全長(zhǎng)錨固錨桿的橫向作用研究

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1、第19卷　第1期巖　土　工　程　學(xué)　報(bào)Vol.19No.11997年　　1月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringJan.,1997X全長(zhǎng)錨固錨桿的橫向作用研究鐘新谷　徐　虎(湘潭礦業(yè)學(xué)院資源工程系,411201)1　引　　言全長(zhǎng)錨固錨桿種類很多,在巷道支護(hù)中應(yīng)用十分廣泛。其支護(hù)機(jī)理有應(yīng)用較為廣泛的中[1～4]性點(diǎn)理論。實(shí)際上只要圍巖沿錨桿軸向有移動(dòng)趨勢(shì),那么中性點(diǎn)作用機(jī)理是存在的。在礦山生產(chǎn)中的巷道絕大多數(shù)為直墻半圓拱斷面,這種斷面在井下利用率高,成型容易。

2、根據(jù)剛塑性模型推導(dǎo)的直墻半圓拱底板滑移線場(chǎng)見(jiàn)圖1所示。圖中φ為圍巖的摩擦角;ps為松動(dòng)圍巖壓力;b為底板的松動(dòng)寬度;α,β為圍巖滑移線,箭頭方向?yàn)榈装鍑鷰r的移動(dòng)趨勢(shì);Β為巷道寬度(滑移線場(chǎng)推導(dǎo)過(guò)程略)。如果在圖1中沿AC,BD方向布置錨桿,那么圍巖有垂直于錨桿軸向方向的移動(dòng)趨勢(shì)。由于錨桿變形剛度與圍巖不一致,錨桿必然在垂直于錨桿軸向方向產(chǎn)生類似于抗滑樁的繞流阻力阻止圍巖圖1　底板滑移線場(chǎng)垂直于錨桿軸向方向的移動(dòng)趨勢(shì)。實(shí)際上圍巖垂直于錨桿軸向移動(dòng)趨勢(shì)在圓形巷道中也是存在的。文獻(xiàn)[5]指出,在圖1中沿A

3、C,BD方向[7]布置錨桿可以防治軟巖巷道底臌,并在文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。通過(guò)模擬試驗(yàn)表明:無(wú)論是圓形巷道還是直墻半圓拱,交叉布置錨桿與沿法向布置相比,頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷即鬄闇p少。上述分析表明,錨桿的橫向作用是不能忽略的。陳宗基教授在1990年第三屆國(guó)際巖石力學(xué)會(huì)議專題報(bào)告中指出“進(jìn)一步講:,在泥巖或砂巖中,布置斜交錨桿對(duì)抵抗由于應(yīng)力松弛導(dǎo)致承載能力的喪失,可能是更有效的。”所以,研究錨桿橫向作用是十分必要的。2　錨桿橫向受力特征分析如果在圖1中AC,BD位置布置錨桿,圍巖的移動(dòng)趨勢(shì)完

4、全垂直于錨桿軸向。很明顯,錨X煤炭工業(yè)部煤炭科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)93采90918).　　　到稿日期:1995-06-01.94?1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net　第1期鐘新谷等1全長(zhǎng)錨固錨桿的橫向作用研究95桿在AC段受到AFC區(qū)的壓力作用。由于AFC區(qū)為均勻應(yīng)力區(qū),可以認(rèn)為作用在AC段錨桿的壓力是均勻分布的。那么錨桿橫向受力分析如圖2所示。根據(jù)煤

5、礦巷道單軌斷面設(shè)計(jì),現(xiàn)有鑿巖機(jī)的鉆孔長(zhǎng)度及巷道空間作業(yè)的可能性,[8]采用2倍AC,BD長(zhǎng)度基本上可以符合施工要求。錨桿[9]橫向受力方程按推力樁m法建立,如圖2所示。平衡方程為4dxEI·4=-mDyx+PD(1)dy3式中EI為錨桿剛度系數(shù);m為圍巖的比例系數(shù)(T/m),根據(jù)文獻(xiàn)[9]的分類可類推各類巖石的比例系數(shù)m;D為圖2　錨桿受力分析圖錨桿直徑;P為松動(dòng)圍巖傳遞給錨桿的壓力?！辤采用級(jí)數(shù)法求解方程(1)。設(shè)x=6aiy,將x代入式(1)得i=0∞mDk(5k-4)..5kx=a0[1+6(

6、-)··y]EI(5k).k=1∞mDk(5k-3)..5k+1+a1[y+6(-)··y]EI(5k+1).k=1∞2mDk(5k-2)..·2.5k+2+a2[y+6(-)··y]EI(5k+2).k=1∞3mDk(5k-1)..·3.5k+3+a3[y+6(-)··y]EI(5k+3).k=1∞P·D4mDk(5k)..·4.5k+4+·[y+6(-)··y](2)EI·4.k=1EI(5k+4).在y=0處有如下邊界條件成立:2dxEI·2=0

7、y=0(3)dy2dxEI·2=0

8、y=0(4

9、)dy將式(2)代入式(3)、(4)得a2=0,a3=0。[9]CC段錨桿是在彈性區(qū)內(nèi),所以按k法可建立如下錨桿平衡方程:4dxEI·4=-kDx(5)dy式中k為圍巖的彈性變形系數(shù),k=m·l,l為AC的長(zhǎng)度。x,y坐標(biāo)如圖2所示。方程(5)的通解為βy-βy(c·cosβy+dsinβy)(6)x=e·(acosβy+bsinβy)+e4k式中β=;a,b,c,d為積分常數(shù)。根據(jù)錨桿在圍巖的端部情況,有下列邊界條件成4EI立:2dxEI·2=0

10、y=l(7)dy1?1994-2006ChinaA

11、cademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net96巖　土　工　程　學(xué)　報(bào)1997年　3dxEI·3=0

12、y=l(8)dy1′式中l(wèi)1為CC的長(zhǎng)度。由于在錨桿C點(diǎn)是連續(xù)的,所以在C點(diǎn)的彎矩M、剪力Q、轉(zhuǎn)角φ,撓度x也是連續(xù)的。根據(jù)邊界條件及C點(diǎn)連續(xù)條件可得如下6個(gè)方程:2βl(b·cosβl1-asinβl1)·e1+(c·sinβl1-d·cosβl1)=0(9