錨桿支護相關的幾個力的概念

錨桿支護相關的幾個力的概念

1定義
錨固力：指錨桿對圍巖的約束力，它包括徑向錨固力和切向錨固力，徑向錨固力含托錨力和粘錨力。
托錨力是托板阻止圍巖向巷道內位移，對圍巖施加的徑向支護力；
粘錨力是錨桿通過粘結劑對圍巖施加的徑向作用力；
切向錨固力是錨桿體貫穿巖體弱面，對弱面的滑動和張開產生的限制力；單位kN.

拉拔力：指阻止錨桿從巖體中拔出的力。拉拔力可分為設計拉拔力和檢測拉拔力。通常說的拉拔力指設計拉拔力，其值應大于錨桿破斷力；單位kN.
錨桿預緊力：在錨桿安裝過程中，對錨桿桿體施加的軸向拉力，單位kN.
錨桿預緊力矩：在錨桿安裝過程中，對錨桿螺母施加的力矩，單位N·m.
錨桿預應力：在錨桿安裝過程中，對錨桿桿體施加的軸向拉應力，等于錨桿預緊力與桿體橫截面積的比值，單位MPa.

2測量方法
2.1錨固力測試
錨桿的錨固力一般用測力計進行，目前井下一般用的是ML-20型、ML-30型錨桿拉力計。
安裝測力計過程：
①檢查拉力計內工作臺液壓力表油管接頭情況；
②錨桿連接桿(內螺紋)直接套在錨桿端頭的螺紋上，擰入的螺紋不少30mm;
③安裝套筒，套筒緊靠錨桿托盤，再安裝千斤頂(伸縮油缸的一端向外，緊靠螺母)，用扳手擰緊螺母；
④將油管連接到千斤頂上；
⑤旋緊開關旋扭；
⑥用力勻速加壓操作柄，時刻注意壓力表，直至達到設計錨固力停止，緩緩旋開開關旋扭卸壓。

注意事項：
(1)選擇托盤處巖煤平整無破碎現象的位置；
(2)墊板應盡量選擇平整剛性的；
(3)錨桿螺紋外露長度在25~40mm之間，且錨桿與煤巖面應垂直；千斤頂軸心連接桿錨桿體中心線一致；
(4)加壓前應檢查測力計完好狀況(工作介質管路壓力表旋扭千斤頂等)；
(5)錨桿測力計加壓應均勻緩慢，直至錨桿松動或壓力表讀數至錨桿設計錨固力數值即停止，一般不作破壞性實驗；
(6)千斤頂卸壓時，緩慢松開開關旋扭；
(7)壓試時，被檢錨桿的附近3m不得有人；
(8)樹脂錨桿若在安裝后半小時測定應將測定值乘以1.3的系數；
(9)錨桿錨固力測試時應有安全保護措施。

2.2錨桿拉拔力檢測
錨桿拉拔計是最常用的錨桿拉拔力檢測儀器。目前我國常用的幾種錨桿拉拔計有MLJ-300/100型錨桿拉拔計、MJY-1型無損錨桿受力檢測儀、ZY型系列錨桿拉拔計等。
對錨桿拉拔實驗有以下要求：
錨桿拉拔實驗采用錨桿拉拔計在井下巷道中完成；
試驗地點應該選在井下巷道施工現場或類似的圍巖中完成；
試驗所用的錨桿、錨固劑等應與正式施工時所用的材料相同；
試驗所用的機具、鉆孔參數應與正式施工時相同；
試驗應采用短錨固(如150~200mm長的錨固劑)形式，以便測試錨固劑粘結強度；
試驗為破壞性試驗，拉拔至錨桿失效，試驗過程中記錄載荷與錨桿尾部位移；
根據最大載荷與位移曲線，分析圍巖的可錨性、錨固效果，對應用錨桿支護的可行性做出判斷。
有下列情況之一，必須重新進行錨桿拉拔試驗：
錨桿支護設計發生變更；
支護材料發生變更；
巷道圍巖地質條件發生較大變化，如遇斷層、破碎帶、皺曲等地質構造；巷道頂板出現較大淋水等。

2.3錨桿預緊力矩測試
錨桿預緊力的檢測一般使用扭矩扳手。錨桿預緊力的檢測應符合以下要求：
每小班頂幫各抽樣一組(3根)進行錨桿螺母扭矩檢測。每根螺母預緊力矩應符合設計要求；
每組中有一個螺母扭矩不合格，就要再抽查一組(3根)。若仍發現有不合格的，就將本班所有的螺母重新擰緊和檢修一遍。

3幾種易混淆的力之間的關系
3.1錨固力與拉拔力區別
(1)錨固力是錨桿對圍巖產生的約束力，是限制圍巖變形，起支護作用的力。錨桿拉拔力是錨桿錨固后拉拔實驗時，所能承受的極限載荷，反映的是桿體、錨固劑、巖石粘結到一起后，錨桿破斷或失效的最大拉力。
(2)錨固力隨著被支護圍巖變形、圍巖的膨脹而增大，因此錨固力是一個動態發展并不斷變化的力。錨桿拉拔力是一個固定值，不隨圍巖變形和錨桿受力而改變。如果圍巖不發生變形且不考慮桿體的松馳效應，錨固力等于初錨力。
(3)錨固力檢測使用安裝于錨桿螺母和托盤之間的錨桿測力計，一般在錨桿安裝時把錨桿測力計安好。檢測錨固力是為了監測錨桿受力狀況，需要進行長期觀測。錨桿拉拔力檢測使用錨桿拉力計，檢測可以在錨桿安裝完成后任何時候進行，檢測錨桿拉拔力是為了查驗錨桿桿體、錨固劑、巖石粘結效果。在施工中，檢測錨桿拉拔力時，一般只要達到設計錨固力即可；在做破壞性檢測時，則要求錨桿被拉斷或錨桿被拉出才終止。
(4)檢查錨桿施工質量時，一般檢查錨桿拉拔力。監測分析錨桿工作情況時，測錨固力。測量錨固力是為了驗證支護的可靠性，為以后修改支護設計提供依據。設計和施工時，必須保證錨桿拉拔力大于桿體破斷力這一基本原則，即錨桿桿體受力超過其破斷力后，錨桿可能被拉斷，但錨桿不能被拉出。常見錯誤是設計的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。

3.2預緊力和預緊力矩關系
(1)錨桿預緊力與預緊扭矩的簡化關系式為：M=k·T·d,其中M為預緊扭矩，N·m;k為比例系數，T為預緊力，kN;d為桿體直徑，mm;比例系數k是一個綜合系數，它受螺紋升角、螺距、螺旋副的摩擦系數以及螺母與支撐面的摩擦系數等參數的綜合影響，因此是確定預緊力與預緊扭矩之間關系的關鍵。
(2)預緊力是力，是施加在錨桿(錨索)上的拉力，單位kN;預緊力矩是力矩，施加在壓緊螺母上，單位N·m.
(3)二者測量儀器不同。預緊力可以通過安裝在錨桿托盤與螺母間的錨桿測力計觀測；用心專注，服務專業預緊力矩可以通過數字顯示或帶有刻度顯示的錨桿扭力扳手觀測。
(4)錨桿施工設計要求的是預緊力，而不是預緊力矩。但在實際施工中，由于預緊力矩測讀方便而預緊力測量相對復雜，且預緊力隨著預緊力矩增大而增大，為了檢測方便，通過直接檢測預緊力矩而達到間接檢測錨桿的預緊力的目的。因此，錨桿安裝時通常檢測預緊力矩，而不檢測預緊力。

3.3預緊力與預應力區別
錨桿預緊力：在錨桿安裝過程中，對錨桿桿體施加的軸向拉力。
錨桿預應力：錨桿預緊力與桿體橫截面積的比值。

4.1錨固力的作用
錨桿的錨固作用體現為徑向和切向錨固力的作用。徑向錨固力對圍巖施加圍壓，將圍巖由單向、雙向受力狀態轉化為雙向、三向受力狀態，提高圍巖的穩定性。錨桿貫穿同一巖層中的弱面，切向錨固力改善了弱面的力學性質，從而改善了圍巖的力學性質。因此錨桿是兼有支護和加固兩種作用的較完美的支護形式。徑向錨固力主要起著支護作用，切向錨固力主要起著加固作用。而在煤巷圍巖中，主要是徑向錨固力起作用，起到支護作用。具體表現為以下幾個方面：
(1)加固拱作用。對于被縱橫交錯的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時用錨桿加固，能提高巖體結構的抗剪強度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內形成一個不僅能維持自身穩定，而且能防止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而保持巷道的穩定。
(2)懸吊作用。懸吊作用是指錨桿把將要冒落的軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅固穩定的巖石上，由錨桿來承擔危巖或者軟弱巖層的重量。
(3)組合梁作用。在層狀巖層的巷道頂板中，通過錨入一系列的錨桿，將錨桿錨固長度以內的薄巖層組成一定的組合梁，從而提高其承載能力?？梢园哑巾斚锏赖膶訝顜r石頂板看作是以巷道兩幫為支點的疊合梁。在載荷作用下，各巖層都有各自的單獨彎矩，每層巖石分別處于受壓和受拉狀態。錨桿將各層巖石組合在一起之后，大大提高了組合梁的抗彎強度和承載能力。

4.2預緊力的作用
(1)預緊力能夠發揮錨桿主動支護作用，特別是在層狀巖層、破碎圍巖條件下，增大預緊力能夠改變圍巖性質，防止圍巖破壞，保持圍巖穩定，有利于對圍巖支護。
(2)錨桿預緊力大小對頂板穩定性具有決定性的作用。當預緊力大到一定程度時，錨桿長度范圍內和錨桿長度以上的頂板離層可以得以消除。
(3)高預緊力錨桿旨在建立預應力頂板，預應力頂板的存在在一定程度上保護著頂板使其免受水平應力的破壞，使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態，以克服高水平應力對頂板穩定性的影響。
(4)預應力結構的形成是有條件的，錨桿預緊力是關鍵。在水平應力大的條件下，錨桿的作用在于給頂板及時提供很高的預應力以形成預應力頂板，形成一個壓力自撐結構。