4-全长锚杆拉拔力

全长锚固锚杆拉拔试验研究

朱自强，何现启

（中南大学信息物理工程学院，长沙，410083）

摘要：

支护设计最基本的指标是支护能力，即支护的最大承载力。锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力，由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性，因此锚固能力的计算十分困难。工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力，但由于拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时不同，拉拔力并不能作为锚杆的粘锚能力。研究认为，可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同，得出了最大拉拔力和锚固力之间的关系，为正确地利用拉技试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供了理论依据。

关键词：全长锚固锚杆；拉拔试验；锚固力；最大拉拔力

study on full-grouted bolt pullout test

abstract:supporting ability(maximal bearing capacity) is the basic index of supporting design。The supporting ability of bolt is the maximal anchoring force of bolt towards surrounding rock。Because of complex and variable stress of full-grouted bolts in rock and soil media,it is very difficult to determine the anchoring ability of them。We always use pullout test to determine the anchoring force ,but in pullout tes the distribition of shearing stress on bolt is different from practical situation,so pullout force cannot be used as the anchoring force of the bolt。From the study ,we known the difference of load distribution of bolt between pullout test and practical situation and get out the relation between maximal pullout force and anchoring force 。It povide the basic thereo for the tes of the quality of the bolt installation and the appraise of anchoring force using pullout test.

key words: full-grouted bolt；pullout test；anchoring force；maximal pullout force

一、 概述

随着锚固技术应用范围的不断扩大，锚杆种类越来越多，锚杆的单体承载能力也不断地加大和提高。全长锚固锚杆作为锚杆的一种重要类型，在地下工程支护中得到了广泛应用。其与端锚锚杆相比有如下优点：

(1)全长锚固的作用主要是提高了锚固岩体的关键力学参数粘结强度Ｃ、内摩擦角φ值

及对围岩提供了支护反力Δσ,而端部锚固的作用是仅对围岩提供了支护反力Δσ.

（2）在相同条件下,全长锚固的锚固作用效果是端部锚固的整数倍[1]。

对全长锚固锚杆的作用机理，科技工作者和工程技术人员作了大量的研究工作，得出了许多有益的结论。但是，由于问题的复杂性，再加上端头锚固锚杆在地下工程中应用较早，人们在研究中忽视了全长锚固锚杆和端头锚固锚杆在受力机制上的区别，不正确地套用了端头锚固锚杆的支护理论和设计方法，严重阻碍了人们对全长锚固锚杆支护规律性的认识。近年来，国内外许多单位和科技工作者对全长锚固锚杆的作用机理，采用模拟试验、理论分析、数值计算、现场实测等研究方法，开展了较为系统的研究工作。随着研究的不断深入，人们对全长锚固锚杆的作用机理有了一个比较清楚地认识，取得了一大批研究成果。逐步认识到对于全长锚固锚杆，拉拔试验时锚杆的受力状态和实际完全不同，因此用拉拔试验来反映这类锚杆的锚固能力是不确切的。

二、全长锚固锚杆的作用机理

一般从结构观点出发认为,锚杆支护机理是悬吊和组合梁作用。使用锚杆支护设计计算原则为防止危石和剪裂区局部坍塌。这一观点解决了中硬以上围岩锚杆支护设计计算问题,却难以解释锚杆支护在软弱破碎岩层内同样能够发挥作用的工程事实。因此,从锚杆与围岩共同作用的观点出发,才能较全面地分析锚杆支护机理。全长锚固锚杆和隧道塑性区围岩之所以能够共同作用,主要是靠锚杆和围岩之间的粘结力(或摩擦力),约束塑性区围岩变形,提高围岩残余强度,即提高了塑性区的平均粘结力Ｃ1,锚固区压紧后,岩体节理面间的咬合更

紧,因此塑性区内摩擦角ψ1也稍有提高,形成承载拱共同支护体系。

[2] 全长锚固锚杆的作用机理的研究主要包括全长锚固锚杆在围岩中的受力状态分析以及锚杆支护条件下围岩应力和位移分析，这两方面的内容。在全长锚固锚杆在围岩中的受力状态方面，东北大学王明恕等提出的全长锚固中性点理论是近年在国内理论分析中被普遍接受。 该理论认为在靠近岩石壁面部分（锚杆尾部），锚杆阻止围岩向壁面变形，剪力指向壁面。在围岩深处（锚杆头部），围岩阻止锚杆向壁面方向移动，剪力背向壁面，锚杆上剪力指向相背的分界点，称为中性点，该点处剪应力为零，轴向拉应力为最大，由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少。该理论得到了实测结果的证实。图1采用测力锚杆

对锚杆全长应力及应变进行测试，测试剪应力与轴力分布结果。

[3]

图1锚杆剪应力分布图

Fig1.Distribution of bolt shearing stress and axial force 实测结果表明:靠近隧道的一段锚杆，因阻止围岩径向变形，锚杆表面产生指向围岩自由面的剪应力;其余一段锚杆因受该段的拉拔作用，锚杆表面的剪应力指向岩体内部。指向相反的分界点，此点剪应力为零(称之为中性点)，而轴向力最大，从中性点向锚杆的两端轴向力逐渐减少为零。

三、 拉拔试验分析

1、锚杆杭拔机理

在保证边坡不发生整体失稳的前提下，锚杆抗拔承载力主要取决于杆体材料强度、杆体与砂浆间的握裹力及锚固体与岩土层间的摩阻力等三个方面。但其发挥机理与大小尚受土体类型、施工方法、锚固段型式、工程特性及使用要求等因素影响。

2、拉拔试验的受力分析

（1）基于 R.Mindlin 问题的位移解,推导出全长粘结式锚杆沿杆体所受的剪切力分布的弹性解，并分析了锚杆的受力特征及其影响因数。全长粘结式锚杆的应力分布弹性解全长

粘结式锚杆在拉拔荷载作用下沿杆长的剪应力分布为[4]：

)2

1exp()21(2tz tz −Ρ=πατ (1) 式中 P 为锚杆端头所受的拉拔力； http://www.paper.edu.cn

)()23)(1(12α

αμμΕΕ−+=t (2) 将上式沿杆长进行积分，可获得锚杆轴力沿锚杆杆体分布为： )

8.48exp(4.146)2

1exp(22z z tz −=−Ρ=Ντ (3) 假设锚杆杆体和岩体的弹性模量分别为E a =2.1×105 MPa，E=5×103MPa，μ=0.3，锚杆直径φ =25 mm，设锚杆的拉拔力 p=117.8 kN，则锚杆杆体所受的剪应力分布为：

锚杆杆体内的轴力分布为： N =117.8exp(－48.8z 2

)

图2 全长粘结式锚杆剪应力和轴力分布曲线图

Fig.2 the shearing stress and axial force curves of a wholly grounted anchor

(2) 锚杆的抗拔力主要取决于粘结剂的粘结力。杆体与孔壁之间的间隙宽为定值，则粘结剪应力同杆体与孔壁之间的相对位移成正比。如图2所示，有：

图3 拉拔试验时锚杆受力图

Fig.3 The map of bolt stress on pullout testing

E K ce x D x /8)(/−=τ[5] (4) http://www.paper.edu.cn

式中

)(x τ―表面x 点处的粘结力，Mpa

c 为积分常数杆体上剪应力分布为负指数曲线

D －为钻孔直径;

K ―剪切刚度[)/(2121K K K K K +=，其中为粘结剂的剪切刚度， 为

围岩的剪切刚度]，MPa

1K 1K 当l x =时，E K ce l D l /8)(/−=τ

试验得出：中硬岩时，K 值取的1/50～1/10,E D l 15=.

);0(101.1)(6ττ=≤×=−C c l 软岩时，E ＝100～1000K ， ==−E K ce l D l /8)(/τ0.15～0.23。

将以上分析结果与实测受力对比可知，全长锚固锚杆拉拔实验时在围岩中的受力状态和实际情况是完全不同的。

四、分析讨论

由以上分析可知，全长锚固锚杆拉拔实验时在围岩中的受力状态和实际情况是完全不同的。在实测工作中，一些单位对全长锚杆仍然仿照端头锚固锚杆的做法，由拉拔实测出的锚固力作为全长锚杆支护的一个重要数据。这对端头锚固锚杆是正确的，但由于拉拔试验时全长锚固锚杆在围岩中的受力状态和实际完全不同，因此由拉拔实验来反映全长锚锚杆的锚固能力是不确切的。

支护设计最基本的指标是支护能力，即支护的最大承载力。锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力，由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性，因此锚固能力的计算十分困难。工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力，但由于拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时不同，拉拔力并不能作为锚杆的粘锚能力。影响粘锚能力的因素很多，包括岩体岩性、岩体荷载、粘结剂性质、施工质量等，单从理论上分析计算粘锚能力十分困难。研究认为，可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同，得出粘锚能力的分析计算方法。

1、 粘结锚杆最大抗拔力的计算

假设粘结剂破坏到锚固长度中点（中性点受力最大，见图1）拉拔力达到最大，由图3则有：

max 1F ∫=2

/1max l l Ddx F απ (7) ∫−−=2/1/8/)2/1(]

[l E K D x e D ταπ )1]([/8][8212KE D e

E K D −−=τταπ

式中： ][τ为粘结强度 α为残余粘结剪应力影响系数，取为1.5.

抗拔力与锚固长度的关系如图1所示，拉拔力

随锚固长度增加而增大。若取，则:

D L 15=http://www.paper.edu.cn

对于软岩=max 1F （5.8～8）（0.39～0.53）=][2

τπD ][τπDl ；

对于中硬岩，（2.3～3.6）（0.15～0.24）=max 1F =][2τπD ][τπDl

2、锚杆实际承载分析计算

由图1的锚杆实际承载分析对于全长粘结锚杆，其粘结应力和应变分布很不均匀，根据围岩条件、锚固结构等因素变化，其最大应变大约在锚杆中部，即最大轴力F max 在锚杆中部产生，中性点处锚杆的粘结力： 4/][)(2

/0max τππτπDl DS dx x D F ABC l =>=Δ∫ (8) 根据粘结锚杆最大拉拔力和最大轴力可计算锚杆粘锚能力：

（1） 对于软岩，=max 1max /F F 0.47～0.

（2） 对于中硬岩，=max 1max /F F 1.04～1.67

由此可以根据抗拔力来估算粘锚能力。

五、工程实例

湖南某高速公路隧道，在YK184+060～YK184+156范围内围岩类别为Ⅳ类，锚杆设计参数为Ф25mm螺纹钢，采用树脂粘结剂全锚，长度为2.5米，设计抗拔力为120KN，拉拔试验时采用ZY-30型千斤顶加压，实测抗拔力为180KN 。由于为Ⅳ类围岩属中硬岩，由上述关系可得锚固力为187.2～300.6中KN。锚固力达到了全长锚固中性点理论的设计值170KN 符合设计要求。从实际支护效果分析，锚杆参数选择合理，达到设计要求，达到了支护的目的。

六、结论

岩土工程中锚杆支护是维护围岩稳定的主要方法之一，在工程实际中得到日益广泛的应用，其支护设计合理与否直接关系到工程的控制效果与成败。支护设计最基本的指标是支护能力，即支护的最大承载力。锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力，由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性，因此锚固能力的计算十分困难。经以上分析 得出经下结论：

（1）拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时完全不同，因此工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力是不确切的。

（2）可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同，得出了最大拉拔力和锚固力之间的关系，为正确地利用拉技试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供了理论依据.

（3）可由拉拔试验测得的拉拔力，来确定全长锚固锚杆的锚固力，从而确定其真实的支护能力。

参考文献

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