤。采用锚索和锚杆交替支护距停采线1.8m时停止拉架，用单体推移输送机割煤到停采线并支护到停采线。出架通道顶板最后2排支护每排均采用锚杆和锚索交替按间排距800mm×800mm进行支护，即打一棵锚杆距离800mm打一棵锚索。锚索和锚杆支护示意图，如图1所示。
4.结论
实践表明锚杆、锚索、金属网等构件组合形成悬吊作用、组合梁作用和加固作用，使被锚固岩层形成一个整体承载结构，改变了下部岩层受力状态，提高了岩层自身承载能力，有效地控制巷道围岩的早期离层，减少巷道围岩变形，提高了巷道支护的可靠性，是一种积极主动的支护方式，应该大力推广和广泛应用。 [科]
【参考文献】
[1]周金城.锚网壳支护技术在高应力巷道修复中的应用[J].煤礦支护，2008，（1）.
[2]杜剑锋.锚、网、带、喷+锚索+锚注联合支护在高应力软岩巷道中的应用[J].煤矿支护，2010，（1）.
预应力锚杆支护 篇6
1 黄土地区预应力锚杆锚固机理
预应力锚杆的作用机理与极限抗拔承载力研究锚杆是一种新型有效的锚固技术, 是通过锚杆将结构物锚固在稳定、坚实的岩土地层或坚硬土层中, 利用周围地层的抗剪强度来抵抗结构物传来的拉力[1]。目前对预应力锚杆的研究主要表现在作用机理和极限抗拔承载力的研究。陈妙峰等[2]为研究钢管岩石锚杆的锚固机理, 模拟实际情况制作试验模型并进行了静载作用下模型的拉拔试验, 通过对试验结果的研究与分析, 得到了沿锚杆的轴力与粘结应力的分布规律。陈荣等[3]设计了一系列室内试验对砂固结预应力锚杆作了深入研究, 并基于试验成果对砂固结锚固机理作了探讨。高永涛等得出预应力锚杆承载过程中的锚杆轴力及其变形、位移的计算公式, 并对工程实例进行验算, 和实测结果进行比较, 结果表明方法较为合理。以前所采用的土锚界面模型几乎都是经验的[4]或是根据土的纯剪切结果而定[5], 孔宪宾通过试验验证了锚杆与土体之间的界面相互影响的机理, 可在给定界面参数的情况下预测锚杆的特性, 可在减少大量锚杆拉拔试验的情况下得到较为可靠的锚杆特性数据, 另外, 其还应用数学—力学方法, 分析了土—锚杆界面间相互作用的机理, 给出了基于锚杆与土体界面的理想弹塑性模型的数学解析解。总体看, 目前关于预应力锚杆作用机理的研究较多, 但是由于支护结构本身的复杂性, 土—锚相互作用还有很多问题, 具体包括: (1) 有限元数值计算中数值模型研究虽然能够模拟基坑支护和边坡加固结构的应力应变状态, 但是其计算结果的正确性却依赖于力学模型的正确性, 而力学模型的正确性又依赖于所选取参数的合理性; (2) 由于基坑和边坡问题的复杂性, 其作用机理非常复杂, 所受影响因素很多, 它不仅和基坑边坡的几何形状有关, 还与锚杆本身的强度、锚固参数以及施工工艺有关, 因此在分析其作用机理时要综合考虑各方面的影响。
锚杆的抗拔承载力是锚杆设计的一个重要参数, 这方面的研究也有不少成果。赵明华等通过对锚杆抗拔承载机理的深入分析, 综合讨论了锚杆抗拔承载力的设计计算方法, 并结合工程实例, 对锚杆抗拔试验及承载力确定方法进行探讨, 提出了基于锚杆抗拔试验资料的Qs-调整曲线预测模型。俞晓等针对土层锚杆的破坏形式, 基于岩土塑性极限平衡理论, 讨论了土层锚杆极限承载力的问题, 并推导了相关计算公式。李玉霞等通过对不同规范提出的土层锚杆试验的四种方法的深入研究, 结合土层锚杆工程检测的实践经验和大量试验数据, 提出了比较合理的土层锚杆抗拔承载力试验方法。
对预应力锚杆进行变形分析是进行支护结构和锚杆协调变形分析的基础, 但是这方面的内容并不是很多。刘俊生[6]从土锚受力方式及其变形特性分析入手, 通过对不同受力类型锚杆的变形计算公式的推导, 导出了适用于不同类型的的土锚刚度计算公式。邹金峰等[7]将锚杆拉拔位移分解成自由段的弹性变形、锚固段的拉伸变形和锚固段与土体之间的相对剪切位移。分析锚杆自由段长度、锚固段长度、锚杆体截面积、浆体强度、锚杆孔径及土层剪切模量与锚杆弹性模量的比值等因素对锚杆位移的影响, 并假定锚固段与其周围土体之间的剪应力与剪切位移呈线性递增关系、锚固段所受的轴力呈抛物线分布, 建立了锚杆荷载与位移之间的关系式。张友葩等[8]通过对锚杆承载机理的分析, 根据预应力锚杆在同一拉拔力作用下锚固段的切向位移越小锚杆的承载性能越好这一特性, 给出了杆体切向位移的计算方法。根据工程实际, 利用预应力锚杆在拉拔过程中所测试到的切向位移, 对杆体的锚固段长度进行了比较系统的分析。预应力锚杆的预应力损失主要包括两部分:一部分是, 锚杆张力张拉锁定前后较短间内, 由于张拉系统的摩阻力和锚杆体系的回弹变形等引起的预应力损失量;另一部分是, 锚杆在长期荷载作用下, 由于灌浆材料的的徐变、锚固段周围土体的蠕变、钢筋应力松弛等因素造成的预应力损失量。对于前者, 工程上一般通过改进张拉锁定系统、超张拉或补偿张拉等弥补;对于后者, 其损失量往往比较大, 如损失后的预应力值小于设计值一定水平, 则将导致锚固功能的失效。就目前而言, 要精确计算具体的预应力损失量还有困难, 因为在长期荷载作用下, 预应力损失还与材料性质、锚固介质的力学特性、施工工艺等诸多因素有关。在现有的设计条件下, 只能通过充分考虑各种影响因素后, 给出预应力损的简单估算值, 然后从工程安全的角度给予考虑。探讨预应力锚杆的变形与锚杆的预应力损失问题对合理确定锚杆的预应力值有重要作用。李厚恩、秦四清[9]等针对基坑侧壁为土质边坡的情况, 通过基坑锚杆预应力损失变化的系统监测和分析, 揭示了锚杆以及锚杆预应力在运行过程中预应力变化的三个阶段, 并分析了相应的影响因素, 提出了用应力损失速根据对锚杆的现场测试, 发现锚杆在张拉及锁定时存在显著的预应力损失问题, 并对此进行了分析, 提出了减少预应力损失的几条办法。王树旺在现场测试与监测数据分析的基础上分析了基坑支护锚杆的受力状态和预应力损失情况, 为深基坑工程的稳定性提供了判据, 并指出应该极为重视土层锚杆张拉后的预应力损失问题, 其在监测实践的基础上, 提出了简单有效的土层锚杆长期监测办法。
吴璋[10]等对黄土地层锚杆的工作原理进行了试验分析, 得出如下结论: (1) 一般情况下, 注浆体的强度都大于土体的强度, 锚索的破坏在黄土层中表现为土层与注浆体之间粘结力达到极限时, 粘结面上出现破裂, 导致锚索的破坏失效, 粘结面破裂时, 呈现沿锚固段深度的递进式发展形式。 (2) 锚索的轴力最大值在拉力较小时出现在锚固段近端, 随拉力的增大逐渐向锚固段远端偏移, 轴力在距锚固段远端三分之一的锚固长度处急剧减小, 而后三分之一长度的锚固段承受的拉力很小。 (3) 在试验锚固段长度L<8米的情况下, 锚固力与锚固段长度近似成正比。 (4) 粘结应力不均匀分布更能真实地反映锚索锚固段锚固力分布实际情况。Phillips公式可以真实的反映粘结应力的分布状况, 而粘结应力均匀分布法在锚固长度较短时也可以较准确的计算锚索的锚固力, 但锚固长度超过最佳锚固长度以后, 计算结果偏大。 (5) 黄土成锚杆对边坡的加固主要表现为改善边坡土体的整体力学性质和结构特征。在坡体表面构筑物的作用下, 主动对边坡土体产生压力, 限制了边坡土体性质的进一步变形恶化。同时, 注浆不仅为锚索提供了锚固里, 而且充填加固了土体中的裂缝, 防止了地下水对坡体的影响, 改善了土体的力学性质。
陈广峰, 米海珍[11]等对失陷性黄土地层中的锚杆性能进行了研究得出以下结论 (1) 湿陷性黄土地层锚杆的选型应优先选用压力型, 施工条件许可的话, 可选其改进型—分散压缩型锚杆;锚杆扩大头及采用压力灌浆能较大提高锚杆抗拔力; (2) 两种型式锚杆都在临近张拉段处出现粘结摩阻力的单峰值, 且随深度按指数规律递减;随着张拉力的增大峰值位置逐渐向深部移动, 从受力端起至前1/3~2/5段杆长 (约为14d) 范围内集中了约80%的剪力, 剪力按杆长的分布符合“黄金分割”原则; (3) 当锚固端剪应力超过土体抗剪强度, 锚杆将发生向深发展的渐进性破坏, 直到最后被拔出; (4) 依靠增加锚固段长度来提高拉拔力的设计思想看来不尽合理, 至少不经济。锚固体全长有时不能被有效利用。对于黄土地层来说最优锚固长度约为35~38倍的杆径; (5) 只在锚杆的最优锚固角附近才能达到最大拉拔力, 最优锚固角的确定用近似公式αopt=60°-φ, 对于黄土地层最优锚固角是至为关键的设计。
2 黄土地区土压力的研究
侧向土压力在深基坑及边坡支护结构设计中是一个十分重要的设计参数。挡墙和板桩墙, 支撑和不支撑的开挖, 隧道墙以及其它地下结构物上的土或岩石压力都需要对构件的侧向压力有定量的估算来做设计或稳定性分析。Coulomb (1773) 和Rankine (1857) 分别在滑楔极限平衡的基础上和从弹性半空间应力状态出发, 在土体极限平衡理论分析的基础上提出了应用最广的经典土压力理论, 至今在许多深基坑和边坡工程土压力计算中仍被采用。Peck[12]和Tschebotarioff[13]也根据实测结果提出了土压力的分布图, 均通过实测来总结支护结构的受力以及基坑周边土体的变化规律, 确定土压力的分布图形, 并用大量曲线图来描述这种分布形式。经过大量的深基坑和边坡工程实践, 工程技术人员越来越清醒地认识到作用于支护结构上的土压力并不是一成不变的, 而是随着基坑和边坡的开挖和支护结构的变形在不断变化。徐力勇等在有限元分析的基础上, 将土体视为非线性弹塑性介质, 采用Drucker-Prager模型, 分析了静止土压力系数的不同取值对基坑支护结构位移及内力的影响, 结果表明随着静止土压力系数的增大, 挡墙的内力也随之增大, 但挡墙位移却相应减小, 其影响范围在20%左右。
朱元鹏[14]等对框架预应力锚杆支护黄土边坡土压力分布做了模型试验, 得出一下结果 (1) 施加锚杆预应力的大小、位置及其顺序影响边坡应力, 通过优化控制这些因素, 可有效改善边坡滑移区土体应力状态。而且通过控制锚杆预应力的大小及其作用位置, 可有效改善边坡内特定区域的应力状态。 (2) 框架预应力锚杆边坡支挡结构主动受力阶段, 其上作用土压力大小与分布主要由预应力锚杆拉力的大小与分布决定, 这是柔性支挡结构区别于传统刚性支挡结构的特点之一;在被动受力状态下, 其上作用土压力受外部荷载的影响较小。建议在实际工程设计中, 区分框架主动受力阶段和被动受力阶段, 分别进行框架设计比较合理。 (4) 由室内模型试验分析结果可知, 利用模型试验方法研究土压力变化规律是可行的, 但由于试验所用土样属于重塑土, 尽管组成一样, 密度和含水率也控制一样, 其力学性质和原状土样也必定有所差别, 在条件允许时, 进行现场试验所得数据更为准确。 (5) 在试验过程中, 有的锚杆出现了失效现象, 这主要是由于拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象。这并不意味着锚杆承载力的消失, 但会加速锚杆的腐蚀, 因此, 建议在框架预应力锚杆支护工程中使用压力型锚杆。
3 黄土边坡稳定性分析研究
目前, 工程技术人员主要采用的边坡稳定性分析方法是以条分法为基础的极限平衡法、有限元单元法、基于塑性理论的极限分析方法、可靠度法、人工智能法等安全系数通常有两种定义方法:一种是通过加大外力以达到极限平衡状态, 具有超载系数的性质;另一种是通过降低材料的强度达到极限平衡状态, 具有强度储备系数的性质。目前被广泛使用和讨论的方法有瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spence和Fredlund-Krahn法等。Morgenstem (1992) 认为, 在通用条分法的计算理论方面进行更多的研究工作, 不会对深化这一领域的认识带来实质性的影响。Whitman和Bailey (1967) 认为, 简化Bishop法、简化Janbu法、MorgensternPrice法和Spencer法等方法的计算安全系数相差不大, 而瑞典圆弧法和这些方法相差是比较明显的, 甚至可达60%以上。Janbu[15] (1980) 等从理论的角度分析了各种方法计算的安全系数。Fredlund和Krahn[17,18] (1980, 1981) 分析了力平衡的安全系数及力矩平衡的安全系数的关系, 简洁明了的给出了不同计算方法的安全系数之间的关索。陈祖煌[16] (2003) 通过大量的算例和工程实例讨论了条分法数值计算中存在的问题以及简化方法的精度和局限性。在国内, 邵龙潭 (2001) 等对该类方法进行了研究。有限元强度折减方法是Z1enC1ew1ce于1975年提出的一种边坡稳定分析方法。郑颖人等将强度折减法应用于均质土坡和岩质边坡的稳定分析, 对强度折减法的计算精度和影响因素进行了分析, 得到用摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统的spence法的误差在5%左右的结论。然而, 由于失稳判据的不确定, 该方法在工程应用上受到限制。
高建勇, 党进谦, 陈艳霞, 吴志刚[19]等对考虑含水量的黄土高边坡稳定性预测模型进行了研究, 在搜集黄土高边坡工程典型实例资料的基础上, 综合考虑影响边坡稳定的因素, 根据边坡的几何、物理、力学参数构建训练样本和测试样本, 基于LM算法的BP神经网络建立了黄土高边坡稳定性预测模型, 拟合出黄土强度参数与含水量的关系式, 由此提出了利用观测含水量预测关中地区高边坡稳定性的系统模型。高建勇, 陈艳霞, 党进谦[20]利用基于范数灰关联的方法对黄土边坡稳定性进行了分析, 利用收集到的数据进行定量分析了影响黄土边坡稳定性的因子, 并获取各影响因子的权重系数。结果表明:黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角是黄土边坡稳定性影响因子中最主要的因子, 其次为坡比、坡高, 孔隙压力比和地震烈度也对黄土边坡的稳定性有一定的影响。权重系数的排序为边坡的治理和监测提供了重要依据, 只要合理地估算黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角的值, 就可以比较快速、准确地确定边坡的稳定状态。周欣华, 党进谦, 李靖[21]等将图解法应用到黄土边坡的稳定性分析中, 制成了黄土边坡稳定性分析图。郑良飞、折学森等提出了一种新的黄土边坡稳定性分析方法—特殊滑裂面快速搜索法, 综合考察大量失稳黄土高边坡实例, 发现其滑裂面剖面形态多呈上陡下缓的“L”形。利用传统稳定系数的概念进行分析, 与实际情况出入较大。利用数学方法, 将黄土路堑高边坡的滑裂面概化为"抛物线"形, 推导出其稳定性分析表达式, 建立特殊滑裂面快速搜索的方法。这种方法弥补了其他分析方法的不足, 更符合黄土边坡的实际受力情况。王燕红[22]等将多级模糊识别模型首次应用于黄土边坡的稳定性分析中, 充分地考虑了影响黄土边坡稳定性的多种影响因素, 并且考虑了黄土边坡稳定性的不确定性。是一种较为实用的方法。
4 结语
从文中可以看出尽管很多学者对框架预应力锚杆支护结构的设计计算做了不懈的研究, 也已经获得了大量的研究成果, 但还是有很多问题亟待解决, 比如框架预应力锚杆柔性支护结构的稳定性, 研究框架预应力锚杆柔性支护结构的永久性设计问题, 开展现场试验研究, 框架预应力锚杆柔性支护结构中群锚效应的设计理论研究, 框架预应力锚杆柔性支护结构的安全性评价等。
摘要：黄土边坡支挡结构的分析与设计是工程设计的一大难题。做为一种新型支挡结构, 框架预应力锚杆柔性支护结构能够充分调节和改善土体的自身强度和自稳能力, 因此其在黄土地区深基坑开挖支护和边坡加固工程中得到了广泛应用。本文介绍了这种新型的支挡结构的研究现状。
预应力锚杆支护 篇7
江门新国际丽宫酒店位于江门城市中心区东华二路28号, 其东侧为原有的丽宫酒店, 南侧为东华二路, 西侧为建设用地, 北面为养桂鱼塘, 建筑场呈不规则的多边形, 占地面积达6572平方米, 楼总高为21层, 设两层地下车库, 地下室基坑开挖深度为-8.4米。基坑周边南面是街道, 供电、供水、电信等管线较多复杂, 东面原有建筑物为12层。
2 地质勘察情况
基坑地层自上而下:人工填土和冲积土层包括:素填土 (厚2.10～4.3米) 、粘土 (厚为0.9～2.8米) 、淤泥 (厚5.20～9.70米) 、粉质粘土 (厚0.8～14.40米) 、强风化片岩 (厚1.00～17.70米) 、中风化片岩 (厚1.20～4.70米) 、微风化片岩 (1.10～5.50米) 。
3 设计情况
根据新国际丽宫酒店的土层类型和使用要求, 设计采用二次注浆型锚索, 用3×7φ5高强度钢绞线作预应力锚索杆体, 钻机成孔, 成孔直径为150mm, 锚索长度有20和21米两种, 后根据实际地质情况, 长度修改为20m、22米、24米三种规格注浆, 成孔后放置钢绞线杆体, 采用两次注浆工艺 (其中第二次为高压注浆) , 采用P.0.32.5R普硅水泥, 并添加适应早强或速凝剂, 锚索浆体强度不低于25Mpa, 水灰比为0.5, 待注浆体强度大于75%以上进行张拉锁宇腰梁上, 本工程使用锚索的目的使得锚索锚入稳定土 (岩) 体中, 外端与支护结构联结维护基抗稳定性。深基坑支抗的锚索与排桩共同作用。锚索由锚固段、自由段、锚头三部分组成, 其中锚固段系用水泥浆将锚筋与土体粘结在一起形成锚杆的锚固体。
4 锚杆施工的监控工作
(1) 该工程在整个基坑支护及基础施工中对基坑、道路边市政给水、排水管进行严密的监测。沿基坑边设置3个水位观察孔、在整个基坑顶端设置15个观察点、委派专业测量员每天进行测量记录。
(22) 施工前的监控, 需要做如下四方面的审查工作: (1) 锚杆施工前的准备工作, 在设计交底和现场勘察的基础上, 应审查施工方提交的完整的施工组织设计方案, 包括施工平面图、剖面图、钻孔成孔方法和设备选型, 锚杆制作和安装, 注浆设备, 浆体制作和注浆方法, 张拉锁定设备和方法, 施工计划进度网络图, 劳动力的组织情况、质量保证和安全措施; (2) 施工前应认真检查原材料品种、型号、规格及锚杆各部件的质量, 并检查施工方提交的原材料的主要性能的检验报告是否齐全; (3) 施工测量放样的检查:检查施工方定出锚杆的孔位是否在如下设计规定的偏差范围内:孔距水平方向允许偏差为±100mm, 垂直方向允许偏差为±50mm, 钻孔倾斜度允许偏差为3%, 因此孔深应超过锚杆设计长度的0.5～1.0米; (4) 检查张拉设备是否符合要求。 (5) 检查浆体的配合比以及注浆压力表是否符合设计要求; (6) 检查锚筋的规格和质量是否符合设计要求。
(3) 施工中的监控: (1) 首先作成孔检验, 一般设计的锚杆对钻孔深度锚固长度设计图均有规定。但由于地质与勘察报告与实际施工有所变化, 对上述要求, 监理人员必须在现场旁站监控, 根据钻孔过程中排出的水和颜色、沉渣物和岩体颗粒进行初定岩土的实际情况, 因为成孔终点所到之处距本建筑物位置尚有20余米, 地质勘察报告未包括该部分, 土质可能会发生变化, 因此其岩土适宜采用现场采样办法判断并参照新建工程所提供的地质勘察报告进行对比, 最后由勘察、设计人员判断, 根据判定的资料, 即时绘出成孔的地质柱状图。议定了实施方案后, 还要先试做实验, 为了检验其方案的可行性, 需要通过检验其结果是否已满足设计要求, 方可全面实施, 也是作为一种预控措施, 回避风险, 减少不必要的损失, 所以要求施工先试做一支锚杆, 依据实际施工情况来确定锚杆的实际长度。 (2) 锚杆成孔后, 监理旁站人员应全过程做好以下工作:a、成孔深度验收后, 复验锚索长度, 包括该锚索的自由段及锚固段的长度, 安装 (送入钻孔内) 位置是否准确, 孔深应超过锚索设计长度0.50m, 自由段套塑料管是否扎牢, 锚固段定位准确与否, 锚索插入孔内是否超深。b、本基坑支护锚杆是采用二次高压注浆的, 对于第一次注浆后, 该杆体强度到达多少后开始第2次高压注浆, 一般是经过注浆工艺试验确定, 但是本工地不具备条件试验, 因此只能根据施工经验结合有关资料确定为第一次注浆强度达到4.50MP a～5MPa后进行高压注浆, 注浆压力控制在4Mpa, 实验证明效果良好。c、锚固体达到设计强度的75%时, 就对锚杆进行张拉, 旁站人员对张拉前必须严格检查油压泵、表的定期检验证明文件, 型号配套与否, 并对锚杆承压板, 腰梁混凝土龄期等的技术性能必须满足现行规范的要求, 并作好安全措施, 才能同意施工单位进行张拉。d、锚杆张拉过程中, 监理旁站必须掌握:张拉荷载时间的位移值检查及锚索的锁定 (按设计规定锁定预拉力) , 上述工作一般要2个旁站人员, 一边监控各种仪表的操作运行, 数字正确与否, 另一边监控张拉过程及持荷时间的位移植, 然后进行各种稳蔽签认。加荷等级及观测时间如表1所示。
施工后的观测工作:观测原定的观测位移点的十五次观测的数据, 情况统计如表2所示。
结果表明:jc9、jc10水平位移较大, 且接近二级支护工程安全等级警戒线 (位移42mm) , 监理工程师立刻书面通知施工单位, 注意该两点的发展趋势和高度重视其变化规律, 并要求施工单位采取如下措施: (1) 增加观测次数, 遇到异其气候变化, 下雨时, 检测频率加大; (2) 为预防突发事件发生, 做好应急计划和有效措施, 保证基抗支护的安全性; (3) 每次观测数据及时知会监理及建设单位, 提供的信息要准确 (含增加观测的数据) ; (4) 对邻近的建筑物 (原丽宫酒店和长怡阁) 加强沉降观测, 及时汇报沉降值和沉降速率, 以达到万无一失的目的。
5 结语
预应力锚杆支护 篇8
1 基坑支护类型
基坑开挖是采用放坡开挖还是采用支护结构, 以及采用何种支护结构应根据基坑开挖深度、地下结构的条件、基坑周边环境、工程地质和水文地质、施工作业设备等条件因地制宜地按照经济、环境、技术综合比较确定。目前, 基坑支护的方式主要有:土钉墙支护、喷锚支护、水泥土墙支护、逆作拱墙支护、板桩支护、排桩支护、地下连续墙支护等措施, 都已在工程实践中取得了众多研究成果[1,4]。从以上支护方式可以看出, 锚固技术已在基坑工程中得到了普遍的应用[3] (见图1所示) 。
2 预应力锚杆柔性支护
2.1 预应力锚杆柔性支护介绍
预应力锚杆柔性支护技术作为基坑支护结构的一种新型支护形式, 与其它支护方法相比, 该方法具有支护结构简单、支护结构轻便、施工速度快、受力性能好、可靠、变形小、支护深度大等优越性, 在我国基坑、边坡、库坝、挡土等结构中得到了广泛的应用。预应力锚杆柔性支护体系是由预应力锚杆 (索) 、混凝土钢筋网面层和锚下承载结构组成与基坑土体形成整体工程结构, 支护结构见图2示。
2.2 预应力锚杆柔性支护在基坑中的应用
施工之前最重要的一点, 就是根据岩土勘察报告判定地下水位, 如果地下水位标高位于锚杆之上, 必须先进行降水, 待达到要求后方可施工。
(1) 成孔。
(1) 施钻前, 必须根据岩土勘察报告, 确定锚杆在土层的有效锚固长度, 从而确定成孔长度。
(2) 根据施工条件的不同, 成孔分为人工成孔和机械成孔。人工成孔多使用洛阳铲, 施工方便;机械成孔多使用进口设备, 施工速度快。
(3) 严格控制锚杆工作平台标高, 不得超挖或欠挖, 并保证工作面平整。
(2) 灌浆。
(1) 为确保锚杆注浆压力, 在锚杆自由段和锚固段交接处设止浆装置。保证锚杆在孔洞中心, 设置锚杆居中装置。
(2) 注浆一般分为水泥浆和水泥砂浆, 通常情况下掺入膨胀剂减水剂, 控制浆体的强度。
(3) 确保注入密实, 锚杆位于浆体中心位置, 让浆体充分将锚杆包裹。
(4) 注浆完成后, 应立即将注浆管、压浆泵、搅拌机等设备用清水洗净。
(3) 锚杆腰梁制作、安装。
(1) 腰梁多采用热轧型钢或混凝土筑块。
(2) 严格按设计要求制作腰梁, 确保质量。
(4) 张拉。
(1) 锚杆张拉前应对张拉设备进行标定。
(2) 张拉螺栓应与钻杆焊接牢靠, 连接位置不宜靠近钢梁锚垫板, 避免张拉过程中因钻杆前端顶紧锚垫板而使张拉中断。
(3) 注浆体强度达到15MPa (根据同条件试块强度) 时方可张拉。预应力张拉以张拉力值单控 (《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-99) , 先施加预紧力30~50kN, 确保钢梁与支护桩紧密结合;然后正式张拉至设计超张拉值, 并持荷不小于3min。持荷结束后立即拧紧螺母, 卸荷完成张拉。
(4) 为避免预应力损失, 必要时可以进行二次张拉。
预应力锚杆支护验收应遵守《建筑基坑支护技术规程》。预应力锚杆支护的锚杆必须进行抗拔试验。
3 工程案例
3.1 工程概况
文中工程算例选取福建省境内某深基坑支护工程, 其主要地层分布:
杂填土 (ml) :厚层状分布于整个场地的地表, 层厚4.00~6.20m, 平均厚度5.67m, 厚度变化系数0.229。土质灰黄色, 由粉质粘土、建筑垃圾及少量碎石组成, 松散, 未经压实, 未完成自重固结。
粉质粘土 (al) :厚层至巨厚层状分布于整个场地内, 层厚4.80~6.00m, 平均厚度5.32m;层面埋深2.00~3.20m, 相应标高29.45~30.75m。土质呈土黄色, 主要成分以粉粒和粘粒为主, 局部含少量砾石, 切面较光滑, 韧性和粘塑性较好, 粘滑有粉感, 遇水浸泡易崩解, 干强度较高。含水量很湿, 呈可塑状。
粉质粘土 (el) :透镜体, 只见于场地1#钻孔地层的下部。层厚4.65m, ;层面埋深8.00m, 相应标高24.75m。土质呈灰紫色, 由泥质灰岩风化而成的残积土, 切面稍光滑, 韧性和粘塑性较好, 粘滑有粉感, 干强度较高, 遇水易软化崩解。含水量很湿, 呈可塑状。
3.2 基坑柔性支护
设计业主需要, 此基坑安全等级为一级, 拟采用全长粘结式预应力锚杆柔性支护, 其设计典型剖面见图3。
为了验证预应力锚杆柔性支护的效果, 笔者对该基坑的预应力锚杆受力进行了监测, 其监测结果见图4。
从图4可以得知, 在预应力锚杆柔性支护施工过程中, 可以对锚杆采用不同的预应力进行基坑工程支护, 其效果更佳。图中可以看出该锚固系统中预应力损失率和锚头位移值有很大的离散性。监测结果显示:荷载为170kN级的预应力锚杆, 锚头位移为12mm, 其值最大, 但是预应力损失率只有9%, 损失值为最小;荷载为200kN级的预应力锚杆, 锚头位移为10mm, 预应力损失率为25%, 损失率比较大, 依据规范要求该设计荷载还是满足工程要求;荷载为260kN级的预应力锚杆, 锚头位移仅6mm, 在该柔性支护设计剖面锚杆中位移值为最小, 但预应力损失率为43%, 损失值为最大。因此, 在预应力锚杆柔性支护工程中, 片面地提高锚杆的预应力, 锚固作用效果并非最佳, 合理的锚杆锁定荷载、控制预应力损失率和减小锚头位移是预应力锚杆柔性支护设计和施工中应该重点考虑的。
4 结语
预应力锚杆柔性支护是一种有效的支护措施。它具有结构简单、施工快捷方便、安全性好、可控性好特点, 已在岩土工程领域得到了广泛的应用。同时, 在该类工程的施工和设计过程中应重点考虑锚杆的锁定荷载、预应力损失率和锚头位移等关键量, 只一味地追求锚杆的预应力来增加锚固系统的加固效果是不对的。
摘要：针对基坑工程的支护特点, 从锚固施工和设计技术出发, 运用预应力锚杆柔性支护对基坑实例进行了研究, 并对预应力锚杆的荷载进行了跟踪监测。监测结果显示:预应力锚固技术是一种有效的基坑支护方式, 一味地追求锚固荷载, 损失率损失值最大, 效果不明显, 应综合考虑锚杆的锁定荷载、预应力损失率和锚头位移等关键量。
关键词：基坑工程,预应力锚杆,基坑支护
参考文献
[1]周景星, 李广信等.基础工程[M]:北京:清华大学出版社, 2007, 2
[2]程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报, 2001, 34 (1) :7-12.
[3]贾金青, 郑卫峰.预应力锚杆柔性支护法的研究与应用[J].岩土工程学报, 2005, 27 (11) :1257-1261
构造应力区巷道锚杆支护技术探析 篇9
1 工程概况
(1) 巷道地质条件。
黑龙煤业井田南北长6.0 km, 东西宽4.5 km, 面积18.67 km2。井田总体为一轴向北西的向、背斜构造形态, 地层总体走向北北西, 倾向因背、向斜构造分布为北东东向和南西西向, 倾角一般5°～10°, 局部达15°。井田主要可采煤层为2、9+10+11#煤层。矿井涉及生产能力1.20 Mt/a, 服务年限17.7 a。黑龙煤业9+10+11#煤层轨道大巷长1 600 m, 埋深210 m。该煤层平均厚5.58 m。直接顶为砂质泥岩、泥岩, 强度较低;基本顶为较为坚硬的石灰岩层, 全区分布, 致密坚硬, 厚5～10 m, 局部有灰岩溶洞发育, 底板为砂质泥岩。具体岩层综合情况见表1。
(2) 巷道围岩地质力学测试。
在9+10+11#煤层轨道巷开口处进行围岩地质力学测试, 测试结果如图1、图2所示。该测点水力压裂曲线经数据处理软件分析得出:破裂压力Pb=9.36 MPa;重张压力Pr=4.40 MPa;瞬时关闭压力Ps=4.64 MPa。该测段埋深约210 m, 该处实际巷高2.4 m。根据埋深及巷道高度可计算出3个主应力:最大水平主应力σH=9.10 MPa;最小水平主应力σh=4.43 MPa;垂直主应力σv=5.25 MPa。该处埋深相对较浅, 最大水平主应力方向为北偏西36.9°。
2 构造应力区应力分布特点
(1) 构造应力主要表现为水平应力, 且普遍大于垂直应力, 有时甚至是垂直应力的数倍。
(2) 构造应力分布很不均匀, 构造附近主应力的大小、方向变化较剧烈。
(3) 在大的区域构造应力场中, 构造应力具有明显的方向性, 且通常2个方向的水平应力值是不相等的。
(4) 构造应力在坚硬岩层中比较普遍, 主要原因是坚硬岩层强度大, 可积聚大量弹性能。
3 构造应力区巷道围岩变形破坏规律
(1) 构造应力作用下, 巷道两帮容易沿顶、底板或岩层层理面移动, 且构造应力越大, 移动越明显, 移近量成为两帮变形的重要部分;垂直应力则容易沿褶曲核部出现张应力或压应力, 造成顶板下沉或底板底鼓, 导致围岩水平应力和垂直应力的差值变的更大, 触发围岩的剪切破坏, 并向岩层深部发展[4]。
(2) 构造应力作用下, 当煤帮强度较小、顶板强度较大时, 煤帮沿顶底板或软弱层理面错动, 塑性区也随之向围岩深部发展, 使得肩角煤岩体变形严重。
(3) 随着构造应力的增大, 岩层垂直应力峰值增长较快, 对巷道顶底板应力影响明显;从顶板自由面向上, 岩层应力先增大后变小。因为顶板浅部岩层应力通过围岩变形释放出来, 构造应力增大导致中部应力增大;再向顶板深处围岩应力相对变小, 是受构造应力影响有限的缘故。当构造应力进一步增大时, 顶板内的水平应力峰值和范围均增大, 且向岩层深部发展转移, 说明构造应力的增大导致顶底板破坏深度和广度的增大。
(4) 巷宽较小时, 顶板塑性区呈下垂“拱形”;巷宽较大时, 在构造应力作用下, 顶板一定范围内发生剪切破坏变形, 并引起附近煤岩体破坏, 造成顶板不稳定, 甚至发生冒顶失稳。
(5) 构造应力区巷道围岩受力不均衡, 会有一定的侧压系数。随着侧压系数的增大, 顶底板塑性区在宽度、高度方向上均逐渐加大, 肩角或底角的弹性稳定区逐渐减小, 巷帮移近量增长较快, 但两帮塑性区基本保持不变, 表明构造应力对顶底板的破坏作用较大, 对两帮破坏作用较小, 且随着构造应力的增大, 两帮的弹塑性变形量基本不变。
4 构造应力区巷道围岩控制技术关键
(1) 尽可能一次支护就控制住巷道围岩变形破坏, 避免围岩破碎强度较大衰减。
(2) 采用“高强度、高刚度、高预紧力”锚杆支护为主的支护系统, 实现真正的主动及时支护, 充分发挥围岩的稳定性和自承性[5]。
(3) 对于构造应力和垂直应力差值较大的巷道围岩支护, 要认清巷道应力显现的本质原因。当煤帮沿层理面错位时, 采用“让”的支护方式, 避免支护体系破坏, 而对于滑移引起的较大塑性区, 则采取“控”的支护方式;对于未与巷道连通的层理面的滑移则采取“控”的支护方式, 避免滑移引起的破碎区域扩大。
(4) 采用预应力锚索支护技术, 提高支护系统的刚度和强度, 减小锚杆锚固区外围岩的变形和离层。
(5) 加强关键部位预紧支护, 如肩角处, 避免巷道局部破坏而导致整体变形失稳, 并保证支护系统的可靠性。
5 井下工程实例分析
5.1 巷道支护方案
顶板采用Ø20 mm×2.4 m 的335#左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护, 锚固剂规格为MSK2335、MSZ2360, 加长锚固, 辅以高强拱形托板、钢筋梯梁 (间距1.0 m) 及金属网 (50 mm×50 mm;4.7 m ×1.1 m) 进行支护力扩散。帮部采用Ø20 mm×2.0 m 的335#左旋无纵筋螺纹钢锚杆支护, 采用1支MSZ2360进行端锚支护。锚杆钢筋极限拉断力为154 kN, 屈服力为105 kN, 延伸率20%。锚杆预紧力矩设计不低于300 N·m。顶板锚索采用Ø17.8 mm×6.3 m预应力钢绞线制作而成, 配套300 mm×300 mm×16 mm高强拱形钢板及对应锁具, 锚索预紧力要求超张拉至200 kN, 损失后不低于150 kN。在构造应力明显的右帮打设短锚索进行补强支护, 锚索规格Ø17.8 mm×4.3 m;每2排3根、2根隔排布置。锚杆、锚索支护如图3所示。
5.2 巷道矿压监测
(1) 顶板离层。
如图4 (a) 所示, 9+10+11#煤轨道巷顶板离层值不太大, 深部离层最大值不到50 mm, 且深部离层和浅部离层值均在10 m范围内达到基本稳定。说明10 m巷道顶板深部和浅部均处于稳定状态, 巷道顶板基本得到有效控制。
(2) 巷道表面位移。
如图4 (b) 所示, 巷道顶板和右帮位移量较大且增长迅速, 巷道左帮位移量较小, 仅50 mm, 且在5 m内就基本稳定。巷道顶板下沉量较大, 但变形较缓慢, 周期较长些, 直到25 m外才基本稳定, 最大移近量近160 mm, 这可能是受到水平构造应力的影响。巷道右帮变形量最大, 且变形迅速剧烈, 在5 m范围内变形量就达到130 mm之多, 且还在继续增加, 直到20 m外, 右帮移近量才基本停止, 此时约185 mm。这有力说明巷道受到构造应力的影响, 在锚索补强支护后, 巷道总体支护状况良好, 围岩变形得到有效控制。
6 支护效果分析
高预应力锚杆锚索组合支护是主动及时支护, 其中预紧力是关键参数, 是判别锚杆属主动支护还是被动支护的根本所在, 只有高预紧力的锚杆支护才属于主动支护, 锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果起着决定性作用。根据复杂困难巷道地质条件确定合理的预应力, 并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。同时, 巷道受到构造应力作用, 围岩应力增大, 巷道变形严重, 单纯的帮锚杆无法控制煤壁变形偏帮, 必须施加强度更高、延伸率更大的锚索进行补强支护。补强锚索不但将帮锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连, 提高次生承载结构的稳定性, 还能调动深部围岩的承载能力, 使更大范围内的岩体共同承载, 保持围岩完整性及围岩强度[6]。
7 结论
(1) 通过井下测试及分析可知, 构造应力场以水平应力为主, 对巷道围岩变形破坏影响较大, 尤以顶板和巷帮某一侧显著。
(2) 高强度、高刚度、高可靠性及低密度是高预应力锚杆锚索支护的精髓所在, 其中在保证系统强度的前提下, 实现系统的高刚度是巷道支护的关键。
(3) 在构造应力区开挖巷道, 由于受到构造应力的不均衡作用, 在进行锚杆支护时, 对巷道顶板或煤壁一侧进行适当的锚索补强, 可有效控制巷道围岩变形, 消除构造应力对巷道带来的安全隐患。
参考文献
[1]鲁岩.构造应力影响下的围岩稳定性原理及其控制研究[D].徐州:中国矿业大学, 2008.
[2]康红普, 王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2007.
[3]吴拥政.强动压下回采巷道高预紧力强力锚杆支护技术[J].煤炭科学技术, 2010, 38 (3) :12-14.
[4]陈炎光, 钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1994.
[5]KANG H P, WU Y Z, GAO F Q.Deformation characteristics andreinforcement technology for entry subjected to mining-inducedstresses[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engi-neering, 2011, 3 (3) :207-219.
锚杆支护参数的改革与应用 篇10
【关键词】支护；实验；经济分析；建设
1.问题提出
锚杆支护在七台河矿区已使用多年。实践证明，这种支护方式非常适合该区域的围岩特点，深受现场欢迎。但到目前为止，锚杆支护设计理论尚不成熟，仍停留在主要根据工程类比法设计支护参数阶段。如果测试工作不细致，盲目简单化支护，往往敢安全系数过大，不科学，带来一些不必要的经济投入。
调查发现，该矿区不论巷道所处的围岩条件如何，均采用直径16mm、长1.6m、密度1.0m×l.0m的金属锚杆支护，许多回采巷道采过后，尽管有60%的锚杆失效，但巷道围岩状态仍然保持良好，这说明原来的支护方式不够合理，造成不必要的人力、物力消耗。因此，建立一套科学、合理的支护设计方案，是该矿区急需解决的问题。
2.新建矿概况及围岩特征
新建矿共有4个生产采区、一个开拓区，区回采7层煤×（85、87、90、92、93、94、96），煤层厚度为0.8-1.5m。矿井设计能力120万t/a，有8个正规采煤队和20个掘进队，每年要掘进20000m以上的巷道，才能保证采煤接续。掘进大都按半煤岩施工，煤层顶板即为巷道顶板，均采用金属锚杆支护。
该矿煤层顶板为沉积砂岩，呈层状构造，比较坚硬，个别区域也有顶板破碎现象。
3.支护方案设计
3.1设计依据
地下巷道开掘后，将在巷道围岩形成松动圈，其大小是地应力和围岩共同作用的结果，不同的围岩条件，巷道的松动圈差别很大。目前，巷道围岩松动圈的研究，已进入到实际应用阶段，中国矿业大学董方庭教授提出按松动圈大小时行围岩分类。并以此设计巷道支护参数，具有一定的科学性和实用性，该矿就是以这套理论为基础，设计锚杆支护参数的。
3.2围岩松动圈的测试
首先该矿千斤中层具有代表性的巷道布置测点，打测试钻孱，然后利用超声波探测仪，往复中层顶板岩石的超声波，最后整理绘出各层的声速图，找出声速变化的拐点，拐点至煤层顶板的距离即为该层顶板的松动圈。
经测试，各层顶板的松动范围如下：一采85层；1.0m、二采85层；1.07m87、89层：0.4m92、93层：1.0m、94层：1.15m
3.3支护参数的设计
在层状岩层中开掘的巷道，锚杆支护所起的作用，主要是悬吊作用和组合梁作用。在多次层状的岩层中，锚杆的悬吊作用和组合粱的作用同时存在，但是，到目前为止，锚杆支护的设计还没有形成，按悬壁由作用设计支护参数量安全，但不经济；按纵使梁作用设计以护参数最经济但不安全。
通过分析论证决定先从安全角度出发，结合松动圈理论，以悬吊作用设计为基础，再根据各层顶板的实际情况，定出合适的支护密度。最后通过试验，检验支护参数选择的合理性。
4.实验结果
支护参数确定后，该矿在一、二、四采区6个有代表性的道进行实验，对顶板有地质变化的地段，仍旧采用原支护方案，在亿道设2-3个观测站，实验期间，各采区技术人员跟班进行技术指导，发现问题立即采取整改措施，保证实验工作的顺利进行。
该矿采后备巷道均采用无煤柱沿空留巷方式，从各观测站的实测结果，受一次采动最响的巷道顶板下沉量及顶板状态基本没有变化；受二次采动影响的巷道；顶板下沉80-150mm，顶板状态基本完整；受三次采动影响砌筑水泥墙的巷道，顶板下沉40-80mm，顶板状态基本没有变化。
5.经济分析
株支护采用的锚杆均为直径16mm、长1.6m双排按1.0m×l.0m的矩形布置，每米消耗锚杆2套，费用为2×17.8=35.60元。
新支护方案采用直径14mm，长分别为0.8m、1.2m、1.4m、1.6m共计4种规格，直径减少2mm，长度平均减少0.34m，按单排或三角形布置，每米平均消耗锚杆1.2套，费用为1.2×13.0=15.60元，比原支护方案每米节省费用20元。
6.建设
七台河分公司建煤矿从本矿的实际情况出发，与科研部门合作，利用先进的测试手段，找出一套适合该矿特点的锚杆地护参数设计方法。实践证明，新的劫掠参数完全能满足生产安全的需要，有效地解决了支护材料浪费、支护工效低的问题，同时也提高了经济效益。
预应力锚杆支护 篇11
岩土锚杆技术目前已经在国内基坑、隧道、涵洞等工程中广泛应用。锚杆以其技术特点和显著的经济效益受到大多数工程师的青睐。锚杆深深锚固于土体内部, 起到主动支护土体的作用, 与土体自身强度一起, 有效地提高土体强度, 从原来的被动支护转变为主动支护。除了它受力合理外 (主要承受拉力) , 能主动地调用土体内部潜在的能量, 对基坑深度、宽度的要求较小, 显示出机动灵活的特点。必要时可选用其他支护方式与其结合使用, 不仅克服了自身的不足, 又能收到更为理想的技术效果和经济效果。
岩土工程锚杆技术多是从先实践后理论, 并带有一定的地域性。尽管目前已经颁布执行了几部有关锚杆的设计规程, 但还是不能尽善尽美。本文针对湿陷性黄土地区基坑锚杆支护入手, 分析模拟其稳定性特点及潜在滑坡面形成的机理。
1 锚杆的作用机理及破坏形式
大自然本身产生了很多锚杆体系, 即一种较强的材料加强了另一种较弱的材料, 例如在山体上生长的植物, 许多植物的根系, 深深地植入土体, 牢牢地抓住土体, 深度可能达到7~8 m, 控制住土体不被雨水侵蚀后滑移, 这就引导人们发明出锚杆支护的技术。
1.1 提高原位土体强度
基坑开挖后, 基坑边十几米依然受到临近土体以及其他荷载的作用, 会产生一定的滑动面, 由于荷载作用, 使土体受剪力作用, 如果土坡直立高度超过临界高度或其他因素的改变都会产生松动的滑移面, 滑移面内土体为不稳定土体, 若在边坡中打入一定长度、一定密度的锚杆, 与土体牢固结合, 增强土体稳定性。锚杆在这一区间起着支撑骨架的作用。通过逐层下挖基坑、逐层超前支护, 尽可能地有效加强基坑边土体固有强度, 锚杆承受上部土体和外加荷载, 对周围土体产生摩擦力, 组织土体位移, 从而提高土体强度。
1.2 阻止土体前移
基坑中锚杆打入土体后, 锚杆体承受一定的拉力, 随着逐层开挖, 锚杆承受的拉力也逐渐增大, 若土体出现前移, 锚杆通过摩擦力阻止这一发生, 以单根锚杆为例, 在保证锚筋的抗拉强度以及锚筋与水泥握裹力的前提下, 其反向拉力为:
式中T—锚杆极限反向拉力;
D—锚杆钻孔直径;
L—锚杆的有效锚固长度;
τ—锚固段土体周边抗剪强度平均值。
2 有限元模型建立
2.1 支护体系离散型
对于通常的支护体系常采用复合型与离散型, 由于锚杆布置之间存在一定间距并且基本平行布置, 在基坑阴角、阳角布置甚少, 常在基坑中段从上至下布置, 故模拟可采用2D平面模型, 并且研究针对性较强。本模型采用离散型模拟预应力锚杆支护, 桩采用梁单元, 锚杆锚固段和面层采用植入式桁架。土体采用最常用的Mohr-Coulomb非线性模型, 锚杆面层采用线弹性应力-应变关系。
2.2 模型建立
基坑支护体系的内力和变形与其支护过程有着密切的关系 (见图1~3) , 假设模拟预应力锚杆支护过程, 其支护过程如下:
1) 针对施工环境和前期勘察资料, 输入土质属性, 并且锚杆属性采用植入式桁架, 桩采用梁单元;
2) 针对施工过程模拟区域划分网格, 设置初始应力状态;
3) 叉分格, 并吸取土质及维护结构, 使属性赋予网格参数性质;
4) 施加边界条件, 并设定重力荷载 (0, 0, 1) ;
5) 在锚杆锚固处施加预应力, 并且锚固端设置在节点处;
6) 组织施工顺序, 并进行模型非线性计算。
3 算例分析
3.1 建立2D预应力锚杆非线性接触
依上述方法建立预应力锚杆支护模型, 对支护体系进行非线性数值模拟分析, 主要研究其支护的力学性能与结构稳定性。
某污水厂基坑宽7 m, 长14 m, 开挖深度10 m, 分4步开挖设置4排锚杆, 锚孔采用工程钻机机械成孔进行施工, 钻孔的孔径不应小于设计孔径。钻孔的实际长度应不小于设计长度, 钻孔水平方向的误差不应大于50 mm, 垂直方向的误差不应大于100 mm。锚杆锚固段按间距2 m设置船型支架, 使锚杆能在孔中居中;保证锚体保护层厚度不小于20 mm。使用水泥砂浆注浆, 水泥砂浆强度不得低于25 MPa, 水灰比为0.45。注浆压力为0.3~0.5 MPa。当注浆体强度达到设计强度的70%后, 方可进行张拉锁定。每层锚杆张拉锁定后方可进行下层开挖。模型采用水平约束以及垂直约束, 土层参数见表1所示。
3.2 有限元计算结果分析
3.2.1 基坑的位移分布
预应力锚杆支护下基坑水平位移及基坑底部垂直位移如图4~5所示。
从图4的云图中可以看出, 在锚杆植入土体后, 其自由段云图呈现蓝色, 锚固段呈现绿色, 由此可见自由段土体位移量要大于锚固段, 使得基坑出现位移, 其蓝色区域从上至下逐渐减小趋势。从图5竖向位移云图可以看出基坑在开挖值较高时, 基坑底部部分出现沉降, 沉降量较小, 其余土体出现土体上凸现象, 这是由于土体卸载, 基坑出现回弹的原因。
根据实际监测数据, 在每层开挖后监测数据统计, 得出位移曲线见图6, 由图6可知, 预应力锚杆沿深度方向呈“二次曲线”形状, 水平位移随深度增加, 逐渐减小。第一次开挖位移量稍小, 开挖深度以下位移量基本为零, 并在基坑顶端并伴有负向位移。当基坑逐步开挖, 每层位移量都带有一定的偏移, 当基坑开挖至设计标高时, 顶部位移量达到峰值, 约21 mm。基本与模拟结果相吻合。
3.2.2 预应力锚杆轴力分布
预应力锚杆沿全长分为自由段和锚固段, 锚杆植入土体之后, 剪力只发生在锚固段, 自由段一般不承受剪切力的传递, 由模拟云图可以看出, 从开挖至设计标高时, 锚杆轴力在锚固段开始时轴力最大, 其后逐渐减小, 可以看出轴力递减速度很快, 轴力大的区域经过很短的时间就衰减到较小值, 每开挖一步, 轴力都有一定的增量, 随着开挖深度的增加, 周围土体对锚杆的依赖性增加, 周围荷载以及土体位移导致轴力逐渐增大, 但整体趋势在逐渐衰减, 说明锚杆充分发挥了锚固土体的作用 (见图7~8) 。
3.2.3 预应力锚杆与土钉的比较
预应力锚杆是借助自由段弹性伸长, 将拉力传递到土体的锚固体系, 对潜在的滑移体系进行锚固, 在其上施加预应力增加土体滑移面里的正应力和抗剪阻力, 提高整体稳定性, 具有主动约束的机制。土钉则是对原位土进行加固, 用土钉与其周围的土体形成复合土体, 形成类似重力式挡土墙, 只有当土体出现位移后土钉才能起到约束的作用, 属于被动约束。但是二者均是随深度增加而位移减小, 相比之下预应力锚杆的支护位移量较小。
4 结论
本文采用数值分析的模拟计算方法对预应力锚杆支护体系进行了模拟计算研究, 同时采取相同方法分析了土钉与锚杆的区别。
1) 基坑开挖中, 预应力锚杆对土体起着重要的作用, 水平位移曲线成“二次曲线”分布, 与土钉支护类似, 水平位移在基坑顶部偏移量稍大, 随着基坑的逐步开挖, 原先的负向位移转为正向位移, 并持续增大, 当基坑开挖至标高处, 顶部位移达到最大值。基坑底部垂直沉降主要发生在靠近基坑壁处, 其余土体带有回弹趋势。
2) 锚杆受力主要集中在锚固段, 在锚固段开始时最大, 随后逐渐衰减, 衰减幅度逐层增加, 成“梯形”分布。
3) 在土质及环境相同的条件下, 土钉与锚杆都起到了锚固土体的作用, 相比之下, 预应力锚杆起主动约束控制土体;土钉与土体复合在外力荷载作用通过被动受力控制土体, 起到稳固土体作用, 但位移量比预应力锚杆稍大。因此, 应结合具体施工环境合理采用。
[ID:001555]
摘要：运用MIDAS/GTS非线性有限元分析方法, 对预应力锚杆柔性支护体系进行了数值分析, 基于锚杆支护的左右原理和支护方式, 对锚杆支护下土体位移的变化、坑底变形, 以及锚杆轴力的力学特性进行了模拟和曲线拟合。结果表明:需正确结合土质参数, 设计锚杆支护, 发挥其承载力, 有效控制变形。
关键词：基坑支护,预应力锚杆,结构变形,有限元
参考文献
[1]周勇, 朱彦鹏.黄土地区框架预应力锚杆支护结构设计参数的灵敏度分析[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (S1) :3115-3122.
[2]康红普, 姜铁明, 高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报, 2007, 44 (7) :680-685.
[3]赵一萌.深基坑工程中土钉复合预应力锚杆支护形式的模拟试验研究[D].太原:中北大学, 2013.
[4]涂兵雄.预应力锚杆柔性支护法机理与力学行为研究[D].大连:大连理工大学, 2013.
[5]王邓峮.考虑锚杆预应力作用的锚固边坡稳定性研究[D].兰州:兰州理工大学, 2013.
[6]张成龙.深基坑预应力锚杆柔性支护法的数值模拟研究[D].昆明:昆明理工大学, 2007.
[7]李鸿翼.锚杆支护技术在深基坑工程中的应用研究[D].北京:中国地质大学, 2013.