錨桿支護“三徑”匹配的研究

1支護原理
　　錨桿支護是樹脂錨固劑配以各種材質(zhì)桿體的錨桿進行工程支護的錨桿支護技術。它的工作原理是把以樹脂膠泥為基礎的膠粘劑和固化劑(二者完全分開)用錨桿輕輕裝入鉆孔,隨后將錨桿以一定速度邊旋轉(zhuǎn)邊攪拌地推入到眼孔底部,把兩種化學物質(zhì)充分混合,使膠粘劑迅速聚合并使錨固段錨桿與鉆孔孔壁緊密地粘結在一起取得較高的強度,并通過托板的安裝和螺母的擰緊,對圍巖起到支護作用。
　　2支護“三徑”匹配原理
　　錨桿支護“三徑”匹配是指鉆孔直徑、錨桿直徑、錨固劑直徑“三徑”之間的最佳配合,從而使錨桿支護結構整體達到最佳的支護狀態(tài)。本文以左旋無縱筋螺紋鋼錨桿為例說明“三徑”的匹配。其它類型的錨桿與之類似。
　　2.1錨桿鉆孔直徑的確定
　　鉆孔直徑應主要根據(jù)錨桿的錨固力、錨固成本和鉆孔效率確定。
　　樹脂錨桿錨固力在孔經(jīng)為25～29mm區(qū)間內(nèi)隨著鉆孔直徑的增加而增大,到29mm時達到最大。超過29mm后則迅速降低。孔徑為28mm時錨固力次之,孔徑為33mm時,錨固力迅速下降直至為零。
　　同樣通過實驗可以得到:對于直徑為18mm的錨桿,鉆孔直徑為26mm時錨固力最大;對于直徑為16mm的錨桿,鉆孔直徑為25mm時錨固力最大。
　　實踐結果表明:鉆孔直徑越大,錨固成本越高、鉆孔時間越長。
　　2.2 錨桿直徑的確定
　　對于錨桿直徑,國外多數(shù)選用20～22mm。目前國內(nèi)根據(jù)設計及施工情況來看,桿體直徑大都在16~22mm。而且多集中在18mm左右,明顯偏小。目前國內(nèi)許多專家對錨桿長度和錨桿直徑有深入研究,結果表明:錨桿長度和錨桿直徑都存在著極限值,并不是通常認為的愈長愈好和愈粗愈好。
　　具有代表性的研究結果有:①對全長錨固錨桿的長度由錨桿尾部剪應力不超過粘結劑的極限粘結強度決定,巖石愈松軟,巷道斷面愈大,錨桿的極限長度愈小。認為當錨桿直徑為20～25mm時,錨桿長度難以超過2.5m。而對錨桿直徑,認為錨桿的極限直徑是根據(jù)桿體的最大軸向力和最大剪應力同時達到極限值來決定的;②錨桿的極限長度宜大于塑性區(qū)厚度且不宜過多地超出塑性區(qū)范圍;③利用計算機通過對近萬個數(shù)據(jù)的分析,對錨噴巷道錨桿長度與錨桿直徑與噴層厚度(反映圍巖壓力大小),錨桿提供的附加支護抗力(反映錨桿受力狀態(tài)),以及圍巖穩(wěn)定的安全系數(shù)K2之間的關系研究表明,錨桿長度和錨桿直徑都存在著一個合理值。我們充分汲取了以上論點,結合實驗數(shù)據(jù),根據(jù)多年的設計和施工實踐,對“三徑”匹配做進一步研究,提出了“三徑”匹配方案。
　　桿體直徑的增大必然提高錨桿的錨固力,同時支護成本必然增加。通過實驗對比如下:在鉆孔直徑為29mm、錨固長度與外部條件相同的情況下,以直徑為l4mm錨桿支護成本為基準,其他直徑錨桿支護成本增加的百分比見表1,錨固力增加的百分比見表2。
　　表1不同直徑錨桿支護成本增加百分比(%)
　　對比表1和表2可以明顯看出,隨著錨桿直徑增大,錨固成本增大,其增加的幅度為2%～14%;錨固力也增大,其增加幅度為13%～147%。兩個增加幅度相差懸殊,后者增加幅度是前者的10～11倍。由此可見,適當加大錨桿桿體直徑在經(jīng)濟上是十分有利的。
　　但是錨桿直徑的確定應綜合考慮各種因素。在保證錨桿具有可靠支護阻力的同時,還應考慮在技術上可行,經(jīng)濟上合理。
　　(1)滿足支護阻力的要求。(2)技術上的可行性。(3)經(jīng)濟上的合理性。綜合上述分析,結合設計、施工實際,錨桿直徑一般選取18~22mm。
　　2.3 樹脂藥卷直徑的確定
　　樹脂錨固劑直徑確定的原則:一是應在確定的鉆孔直徑條件下,保證樹脂錨固劑能夠得到順利安裝;二是保證樹脂錨固劑能夠順利安裝的條件下,將其直徑盡量加大。樹脂錨固劑藥卷盡量加大有如下好處:一是在錨桿攪拌樹脂錨固劑時,有利于樹脂膠泥和固化劑充分混合,樹脂錨固劑錨固強度能夠得到充分發(fā)揮;二是在用相同體積的樹脂錨固劑時,由于藥卷直徑的加大,藥卷總長度可以縮短,減少裝入時間和錨固劑在孔中的占據(jù)長度,方便錨桿安裝。
　　綜合分析研究結果及實踐經(jīng)驗證明:在29mm鉆孔中可以使用直徑18～22mm無縱筋左旋螺紋鋼錨桿或16～20mm有縱筋建筑螺紋鋼錨桿時,使用樹脂錨固劑直徑為23～25mm比較合適;對與直徑為33mm鉆孔,使用直徑24～26mm無縱筋螺紋鋼錨桿或22～24mm有縱筋建筑螺紋鋼錨桿時,使用樹脂藥卷直徑為28mm比較合適。
　　3結論
　　(1)鉆孔直徑對錨桿支護成本和錨固力大小影響很大。相同錨固長度需要較多的樹脂藥卷、支護成本較高。在目前技術條件下,直徑20mm的無縱筋左旋螺紋鋼錨桿和直徑18～20mm的有縱筋建筑螺紋鋼錨桿宜選擇28、29mm的鉆孔,直徑18mm及以下的無縱筋螺紋鋼錨桿宜選擇26mm的鉆孔,可以獲得較大的錨固力和較好的技術經(jīng)濟效益。(2)錨桿直徑對于是否能夠有效充分地均勻攪拌樹脂藥卷以及錨桿是否能夠順利安裝起著非常關鍵的作用。鉆孔直徑與錨桿直徑之差在6～10mm之間時,可以獲得較大的錨固力和較好的支護效果。(3)樹脂錨固劑直徑應比鉆孔直徑小3～6mm。(4)在全長或加長錨固時,錨桿直徑增大后不會引起錨固成本的大幅度提高。適當?shù)丶哟箦^桿直徑,技術經(jīng)濟效益十分顯著。