錨桿支護相關(guān)的幾個力的概念
錨桿支護相關(guān)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(nèi)位移，對圍巖施加的徑向支護力；
粘錨力是錨桿通過粘結(jié)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(chǎn)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(shè)計拉拔力和檢測拉拔力。通常說的拉拔力指設(shè)計拉拔力，其值應(yīng)大于錨桿破斷力；單位kN.
錨桿預(yù)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(yù)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(yù)應(yīng)力：在錨桿安裝過程中，對錨桿桿體施加的軸向拉應(yīng)力，等于錨桿預(yù)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(nèi)工作臺液壓力表油管接頭情況；
②錨桿連接桿(內(nèi)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?jǐn)Q緊螺母；
④將油管連接到千斤
頂上；
⑤旋緊開關(guān)旋扭；
⑥用力勻速加壓操作柄，時刻注意壓力表，直至達(dá)到設(shè)計錨固力停止，緩緩旋開開關(guān)旋扭卸壓。
注意事項：
(1)選擇托盤處巖煤平整無破碎現(xiàn)象的位置；
(2)墊板應(yīng)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(yīng)垂直；千斤頂軸心連接桿錨桿體中心線一致；
(4)加壓前應(yīng)檢查測力計完好狀況(工作介質(zhì)管路壓力表旋扭千斤頂?shù)?；
(5)錨桿測力計加壓應(yīng)均勻緩慢，直至錨桿松動或壓力表讀數(shù)至錨桿設(shè)計錨固力數(shù)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(guān)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(yīng)將測定值乘以1.3的系數(shù)；
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(yīng)該選在井下巷道施工現(xiàn)場或類似的圍巖中完成；
試驗所用的錨桿、錨固劑等應(yīng)與正式施工時所用的材料相同；
試驗所用的機具、鉆孔參數(shù)應(yīng)與正式施工時相同；
試驗應(yīng)采用短錨固(如150~200mm長的錨固劑)形式，以便測試錨固劑粘結(jié)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(jù)最大載荷與位移曲線，分析圍巖的可錨性、錨固效果，對應(yīng)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(shè)計發(fā)生變更；
支護材料發(fā)生變更；
巷道圍巖地質(zhì)條件發(fā)生較大變化，如遇斷層、破碎帶、皺曲等地質(zhì)構(gòu)造；巷道頂板出現(xiàn)較大淋水等。
2.3錨桿預(yù)緊力矩測試
錨桿預(yù)緊力的檢測一般使用扭矩扳手。錨桿預(yù)緊力的檢測應(yīng)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(yù)緊力矩應(yīng)符合設(shè)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(fā)現(xiàn)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(guān)系
3.1錨固力與拉拔力區(qū)別
(1)錨固力是錨桿對圍巖產(chǎn)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(jié)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(tài)發(fā)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(fā)生變形且不考慮桿體的松馳效應(yīng)，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(jiān)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(jié)效果。在施工中，檢測錨桿拉拔力時，一般只要達(dá)到設(shè)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(zhì)量時，一般檢查錨桿拉拔力。監(jiān)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(shè)計提供依據(jù)。設(shè)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(shè)計的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。
3.2預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系
(1)錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩的簡化關(guān)系式為：M=k·T·d,其中M為預(yù)緊扭矩，N·m;k為比例系數(shù)，T為預(yù)緊力，kN;d為桿體直徑，mm;比例系數(shù)k是一個綜合系數(shù)，它受螺紋升角、螺距、螺旋副的摩擦系數(shù)以及螺母與支撐面的摩擦系數(shù)等參數(shù)的綜合影響，因此是確定預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩之間關(guān)系的關(guān)鍵。
(2)預(yù)緊力是力，是施加在錨桿(錨索)上的拉力，單位kN;預(yù)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(yù)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(wù)專業(yè)預(yù)緊力矩可以通過數(shù)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(shè)計要求的是預(yù)緊力，而不是預(yù)緊力矩。但在實際施工中，由于預(yù)緊力矩測讀方便而預(yù)緊力測量相對復(fù)雜，且預(yù)緊力隨著預(yù)緊力矩增大而增大，為了檢測方便，通過直接檢測預(yù)緊力矩而達(dá)到間接檢測錨桿的預(yù)緊力的目的。因此，錨桿安裝時通常檢測預(yù)緊力矩，而不檢測預(yù)緊力。
3.3預(yù)緊力與預(yù)應(yīng)力區(qū)別
錨桿預(yù)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(yù)應(yīng)力：錨桿預(yù)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(xiàn)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(tài)轉(zhuǎn)化為雙向、三向受力狀態(tài)，提高圍巖的穩(wěn)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(xué)性質(zhì)，從而改善了圍巖的力學(xué)性質(zhì)。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(xiàn)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(jié)構(gòu)的抗剪強度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個不僅能維持自身穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定的巖石上，由錨桿來承擔(dān)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(nèi)的薄巖層組成一定的組合梁，從而提高其承載能力。可以把平頂巷道的層狀巖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(tài)。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(yù)緊力的作用
(1)預(yù)緊力能夠發(fā)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(yù)緊力能夠改變圍巖性質(zhì)，防止圍巖破壞，保持圍巖穩(wěn)定，有利于對圍巖支護。
錨桿預(yù)緊力大小對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。當(dāng)預(yù)緊力大到一定程度時，錨桿長度范圍內(nèi)和錨桿長度以上的頂板離層可以得以消除。
高預(yù)緊力錨桿旨在建立預(yù)應(yīng)力頂板，預(yù)應(yīng)力頂板的存在在一定程度上保護著頂板使其免受水平應(yīng)力的破壞，使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，以克服高水平應(yīng)力對頂板穩(wěn)定性的影響。
(4)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成是有條件的，錨桿預(yù)緊力是關(guān)鍵。在水平應(yīng)力大的條件下，錨桿的作用在于給頂板及時提供很高的預(yù)應(yīng)力以形成預(yù)應(yīng)力頂板，形成一個壓力自撐結(jié)構(gòu)。
