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岩石力学与岩土工程学报
锚杆设计的原则
摘 要
介绍了地下岩石锚杆设计的原理。所讨论的项目包括地下荷载条件、地下开口的自然压力区、设计方法、锚杆类型的选择、锚杆长度和间距的确定、安全系数和支撑单元之间的兼容性。介绍了工程实践中使用的不同类型的岩石锚杆。在岩体中，传统的选择强岩石锚杆的原则是有效的。在地应力较高的情况下，采用吸能性岩石螺栓。在隧道墙后一定距离的岩石上形成了一个天然的压力拱。当故障区很小的时候，岩石螺栓应该足够长，以达到自然的压力拱。螺栓长度应至少超过故障区域1米。在一个巨大的破坏区域，安装紧密间隔的短地脚螺栓，在破坏区域内建立一个人工压力拱，长索固定在自然压力拱上。在这种情况下，岩石螺栓通常小于3米长，但在大型岩洞中可以达到7米。在建立人工压力拱的情况下，螺栓间距比螺栓长度更重要。除了安全系数外，在设计中还必须考虑到隧道的最大允许位移和锚杆的极限位移能力。最后，在位移和能量吸收能力方面，岩石螺栓应该与相同支撑系统中的其他支撑元件兼容。
文章历史:
2017年1月17日收到2017年1月17日修订版。
2017年4月4日上线，2017年5月3日上线。
关键词:岩栓设计，压力拱，螺栓长度，螺栓间距，安全系数
第1章 介绍
锚杆是地下矿山和民用隧道支护系统中应用最广泛的支撑元件。锚杆支护设计确实主要基于经验，而锚杆支护设计只是简单地选择了锚杆类型的选择和螺栓长度和间距的确定，但是，在具体的锚杆支护设计中，一个基本上是显式或隐式地使用了方法。本文尝试在总结隐藏在岩栓练习的设计原则和方法,其中包括原位应力状态之间的关系和岩栓类型,压力拱的概念,设计方法,确定螺栓的长度和间距,安全系数之间的兼容性支持元素和不同类型的成因。
1.1 地下荷载条件
1.2 低地应力条件
在一个地下洞的屋顶上的岩石块，只要有足够高的水平应力存在于岩体中，就会被提前释放。然而，它们在低地应力条件下会受到重力的影响。在靠近地表的位置，岩体通常含有发育良好的岩石节理。岩石的接缝有时是张开的，这表明在岩体中地应力是很低的。在低应力岩体中，岩石支护的任务是防止岩块落下。为了做到这一点，在支撑元件上施加的最大负荷，如岩石螺栓，是潜在下落块的重量(图1)。这是一个载荷控制的情况。
从力学的角度来看，岩石螺栓必须足够坚固以承受松散的岩石块的重量。因此，使用一个安全系数，由支撑系统的强度和块的重量(即负载)来定义，适合于在载荷控制条件下的岩石支撑设计。
图1低应力条件下岩石的重力载荷
这本质上是结构力学的设计原则，即应用于结构的荷载不应高于结构的强度，即称为安全系数的强度-负荷比，应大于1。这一原则适用于建筑结构总荷载通常已知或容易发现的地面建筑物。在浅层地下巷道中，这一原则也是有效的，因为岩石支撑系统的最大荷载是松散岩块的自重力。
1.3 高地应力条件
作者在一个深金属矿山中发现，岩体中地质不连续性的数量越来越少，不连续性的深度也较低。例如，在1000米的深度，观察到在开挖面上暴露的所有的不连续点都是完全闭合的。因此，可以认为，由于地质不连续性的减少，岩体质量得到了较大幅度的提高。然而，地应力随深度的增加而增大。在深度上，主要的不稳定问题不再是松散岩块的掉落，而是由应力引起的岩石破坏。高压力可能会导致两个序列地下开口了:在软,软岩大变形和在困难和强烈岩爆岩石(图2)。观察到在某些金属矿山在瑞典,应变破裂通常发生以下的深度600米,成为强化低于1000米。在高应力条件下，岩石破坏是不可避免的。岩石支撑深度的任务不是平衡松散的块的重量，而是防止岩石的破坏。在高应力岩体中，支护系统不仅要坚固，而且要变形，以应对应力诱发的岩石在坚硬、坚硬的岩石中挤压软弱岩石或岩爆。
1.4 合适的岩栓类型
在岩体中，合适的岩体锚杆类型与荷载条件相一致。在图1所示的载荷控制条件下，岩石锚杆强度是选择锚杆类型的最重要参数。基本要求是，锚杆的强度必须高于螺栓的荷载。在负载控制条件下的岩石螺栓的认可类型是完全封装钢筋螺栓、螺纹杆螺栓和电缆螺栓。
在超应力软岩体中，过度变形需要适应。传统的处理岩石挤压的方法是与其他类型的延性表面保持元件(如啮合)一起使用韧性岩石螺栓。在采矿工业中，拆分是典型的锚杆支护。劈裂具有明显的位移，但由于其承载能力较低，不能有效地抑制岩石的变形。其主要作用是避免裂隙岩体的崩解。稳定挤压岩石的一种有效措施是，一方面提供高支撑阻力，一方面抑制岩石变形，另一方面，支撑系统中的支撑元件必须变形。使用能吸收能量的岩石螺栓可以达到这个目标。
岩爆是超应力硬岩石的不稳定问题。在这种情况下，岩石支撑的目标是吸收喷出岩的动能。在容易发生火灾的岩体中，应采用减压锚杆。减压锚杆的承载力越高，抛出的岩体位移越小。
第2章 设计原则
2.1 自然压力拱
地质勘探钻探曾在5年前的矿井巷道中进行，深度为1000米。矿井的漂移与板状矿体的撞击平行，钻孔在矿体侧的侧壁上钻孔，距离漂移约150米。岩心上的裂缝测井资料提供了岩石周围的二次应力分布的信息。图3为水平钻孔岩心的裂缝形态。岩心的裂缝强度随钻孔的变化而变化。低价值的核心是小块岩石质量指标RQD在欧元区从墙上的深度2.1米(带我)。该区域的断裂表面是黄色的颜色,表明他们可能产生漂移时发掘几年前。从2.1 m到8.5 m (II区)，岩心在区域内被剥离，该区域的裂缝是新鲜的，垂直于岩心轴。可以自信地说，它们是在核心钻井过程中产生的。区域II可进一步划分为两个子区。在IIa区，核心的剥离是如此的严重，以至于磁盘是紧密的间隔。在IIb区，盘状厚度明显大于区域IIa。区域III从8.5米到钻孔的末端，深度约为180米。这一区域的不连续被认为主要是地质成因。第三区岩心的RQD明显高于其他两个区域，这意味着区域III是偏离漂移的扰动距离。断裂强度的变化的基础上,推断出,带我失败区,岩石未在剪切或张力和切向应力部分减少,而在第二区切向应力升高,但岩石开挖后尚未断裂的漂移。第II区是承受地面压力的自然压力拱的位置，在漂移过程中起到保护屏障的作用。
图2所示高应力岩体中锚杆的加载条件。
(a)岩石挤压，(b)应变破裂，(c)断层滑裂。
图3所示。在矿井的墙壁上钻孔的岩心在1000米深处(Li,2006a)
为了说明地下洞室周围的破坏区，对一个直径6米、高度6米的马蹄形隧道进行了数值模拟，并在岩体中进行了静压试验。假定在situstresses s1frac14;s2 s3frac14;frac14;30 MPa在岩体模拟和遵循莫尔-库仑破坏准则与凝聚力c ffrac14;frac14;5 MPa和内摩擦角35。材料的本构模型具有弹性和完全塑性，即材料的剩余强度等于峰值强度。图4所示的主要主应力分布与隧道壁和顶板(即切线方向)近似平行，即在开挖后。四舍五入的岩石，大约2米深的墙壁，失败了。在这个深度之外，岩石仍然是完整的，但是切向应力在一定程度上有所提高，这取决于隧道墙的距离。它的最大深度约为3米，然后逐渐下降到离隧道很远的地方的地应力水平(30 MPa)。切向应力显著升高的岩石部分承载了大部分的地面压力，形成了一个保护盾，即在隧道周围的一个压力拱。
根据图3所示的岩心记录和图4所示的数值模拟，可以推断出在地下开口的某一深度处存在一个压力拱(或环)，其中切向应力是明显升高的。这就是所谓的自然压力弓，图5所示。自然压力拱的概念被用于岩石支护设计，包括莱特(1973)、Krauland(1983)和Li (2006b)。
2.2 设计方法
岩石支护是指通过使用支撑物来稳定岩体的任何措施。支撑元件可能是岩石螺栓、电缆、网格、皮带、花边、喷射混凝土(即喷射混凝土)、薄衬垫、钢套、喷射混凝土拱门和浇注混凝土衬里。一个支持系统提供三个主要功能:强化，保持稳定，保留(Kaiser et al.， 1996)。强化是指强化岩体;对可能松动的区块进行暂停;并保留到裸露的岩石表面。每个支持元素可以执行三个主要功能中的一个或多个。钢筋混凝土通常是通过系统地安装岩石螺栓来实现的。锚杆支护强度的增加是非常有限的。
图4所示。在隧道周围的岩石中分布主要的主应力。十字架和圆圈标志着岩石破裂的区域
图5所示。一幅描绘地下开口周围的自然压力拱门的草图
假设岩石锚杆的承载力为200kn，并安装了1 m *1 m的锚杆。岩石螺栓能提供的最大围压是0.2 MPa。根据MohreCoulomb标准，这种围压作用下岩石强度的增加可能在1~2 MPa范围内，这明显低于岩体的固有强度。锚杆的基本功能是将裂隙岩体保持在一起，形成一个围绕着开口空间的压力拱。换句话说，这些螺栓可以帮助岩石加强和支撑自身。岩石螺栓也为松散的石块和断裂的岩石提供了一个支撑功能。在一个大的故障区域，岩石螺栓可能完全位于故障区域内。使用长电缆是一种提供有效的保持功能的选项。表面保持主要是通过喷射混凝土，网眼或其他类型的薄衬垫在岩石表面上埋设。在民用隧道中，允许的岩石变形比矿山小得多。因此，采用钢套、混凝土拱、甚至浇筑混凝土衬砌等重型外部支撑结构来抑制墙体变形。这些结构是在
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