一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法

1.本发明涉及测试与锚杆支护技术领域，尤其是一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法。


背景技术：

2.锚杆用于岩层加固由来已久，每年在采矿工程中的消耗量可达数十亿根。由于存在锚杆锚固长度、围岩强度、杆体自身强度等众多因素的影响，锚杆与围岩的相互作用机理尚未完全明确，施工设计在某些方面仍缺乏理论指导。锚杆支护设计，包括锚杆选型、锚固剂选择、锚固支护间排距、锚固长度等参数设计，当支护材料及间排距确定后，锚固长度的确定是具有重要影响的环节。
3.针对煤矿端锚锚杆来说，由于工程地质及采动影响原因，当锚固长度设计过短时，锚固界面容易失效，导致锚杆处于低承载力甚至滑出状态，锚杆的支护性能难以发挥；当锚固长度过长时，导致锚杆自由段较短，导致锚杆的吸能作用降低。当锚固界面抗剪强度及刚度参数确定后，锚固长度的大小对极限锚固力有重要影响，其合理设计应充分考虑应力环境、锚杆类型、锚固剂性能、围岩性质、含水情况与施工质量等因素的影响，可能每一条巷道的地质力学条件都不相同。锚固界面抗剪强度及刚度参数标定可通过室内试验及工程试验两种方式，但室内试验很难准确地还原工程现场，主要考虑以下三个方面的问题：一是工程环境问题，考虑到深部巷道围岩采动应力等条件，室内试验往往不能充分还原锚杆在围岩中的真实受力状态；二是岩体物理力学性质问题，室内试验一般采用相似材料配比的方法制备围岩材料，但仍存在较大差异性；三是锚杆锚固施工时通常需要进行动态设计，而目前基于室内试验的支护参数设计较为单一，不便于根据现场实测结果进行及时调整。
4.现有技术中，锚杆锚固长度设计，已将锚固界面剪应力分布规律考虑进去了，更接近于实际情况。但一方面，由于锚杆载荷传递力学模型的多样性，使得锚杆界面剪应力分布的规律也不确定，且剪应力分布规律受多种因素影响，在工程现场上很难进行实测。另一方面，当锚杆锚固后，随着巷道围岩变形，锚杆界面剪应力首先在锚固界面端头位置达到抗剪强度，而后逐渐损伤，剪应力峰值不断向锚固深处推移，导致锚固界面渐进失效。为防止出现这种情况，在进行锚杆锚固长度设计时，应避免界面剪应力达到应力损伤峰值，可通过调节锚固长度使得在锚杆承载力范围内锚固界面处于弹性阶段。
5.基于以上分析，进一步在工程现场进行锚固界面力学参数标定，需要将各种工程影响因素综合考虑在内，利用标定参数确定特定工程条件下的锚固界面剪应力分布规律，进而确定弹性锚固长度，实现对锚杆支护工程实践的有效指导。


技术实现要素：

6.为了精确测量现场巷道锚杆锚固界面轴向抗剪强度及剪切刚度，从而合理设计现场锚杆支护工程所需锚固长度，本发明提供了一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法，具体的技术方案如下。
7.一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法，步骤包括：
8.s1.工程现场测量锚固界面力学参数，通过拉拔试验得到短锚杆拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线；
9.s2.计算锚固围岩间的相对位移量，确定锚固界面剪应力与位移关系曲线；
10.s3.根据最大拉拔载荷求得锚固界面抗剪强度，计算界面轴向剪切刚度；
11.s4.将长锚杆拉拔视为n个短锚杆拉拔锚固单元组合的离散化模型，以锚杆屈服或破断时锚固界面刚好达到抗剪强度为条件，计算确定锚固长度。
12.优选的是，拉拔试验包括：通过施工钻孔和套钻施工，将短锚杆锚固在钻孔中；短锚杆上安装测量螺母，螺母上安装磁吸底座，在磁吸底座上安装位移计，位移计的顶杆触头和锚固剂的表面接触；安装锚杆拉拔和测量装置，拉拔试验过程中监测拉拔载荷和锚杆端头位移，确定锚杆拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线。
13.优选的是，短锚杆依次固定拉拔反力板、拉拔油缸、第一垫板、载荷传感器、第二垫板和螺母；拉拔油缸加载，位移计和载荷传感器同步测量。
14.还优选的是，锚固围岩间的相对位移δ
s1
量计算方式为：
[0015][0016]
其中，δ
s0
为锚杆拉拔端头位移；le为锚杆上位移计固定点到锚固围岩表面的距离；db为锚杆直径；eb为锚杆材料的弹性模量。
[0017]
还优选的是，锚固界面剪应力τ
s1
的计算方式为：
[0018][0019]
其中，p1为现场短锚杆拉拔载荷；db为锚固界面直径；la为现场短锚杆拉拔的锚固长度。
[0020]
还优选的是，锚固界面抗剪强度[τs]的计算方式为：
[0021][0022]
其中，p
1max
为现场短锚杆拉拔弹性极限载荷；db为锚固界面直径；la为现场短锚杆拉拔的锚固长度；
[0023]
还优选的是，界面轴向剪切刚度k
ss1
的计算方式为：
[0024][0025]
其中，δτ
s1
为锚固界面轴向剪应力变化量；δδ
s1
为锚固界面相对位移变化量。
[0026]
进一步优选的是，利用短锚杆拉拔确定的锚固界面力学参数分析长锚杆拉拔的界面剪切应力分布，其中，单个锚固基体单元的锚固长度la的计算方式为：
[0027][0028]
其中，n为短锚杆拉拔锚固单元的数量，la为锚杆总锚固长度；
[0029]
长锚杆拉拔界面轴向刚度采用通过短锚杆拉拔试验标定的刚度，即锚杆拉拔界面
轴向剪切刚度满足：
[0030]kss
＝k
ss1
[0031]
其中，k
ss
为锚固界面轴向剪切刚度；k
ss1
为锚固基体单元的标定刚度
[0032]
进一步优选的是，进行长锚杆拉拔试验，当拉拔载荷为p时，此时第1个节点传递的剪应力为τ
s1
，第1节点的位移为：
[0033][0034]
第1节点和第2节点之间的锚杆轴力差值p
(1～2)
的计算方式为：
[0035]
p
(1～2)
＝τ
s1
πdbla[0036]
其中，τ
s1
为第1个锚固单元的剪应力；db为锚杆的直径；
[0037]
第1锚固基体单元和第2锚固基体单元之间的界面相对位移差δ
s(1～2)
计算方式为：
[0038][0039]
其中，eb为锚杆的弹性模量；
[0040]
计算第1节点和第2节点之间的锚杆变形量为：
[0041][0042]
得到第n-1节点与第n节点之间的锚杆变形量为：
[0043][0044]
进一步优选的是，锚固基体单元的载荷之和等于总拉拔力p满足以下关系：
[0045][0046]
当τ
s1
＝[τs]时，令其中χ为剪应力衰减系数，可得锚杆拉拔达到弹性极限状态时，锚固界面剪应力分布为：
[0047]
τ
s(n)
＝[τs]χ
n-1
[0048]
短锚杆的拉拔弹性极限载荷为：
[0049][0050]
计算确定锚杆的锚固长度为：
[0051][0052]
其中，ps及pb分别为锚杆杆体屈服载荷和破断载荷。
[0053]
本发明提供的一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法有益效
果是：
[0054]
该方法利用现场短锚杆拉拔及锚固界面相对位移测量装置，测量锚固界面力学参数简单实用、可操作性强；提供了锚固界面力学参数的原位试验标定方法，将复杂锚固界面模型转化为光圆界面分析模型，在标定时可将锚固支护的工程地质因素及人为因素考虑在内，得到的锚固界面力学参数是综合性参数；该方法还通过现场标定参数及理论分析模型，提出了锚固界面剪应力分布、锚固弹性极限载荷及锚固长度确定方法，可有效指导锚杆支护工程实践，保证支护安全。
附图说明
[0055]
图1是现场原位锚杆拉拔试验示意图；
[0056]
图2是短锚杆拉拔锚固界面轴向剪切强度及刚度分析示意图；
[0057]
图3是长锚杆拉拔锚固界面轴向剪切强度及刚度分析示意图；
[0058]
图4是基于现场原位锚杆拉拔测量的锚固长度设计方法流程图；
[0059]
图5是不同界面轴向刚度下界面剪应力沿锚固长度方向的分布曲线；
[0060]
图6是不同界面轴向刚度下弹性极限锚固力随锚固长度的分布曲线；
[0061]
图中：1-巷道围岩；2-锚杆；3-位移计；4-螺母；5-拉拔反力板；6-磁吸底座；7-载荷传感器；8-垫板；9-锚杆螺母；10-拉拔油缸；11-液压泵；12-测试数据仪。
具体实施方式
[0062]
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法的具体实施方式进行说明。
[0063]
一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法，在工程现场进行锚固界面力学参数标定，同时将各种工程影响因素综合考虑在内，利用标定参数确定特定工程条件下的锚固界面剪应力分布规律，进而确定弹性锚固长度，有效的指导了锚杆支护工程实践。
[0064]
该方法具体的步骤包括：
[0065]
s1.工程现场测量锚固界面力学参数，通过拉拔试验得到短锚杆拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线。
[0066]
其中，拉拔试验包括：通过施工钻孔和套钻施工，先钻小孔作为锚固钻孔，再套钻一大孔作为测量钻孔，小孔直径与锚杆匹配，大孔直径应满足测量需求，将短锚杆锚固在钻孔中，锚固长度满足短锚杆拉拔试验要求。短锚杆上安装测量螺母，螺母上安装磁吸底座，在磁吸底座上安装位移计，位移计的顶杆触头和锚固剂的表面接触，并将位移计顶杆压入一定距离，该位移计用于测量锚杆相对于围岩的拉拔位移量。安装锚杆拉拔和测量装置，拉拔试验过程中监测拉拔载荷和锚杆端头位移，确定锚杆拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线。
[0067]
短锚杆依次固定拉拔反力板、拉拔油缸、第一垫板、载荷传感器、第二垫板和锚杆螺母；液压泵驱动拉拔油缸加载，位移计和载荷传感器同步测量，测量结果传输至测试数据仪，获得短锚杆拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线，即p
1-δ
s0
曲线。
[0068]
s2.计算锚固围岩间的相对位移量，确定锚固界面剪应力与位移关系曲线。
[0069]
锚固围岩间的相对位移δ
s1
量计算方式为：
[0070][0071]
其中，δ
s0
为锚杆拉拔端头位移；le为锚杆上位移计固定点到锚固围岩表面的距离；db为锚杆直径；eb为锚杆材料的弹性模量。
[0072]
锚固界面剪应力τ
s1
的计算方式为：
[0073][0074]
其中，p1为现场短锚杆拉拔载荷；db为锚固界面直径；la为现场短锚杆拉拔的锚固长度。
[0075]
根据短锚杆的拉拔载荷与锚杆端头位移关系曲线，获得锚固界面剪应力与位移关系曲线即τ
s1-δ
s0
曲线。
[0076]
s3.根据最大拉拔载荷求得锚固界面抗剪强度，计算界面轴向剪切刚度。
[0077]
根据锚固界面剪应力与位移关系曲线，其弹性阶段的终点即为最大抗剪强度，根据短锚杆拉拔剪应力平均分布假设，锚固界面抗剪强度[τs]的计算方式为：
[0078][0079]
其中，p
1max
为现场短锚杆拉拔弹性极限载荷；db为锚固界面直径；la为现场短锚杆拉拔的锚固长度；
[0080]
根据锚固界面剪应力与位移关系曲线，在弹性阶段取点计算斜率，即为界面轴向剪切刚度k
ss1
的计算方式为：
[0081][0082]
其中，δτ
s1
为锚固界面轴向剪应力变化量；δδ
s1
为锚固界面相对位移变化量。
[0083]
s4.将长锚杆拉拔视为n个短锚杆拉拔锚固单元组合的离散化模型，以锚杆屈服或破断时锚固界面刚好达到抗剪强度为条件，计算确定锚固长度。
[0084]
在锚固工况相同的情况下，刚度作为结构界面属性，与锚固长度没有关系，仅与界面结构、材料属性、施工质量等因素有关，所以可利用短锚杆拉拔所确定的锚固界面力学参数分析长锚杆拉拔的界面剪应力分布。将长锚杆拉拔视为n个短锚杆拉拔锚固单元组合在一起的离散化模型，单元节点位移编号分别为1、2、3
…
n。
[0085]
利用短锚杆拉拔确定的锚固界面力学参数分析长锚杆拉拔的界面剪切应力分布，其中，单个锚固基体单元的锚固长度la的计算方式为：
[0086][0087]
其中，n为短锚杆拉拔锚固单元的数量，la为锚杆总锚固长度；
[0088]
长锚杆拉拔界面轴向刚度采用通过短锚杆拉拔试验标定的刚度，即锚杆拉拔界面轴向剪切刚度满足：
[0089]kss
＝k
ss1
[0090]
其中，k
ss
为锚固界面轴向剪切刚度；k
ss1
为锚固基体单元的标定刚度
[0091]
进行长锚杆拉拔试验，当拉拔载荷为p时，此时第1个节点传递的剪应力为τ
s1
，第1节点的位移为：
[0092][0093]
后一节点位移等于前一节点位移减去两节点之间锚杆的相对变形量，相对变形量又等于两节点间锚杆轴向载荷差(轴力差)与锚杆拉伸刚度之比。第1节点和第2节点之间的锚杆轴力差值p
(1～
2)的计算方式为：
[0094]
p
(1～2)
＝τ
s1
πdbla[0095]
其中，τ
s1
为第1个锚固单元的剪应力；db为锚杆的直径；
[0096]
第1锚固基体单元和第2锚固基体单元之间的界面相对位移差δ
s(1～2)
计算方式为：
[0097][0098]
其中，eb为锚杆的弹性模量；
[0099]
联立上述公式，即可计算第1节点和第2节点之间的锚杆变形量为：
[0100][0101]
同理，即可得到第n-1节点与第n节点之间的锚杆变形量为：
[0102][0103]
进而可得，可得节点n的位移与节点1之间的关系为：
[0104][0105]
可以得到，第n节点处的剪应力相对于第1节点处的剪应力衰减为：
[0106][0107]
锚固基体单元的载荷之和等于总拉拔力p满足以下关系：
[0108][0109]
当τ
s1
＝[τs]时，令其中χ为剪应力衰减系数，可得锚杆拉拔达到弹性极限状态时，锚固界面剪应力分布公式为：
[0110]
τ
s(n)
＝[τs]χ
n-1
[0111]
锚杆的拉拔弹性极限载荷计算公式为：
[0112][0113]
计算确定锚杆的锚固长度为：
[0114][0115]
其中，ps及pb分别为锚杆杆体屈服载荷和破断载荷。
[0116]
结合图4以及具体的现场测试算例对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
[0117]
根据该流程图，首先在现场进行短锚杆拉拔测试，短锚杆拉拔的锚固长度la＝50mm，锚杆外露端长度le＝200mm；现场试验获得其拉拔载荷-位移曲线，进而获得剪应力-位移曲线。所用锚杆直径db＝20mm，弹性模量eb＝200gpa。求得现场锚固界面轴向抗剪强度[τs]＝9.55mpa，轴向剪切刚度k
ss
＝5.0mpa/mm，另取k
ss
＝25.0mpa、50mpa进行对比分析。
[0118]
根据公式锚固界面剪应力分布公式，求得锚固界面弹性极限状态下的剪应力沿锚杆轴向的分布曲线，如图5所示。可见界面轴向剪切刚度的大小对于界面剪应力分布具有重要影响，刚度越小，分布越均匀，刚度越大，剪应力沿锚固长度方向衰减越剧烈。
[0119]
根据锚杆的拉拔弹性极限载荷计算公式求得锚固界面弹性极限状态下的锚杆拉拔载荷随锚固长度的变化规律，如图6所示。当锚固界面轴向抗剪强度相同时，界面轴向剪切刚度越小，锚固界面所能承受的拉拔极限载荷越大。假设以锚杆屈服载荷为标准进行锚固长度设计，锚杆的屈服载荷为100kn，当k
ss
＝5.0mpa/mm，锚固长度在400mm左右；当k
ss
＝25.0mpa，锚固长度550mm左右；当k
ss
＝50.0mpa，锚固长度在1000mm左右。
[0120]
根据该方法只要在工程现场测得锚固界面轴向抗剪强度及剪切刚度，即可进行相同工程条件下的锚杆锚固长度的测算预计及安全评估。
[0121]
另外该方法还利用现场短锚杆拉拔及锚固界面相对位移测量装置，测量锚固界面力学参数简单实用、可操作性强；将复杂锚固界面模型转化为光圆界面分析模型，在标定时可将锚固支护的工程地质因素及人为因素考虑在内，得到的锚固界面力学参数是综合性参数；提出了锚固界面剪应力分布、锚固弹性极限载荷及锚固长度确定方法，可有效指导锚杆支护工程实践，保证支护安全。
[0122]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。