錨桿支護機理研究

　　隨著地下洞室及邊坡支護等工程的發展，錨桿在巖石工程中的應用得到了很大發展，眾多學者對錨桿與圍巖的相互作用機理、影響因素以及可能發生的失穩模式進行了深入研究。
　　一、錨桿對巖石的加固作用主要分以下幾種：
　　⑴ 懸吊理論[1]
　　1952~1962年，Louis.A.Panek經過理論分析及實驗室和現場測試，提出錨桿的作用是將軟弱、松動、不穩定的土體懸吊到上覆堅硬巖層上（圖2-10）；在軟弱圍巖中，錨桿的作用是直接將頂板的破碎巖石懸吊到其上部的自然平衡拱上（圖2-11），拱高可采用普氏的壓力拱理論估算。從圖2-10，2-11可以看出，起懸吊作用的錨桿，主要是提供足夠拉力，用以克服滑落巖土體的重力或下滑力，來維持工程穩定。
　　利用懸吊作用進行錨桿支護設計時，錨桿長度可根據堅硬巖層的高度或平衡拱的拱高來確定，錨桿的錨固力及布置可根據所懸吊巖層的重量來確定。懸吊作用很好的解釋了錨固頂板范圍內有堅硬巖層時的錨桿支護。跨度較大的軟巖巷道中，普氏拱高往往超過錨桿長度，懸吊作用難以解釋錨桿支護獲得成功的原因。
　　⑵ 組合梁理論[2]
　　1952年德國Jacobio等發表的組合梁作用理論，實質上是通過錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊，增大層間的摩擦力，同時錨桿的抗剪能力也阻止層間錯動，從而將疊合梁轉化為組合梁。圖2-12是Jacobio所作的疊合梁試驗，在均布荷載下，組合梁的承載能力是疊合梁的n倍。
　　組合梁理論很好的解釋了層狀巖體錨桿的支護作用，但難以用于錨桿支護設計。根據組合梁作用原理，組合梁是保持巖體穩定的支護體，但組合梁的承載能力難以計算，組合梁形成和承載的過程中，錨桿的作用難以確定。在組合梁設計中，采用彈塑性分析得出的最小抗力來確定錨固力，往往難以精確反映軟弱圍巖的情況，同時將錨固力等同于框式支架的徑向支護力也不太確切。
　　⑶ 減跨理論[3]
　　在懸吊作用理論及組合梁作用理論的基礎上，提出了減跨理論，該理論認為：錨桿末端固定在穩定巖層內，穿過薄層狀頂板，每根錨桿相當于一個鉸支點，將巷道頂板劃分成小跨，從而是頂板撓度降低，其冒頂高度及頂板下沉量均有大幅度的降低，從而使巷道圍巖更加穩定，見圖2-13所示。
　　錨桿固定在穩定巖層內，距離巷道頂面較遠，其對巷道頂板的懸吊作用并不像簡支梁的支點那樣，垂直位移為零，因而其內在缺陷是顯而易見的。
　　⑷ 組合拱理論[4]
　　早在1955年，T.L.V.Rabcewicz就提出安裝錨桿后使巷道圍巖中形成連續的壓縮帶（圖2-14），錨桿的作用是使圍巖中產生一定厚度的壓縮帶承受圍巖壓力的觀點。70年代初美國T.A.Lang和Pender提出錨桿的拱形壓縮帶作用原理，T.A.Lang通過二次元光彈性試驗證實了拱形壓縮帶的存在。與拱形壓縮帶作用相似的還有組合拱作用。
　　拱形壓縮帶理論很好的解釋了軟弱圍巖中錨桿的作用，它與組合梁理論類似，拱形壓縮帶的承載能力還難以確定，且很難與錨桿錨固強度聯系起來。
　　⑸ 銷釘作用[5]
　　銷釘作用表現為兩方面：⑴利用錨桿將不穩定塊體釘到深部穩定的圍巖上；⑵軟巖巷道圍巖常發生壓剪破壞，破壞了的巖體將沿最不利的滑移面滑動。如沿井巷周邊徑向布置錨桿，由于錨桿與滑移面斜交，錨桿就會起到防剪抗滑作用。
　　利用銷釘作用進行錨桿支護設計，對于塊狀圍巖的大型硐室，一般采用赤平投影先確定不穩定塊體，而后進行錨桿支護設計。對于普通巷道由于不連續面的參數難以獲得，以及計算分析工作量太大而難以進行。對于軟巖巷道，錨固深度不應小于剪切滑移鍥體的長度，錨桿間距應不超過錨固深度的1/2，錨固力不應小于圍巖穩定所需的最小支護抗力。
　　軟巖中的銷釘作用是根據錨桿抵抗剪切滑移破壞提出的，但圍巖破壞形式是復雜多樣的，尤其是當剪切滑移破壞受到錨桿抑制時，圍巖破壞可能會轉變為其它形式，按照剪切滑移破壞設計的錨桿難以適應實際圍巖變形破壞的變化。
　　二、我國學者根據主要錨固理論的特點及適用要求，也提出了幾種錨固理論模型，對錨固工程設計及施工有很好指導作用。
　　⑴ 孫鈞、宋德彰的理論分析模型
　　 采用塑性應變軟化本構關系，通過石膏—硅藻土材料三向壓縮試驗，回歸出塑性區圍巖C、Ф值隨八面體塑性剪應變εp的衰減規律；將錨桿的作用簡化為對錨固圍巖從錨桿兩端施加徑向約束力，即提高圍壓，由試驗得出圍壓與巖體殘余強度的關系。在上述工作的基礎上，利用彈塑性理論能夠定量分析錨桿的支護效果。該理論模型同以往的理論相比，采用了先進的塑性軟化本構關系，理論分析結果與實際更加接近。
　　⑵ 孫學毅的全長錨固無托板錨桿的力學模型
　　孫學毅根據70年代我國對砂漿錨桿軸向力研究的豐富實測資料，提出了砂漿錨桿的力學模型。該模型1983年在國際錨桿支護會議交流后，被國內外學者廣泛關注。
　　⑶ 王明恕的中性點理論
　　王明恕根據錨固后靜態錨桿的靜力平衡關系，指出錨桿體表面的剪應力方向不可能一致，存在剪應力為零的中性點。并在巖性均質、均勻荷載、圓形巷道的假設下利用彈塑性理論推導出錨桿上剪應力分布，給出了中性點位置的計算公式：
　　根據全長錨桿的應力分布和中性點理論，王明恕提出全長錨桿的設計方法。中性點理論使人們對圍巖中錨桿應力狀態及作用原理有了新的認識。
　　⑷ 李世輝的典型類比分析法
　　典型類比分析法是將典型工程現場測試資料、圍巖分類和簡便實用的巖石力學分析方法三者結合起來，綜合應用了經驗分析、位移等效原理、邊界元有限元數值模擬和復雜系統的綜合集成技術，其主要實施思路為：①工程圍巖的分類和亞類；②以同類圍巖典型工程的成功經驗和現場測試資料為類比的基準；③對施工程序和方法的建議是與典型工程相近；④比較二者條件的異同，分別考慮其影響；⑤參照典型工程實測力學參數，利用簡易的力學分析工具對該工程圍巖變形與破壞特性作粗略評估；⑥參考上述定量分析，綜合考慮有關因素，以估計范圍值的形式提出定性與半定量的咨詢意見。典型類比法是以典型工程為比較的類比法，并且參照數值分析的結論，這比普通的類比分析法更為科學和可靠。
　　⑸ 董方庭的圍巖松動圈分類法及支護建議
　　①地應力與圍巖相互作用會產生圍巖松動圈；②松動圈形成過程中產生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象，松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難；③依據松動圈的大小采用不同的原理設計錨桿支護。小松動圈（0~40mm）采用噴射混凝土支護即可；中松動圈（40~150mm）采用懸吊作用原理設計錨桿支護，大松動圈（>150mm）采用組合拱原理設計錨桿支護。松動圈支護理論對于錨桿支護的指導作用在于確定各種經典錨桿支護作用理論的適用條件和范圍，可操作性較強。
　　三、結論
　　以上錨桿作用經典理論的主要特點是認為錨桿使巖體中形成有利于圍巖穩定的結構，由于結構承受圍巖壓力，目前廣泛地應用于我國錨桿支護設計，對于人們認識理解錨桿支護具有重要意義。