預應力在錨桿支護中的作用

鄧天琳

(大同煤礦集團設計研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

錨桿支護系統在人們的日常生活中已得到了廣泛的應用，尤其是在煤礦巷道建設中，因其安全性高、強度大的特點成為了巷道支護的主要方式。然而，隨著近年來我國煤礦開采規模的不斷增大及礦井深度的增加，對礦井巷道施工技術的要求也逐漸提升。為保證礦下工作人員的安全及采礦工作的效率，礦井應力巷道必須具備較大的橫截面積、較高的抗震系數，為此必須有效提高巷道的支護效果。

1 錨桿支護系統剛度與預應力的重要性

提高錨桿支護系統的剛度是保證巷道安全性和強度的有效手段。其中主要的方式有增加錨桿的預應力和增加錨固長度兩種方式。與此同時，還應相應地通過鋼板、拖帶等部件將預應力分散到整個系統中，從而有效方式支護結構的錯位和分離。

錨桿預應力還包含了以下幾項內容:①錨桿預緊力，即在安裝錨桿時對錨桿向軸心的拉力。②錨桿預緊力距，即軸心拉力到施力點的距離。③錨桿預應力，指的是在錨桿安裝過程中對錨桿的軸心拉應力。錨桿預應力的大小與錨桿預緊力和錨桿的橫截面積相關，并可以根據兩者的一定換算關系得出。

錨桿預應力在土木建設工程中應用十分廣泛，其主要作用是加固巖土，提高建筑項目的安全性。預應力錨桿與錨桿固定相結合的方式是工程項目中最為常見的支護方式。

最先對錨桿預應力進行研究和應用的國家是美國。早在20 世紀后期，美國就利用錨桿預應力支護礦山巷道。美國當時采用的提高錨桿預應力的方式是使用擴殼式的錨頭，并將其與樹脂錨固劑結合使用。這種支護方式在當時取得了很好的成效，錨桿的強度和安全性獲得了極大的提升。美國的礦山巷道支護系統的改進能獲得成功的原因主要有3 個。首先是對錨桿預應力的應用有效地提高了頂板的抗震強度;其次是對錨桿的精細加工大大提升了錨桿的穩定性;此外，美國當時采用了最為先進的錨桿施工器械，也在一定程度上提升了錨桿的支護性能。

美國對錨桿預應力的研究成果對我國產生了巨大影響。我國學者在美國研究結果的基礎上進一步研究得出，當錨桿預應力在60 ～70 kN 時，其支護效果可以達到最佳狀態。之后又有專家將樹枝錨固試劑應用到了錨索固定上，有效避免了巖層分離、滑動的現象。

盡管我國在錨桿預應力的研究應用上取得了一定的成果，但對這一領域的研究還不夠深入。在我國的工程項目中，一般通過加大錨桿桿體密度的方式來提高錨桿的支護效果，這一做法雖然能在一定程度上提升錨桿強度，但也容易產生起錨桿延展性弱，機動性差等問題。為此，我國必須從理論出發，總結支護系統設計原理，并進一步優化錨桿施工器械和材料，從而提升錨桿支護系統的整體性能。

2 預應力支護理論

2.1 錨桿支護作用分析

錨桿支護技術主要是用于對巖石的加固。其中巖石的密度、內部構造及性質等都會對錨桿的支護效果產生不同程度的影響。錨桿支護系統的作用主要可分為以下幾種。

錨桿支護系統可提高巖石的強度、粘合度及抗壓度等。錨桿支護對巖石加固主要通過改變巖石的物理性質來實現。錨桿支護可提高巖石結構面的強度。錨桿可以對巖石提供一定的軸心力和橫向力，從而有效提高巖石在結構面上的強度，保證巖石的穩定性和整體性。

錨桿支護能改善巖石的受力狀態。錨桿會對巖石施加一定的壓力，這一部分壓力可與巖石受到的摩擦力進行一定程度的抵消，從而減少巖石的磨損。

2.2 預應力對錨桿支護的作用機理

隨著近來來科技的進步，我國的錨桿支護技術也獲得了一定的發展，尤其是在理論層面的研究上，有越來越多的專家學者開始意識到增加錨固剛度的重要性，其中提高錨桿預應力是有效提高錨桿強度的主要手段。我國最早采用的預應力支護技術是樹脂錨固錨索技術。這種技術通過增大錨固深度為錨索提供了更大的預應力，從而提高了錨索的整體強度。隨著研究的不斷深入和發展，我國的錨桿支護理論有了更全面科學的體系。

首先，預應力錨桿應用的根本目的在于防止巖石的分裂、滑動，保證巖石的整體性和強度。其次，錨桿預應力是決定錨桿支護效果的主要因素。在提高錨桿預應力時不僅要增強錨桿的強度，還應通過相應的連接部件將預應力進行分散，提高整個支護系統的強度。錨桿支護系統也存在著一定的受壓限度。為保證錨桿支護系統的安全性、穩定性，必須使支護系統的最大剛度大于受壓限度，從而有效避免支護結構的變形。錨桿支護系統還應具備一定的彈性，在收到壓力的沖擊時能夠通過一定限度的變形來分散壓力，從而必須支護系統的斷裂與破壞。為此，在保證錨桿所需強度的同時，還應保證錨桿具備一定的韌性和延伸性。預應力錨索在錨桿支護系統中也起到了關鍵作用。其用途主要表現在兩個方面:首先，預應力錨索是將錨桿支護結構與巖石相連的紐帶;提高錨索的強度也能在一定程度上提高預應力的承壓能力和系統的穩定性。其次，錨索與錨桿共同形成了錨桿支護系統的骨架，是防護巖石的主要結構。

3 預應力錨桿支護材料的選擇

錨桿支護材料主要包括螺母、桿體、錨固劑、錨索、鋼板等。錨桿支護材料的強度會極大地影響錨桿的支護效果和穩定性。在進行錨桿支護材料的選擇時應遵循以下原則。

錨桿桿體應具備一定的抗壓能力。當桿體受到較大的壓力時，桿體應能夠通過一定的延展和變形將力進行分散或傳導，從而將能量進行分化，防止支護結構的斷裂。

錨桿桿體的底部應有相對較大的預應力，這主要是由于在巷道施工中，桿體底部一般承受較大的壓力。增加桿體底部的預應力可通過對底部螺紋進行精細加工或改變其形狀、尺寸等方式實現。

錨桿螺母、托板等部件應與桿體實現精確的匹配。當部件與桿體無法較好地組合在一起時，容易引起部件的滑動、扭轉、摩擦等，從而引起部件和桿體的磨損。

錨索應具備一定的韌性和承壓性。錨索在支護系統中主要起到了連接的作用，因此較常受到扭轉力、拉伸力等，容易磨損。提高錨索的韌性和承壓性能夠有效提升預應力，延長錨索使用壽命。

托板、鋼帶等部件的性能應與錨桿和錨索相一致，從而使錨桿上的預應力能獲得高效的分散。

為提高錨桿支護體系的強度，我國在近年來開始致力于提高預應力錨桿支護材料的質量。在錨桿底部螺紋的加工上，我國對其形狀和尺寸進行了一定的優化，使其更符合工程力學和支護系統的強度要求。同時在生產時也采用了精細加工的方式，大大提高了螺紋加工的質量。

在托板、螺母的加工上，一方面采用了強度更大的材料，另一方面也對其形狀和尺寸進行了一定的調整，并使其能與錨桿較好地結合。

在錨固方面，我國采用了最新的樹脂錨固，并在其直徑、橫截面、結構上都進行了一定的優化。于此同時，還開發出了與錨索相配合的特定托板，使支護系統的整體結構性能都獲得了提升。

4 結語

錨桿預應力的應用可以有效提高錨桿支護系統的強度和支護效果。當錨桿受到較大壓力時，可通過一定的制動系統和程序對力進行分散。當錨桿受到的預應力較大時，可通過托板、鋼帶等部件對力進行分散;當錨桿受到了預應力較低時，有效壓力感應器也相應變小。

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