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全长粘结式锚杆受力特性以及数值仿真试验研究锚杆是岩土工程中重要的支护构件。
但由于锚固工程本身的复杂性和多样性,导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。
明确锚固力学传递规律、建立准确的界面应力分布理论模型以及采用合理的数值计算方法都是进行锚杆锚固研究的关键。
本文在现有试验、理论的基础上,针对各种荷载作用和各种工程工况,对全长粘结式锚杆的受力特性、锚固界面力学模型以及数值模拟计算等方面展开研究工作。
分析单根全长粘结式锚杆在张拉荷载作用下的受力状态,根据已有试验得到的锚固界面应力分布曲线和相关结论,用比较简单的数学表达式对复杂的剪应力分布情况进行描述,建立均质岩体锚杆应力分布理论模型和节理岩体锚杆支护理论模型。
同时鉴于目前数值模拟计算中存在的问题,推导考虑锚杆与灌浆体之间剪切破坏作用的三维锚杆有限元计算程序,并借助Fortran编程语言得以实现,最后进行程序验证和拉拔试验数值模拟计算。
结果表明,当拉拔荷载较小时,锚固界面没有解耦发生,杆端轴力最大,大小等于作用的拉拔力,随后轴力沿杆长呈“近似负指数”分布;随着拉拔荷载的增加,杆体前端界面出现解耦,解耦段的轴力恒等于峰值拉拔力,未解耦段的轴力依然服从“近似负指数”分布;当达到极限抗拉拔力时,锚杆前端界面解耦段长度的数值模拟结果与实测结果基本吻合。
推导并验证剪切荷载作用下锚杆加固节理岩体系统的两种破坏理论模型。
同时借助三维有限元计算,尝试采用新型数值计算模型来模拟全长粘结式锚杆以及锚杆与灌浆体之间的相互作用,进一步揭示某些锚固参数对锚杆加固效果的影响。
得出以下结论:锚杆倾斜安装可以有效减小剪切位移、缓解锚固体系中应力的增加,最终提高节理岩体整体抗剪强度;当围岩抗压强度较小时,锚固系统最终发生拉弯破坏。
采用合理的锚固体-岩土体界面力学模型来模拟锚固体与灌浆体之间的相互作用。
结果表明,锚固段从加载到破坏分为弹性变形阶段、滑移变形阶段和脱粘滑动阶段,每一阶段应力的分布特征和演化规律都与理论分析结果一致;不同杆长的锚杆达到极限拉拔荷载时,其轴向应力分布、锚固界面剪应力分布非常相似,且界面应力主要分布在锚杆前端“临界长度”的范围内。
锚杆无损检测对比试验研究王扬圣;曹广越【摘要】文章利用应力波反射法在室内和工程现场开展锚杆无损检测对比试验研究,检测锚杆长度和锚杆饱满度,分析影响因素,积累模型锚杆图谱,以提高错杆无损检测的准确性.【期刊名称】《水利技术监督》【年(卷),期】2015(023)004【总页数】5页(P5-8,11)【关键词】锚杆;锚杆长度;锚杆饱满度;无损检测【作者】王扬圣;曹广越【作者单位】深圳市水务工程质量监督站,广东深圳518018;深圳市水务工程检测有限公司,广东深圳518018【正文语种】中文【中图分类】TU459锚杆施工属于隐蔽工程，水利水电工程锚杆多为全长粘结型锚杆，锚杆长度与锚杆饱满度是锚杆质量重要指标。
传统的锚杆抗拔力检测对锚杆的锚固力判断非常准确，但仍有不足之处，一是抗拔力测试方法是一种破坏性检测。
二是抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。
三是锚杆饱满度对锚固质量有较大影响，若注浆对钢筋的包裹不好，钢筋会很快腐蚀而失去锚固作用。
因此在传统抗拔力检测符合要求后，因锚杆饱满度不足造成崩塌的事故仍时有发生。
另外，传统的拉拔力检测也无法测出锚杆的实际长度，而锚杆无损检测技术能够快速准确无损地检测锚杆长度与锚杆饱满度。
无损检测技术近年来快速发展，柯玉军［1］等人应用声波透射、散射和反射理论，提出了预应力孔道灌浆密实度检测的方法;宋克民［2］采用双排列电阻率法实现对垂直铺塑防渗工程施工质量进行无损检测，测量结果表明该方法是有效的;董廷朋［3］等人利用瞬变电磁法地下隐蔽工程质量进行检测。
在锚杆无损检测方面，国内外学者进行了大量研究并取得丰富成果。
郭世明［4］等1995年至1998年在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测，说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行的。
李义［5-7］等人在实验室进行了圆桶内水泥、树脂端锚实验和试块内水泥锚杆模拟夹层及离层实验，并对应力波在不同边界约束和轴向拉伸荷载作用下锚杆中的传播规律进行了研究。
林西矿业公司高强大预应力锚杆支护研究应用实践摘要：林西矿作为百年老矿，现已进入深部开采。
由于深部开采地应力大，矿压显现复杂，使得巷道支护问题一直是影响矿井正常生产的瓶颈。
多年来，虽然也在不断地进行支护改革，取得了一些成效，但是没有从根本上解决巷道支护的难题。
巷道压力大，变形量大，维修量大，施工慢，不仅影响工作面的正常掘进，也给安全生产带来隐患。
为解决大采深、高应力、强底鼓等复杂条件下巷道支护这一难题，经过实践总结出采用高强度、大预应力锚杆及其配套支护材料是解决深部大地压巷道支护成功的最有效的手段，并取得了良好效果。
关键词：高强大预应力锚杆支护研究实践1 高强度、大预应力锚杆及其配套支护材料1.1 支护机理巷道开挖后，围岩中的应力状态由原来的三向应力转变为二向应力状态或低围压下的三向应力状态，此时顶板中垂直应力大为减小，水平应力急骤增大，这种应力分布状态，使巷道顶板稳定性大大降低。
通过在顶板中镶入锚杆并对顶板施加一定的预紧力，使顶板岩层受水平应力作用时处于横向压缩状态，形成压力自撑结构，从而阻止顶板围岩体的破坏，消除离层，减缓两帮围岩的应力集中，达到维护围岩稳定的目的。
新的岩梁厚度成倍的增加，使顶板对煤帮的压力扩散到煤体深部，控制住片帮，维护顶板的稳定。
预紧力的大小之所以对顶板的稳定性具有决定性作用，是因为当预紧力增大到一定程度时，可以使顶板处于横向压缩状态，形成预应力承载结构，这种锚杆实现了真正意义上的“主动支护”。
充分强调和利用了预应力支护理念，利用高预应力支护手段，最大限度地控制顶板初期变形，消除或大大减缓了顶板离层，大大提高了围岩支护系统的安全可靠性和实际支护效果。
1.2 巷道基本情况该区域位于8-10暗井对应地表位置以北1400米左右有石榴河通过，在林西矿业公司井田单斜区域构造块内，两侧均已经回采，下伏9煤层无采掘工程，上覆7煤层均已回采。
顶板：老顶为粉砂岩，厚度3.2～4.2，黑灰色，以石英长石为主，具水平层理。
锚杆预紧力与锚杆杆体受力实测研究摘要：针对目前井下普遍存在的锚杆杆尾预紧扭矩向预紧力转化效率低的问题，分析了锚杆杆体的受力影响因素，制定了锚杆扭矩力与预紧力的井下试验方案，通过研究表明，锚杆的预紧力与预紧扭矩存在正相关的关系，并提出了增大锚杆预紧力的解决方案。
关键词：预紧力；扭矩力；锚杆支护前言预应力是锚杆支护中的关键参数，是区别锚杆支护属于主动支护还是被动支护的参数，无预应力或预应力很低的锚杆支护属于被动支护，只有围岩发生变形后才能被动地支护巷道，无法控制围岩的早期变形与离层；预应力锚杆支护属于真正的主动支护，能及时控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，保持围岩的完整性，减小围岩强度的降低。
在岩土加固工程以及煤矿巷道支护过程中，预应力锚杆已经得到广泛应用，在边坡加固、坝体工程、基坑工程，以及隧道和地下硐室工程中，预应力锚杆是有效的加固手段，在这些岩土工程中进行锚杆支护设计时预应力是关键参数[1-2]。
1.锚杆杆体受力影响因素分析锚杆杆体受力状态的影响因素众多,大致可分为三大类：一是巷道围岩地质力学参数,包括地应力、围岩强度与结构；二是巷道使用特征,包括巷道断面形状、尺寸,采动影响等；三是锚杆支护参数,包括锚杆直径、长度、锚杆间排距、锚杆角度、锚固方式及锚杆预应力等。
下面着重分析锚杆角度、锚固方式及预应力对杆体受力状态的影响。
1.1锚杆角度对杆体影响锚杆角度过大、过小都不利于巷道的维护。
国内目前对锚杆角度的研究较少,大部分支护设计中靠近巷帮的顶板锚杆安设角度为与垂线成10°-30°之间。
顶板其余锚杆都垂直岩面打设；帮部锚杆中,靠近顶底板的两根锚杆与水平线呈10°-30°之间。
其余也垂直岩面打设。
专家通过研究锚杆预紧力为60kN时，顶板角锚杆与垂线呈0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°时锚杆时的预应力分布，得出以下结论：（1）当顶板角锚杆垂直布置时,角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区,覆盖了锚固区的大多数面积，锚杆预应力扩散与叠加效果最好。
锚杆加固围岩过程中预应力作用机理研究【摘要】锚杆支护的实质就是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构。
巷道围岩锚固体强度提高以后，可以减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。
【关键词】巷道支护；围岩稳定性；松动圈；塑性变形；支护阻力；二次应力分布0引言作为预应力让压均压锚杆，就是通过锚固在岩体内的树脂与支护体外的托盘施加一定的预应力，控制巷道围岩的早期变形，消除顶板中的拉应力区，将松动破裂的岩体锚固在上部未松动的岩层中。
随着围岩的变形，锚杆施加给围岩的力也越大，而锚杆受到的围岩的反作用力也越大，如果一味地增加锚杆的强度，锚杆会很快被拉断，这就需要锚杆具有一定的让压均压性，在巷道围岩蠕变阶段锚杆能提供恒定的工作阻力，以保护锚杆不被拉断失效，从而起到维护巷道稳定的目的。
１预应力锚杆在加固围岩的力学机制分析首先，运用线弹性理论的解析法，着重分析在均匀、连续、各向同性岩体中的圆形洞室。
预应力锚杆沿圆形洞室径向设置，且沿轴向等间距布置，分析计算在围岩中产生的附加应力，然后，将其推广到具有不同开挖曲率半径的洞室围岩，得出预应力锚杆提供给围岩附加应力状态的普遍形式。
令R为洞室半径，L为预应力锚杆长度。
如果锚杆所提供的预应力为T，沿周向等间距布置n根锚杆，则其在锚固围岩的内外边界上产生的附加径向压应力q及q’分别为：q=■q’=■该问题是轴对称平面应变问题，在R≤r≤R1范围内其弹性力学解答为：σr=q■+■σθ=q■-■ur=■■-■上述各表达式中，r为所研究平面内任一点的径向坐标，E为弹性模量，v 为泊松比。
根据径向应力以压应力为正而拉应力为负，径向位移与分别为围岩的弹性模r方向相反为正。
根据以上各式，可以得出预应力锚杆提供给围岩的附加应力和附加位移的大致分布。
锚固产生的附加应力基本上限于锚杆的有效长度范围，这与圣维南原理相吻合，对远离该锚杆的其它锚杆之处影响很小。
第35卷第11期岩石力学与工程学报V ol.35 No.11 2016年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2016端部锚固锚杆预应力场分布特征的大型模型试验研究林健1，2，3，石垚1，2，3，孙志勇1，2，3，王正胜1，2，3，蔡嘉芳1，2，3(1. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2. 煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013；3. 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)摘要：为了研究预应力端部锚固锚杆预应力场在围岩体中的分布特征，设计并制作大型锚杆支护应力场测试试验台。
试验结果表明：(1) 单根锚杆的应力场在空间中的分布形态类似于“石榴”状，随着扩散半径的增大应力等值面的分布逐渐由密到疏，应力值逐渐由高到低，分布范围逐渐由小到大；(2) 在锚杆自由段两端和锚固段附近分别形成了2个压应力相对集中区和1个拉应力相对集中区，压应力主要分布在锚杆自由段附近围岩内，并向锚固段附近围岩扩散；(3) 应力沿着锚杆轴线方向的分布规律与测线和锚杆之间的距离有关，应力沿着水平方向的变化规律与测线和模型表面之间的距离有关；(4) 预紧力不同，应力场的宏观分布形态基本一致，但同一应力等值面的分布范围将发生显著改变。
试验结果对更深入认识锚杆支护作用机制和工程中优化锚杆支护设计方案均有一定的指导意义。
关键词：采矿工程；端部锚固；预应力场；分布特征；模型试验中图分类号：TD 353 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)11–2237–11Large scale model test on the distribution characteristics of theprestressed field of end-anchored boltsLIN Jian1，2，3，SHI Yao1，2，3，SUN Zhiyong1，2，3，WANG Zhengsheng1，2，3，CAI Jiafang1，2，3(1. Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2. Coal Mining and Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3. State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining and Clean Utilization，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)Abstract：A large scale field test bench for prestressed bolt was manufactured to study the distribution characteristics of the prestressed field around the end-anchored bolt. The results show that the distribution pattern of the prestressed field of a single anchor is similar to the shape of pomegranate. The stress contour surfaces vary gradually from dense to sparse，the stress values descend gradually and the distribution ranges enlarge gradually. Two concentration zones of compressive stresses form in the rock in the vicinity of the anchorage and a concentration zone of tensile stress forms near the anchor head. The distribution of the stress along the axis of the bolt is related to the distance between the measuring line and the anchor bolt. The variation of the stress along the horizontal direction is related to the distance between the measuring line and the surface of the model. Although the pre-loads are different，the stress field distributions are basically the same，but the distribution ranges of the收稿日期：2016–06–12；修回日期：2016–07–22基金项目：国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261211)；天地科技青年创新基金项目(KJ–2015–TDKC–10)Supported by t he Unite National Natural Science Foundation of China and Coal Fund(Grant No. U1261211) and Youth Innovation Found of Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.(Grant No. KJ–2015–TDKC–10)作者简介：林健(1969–)，男，1992年毕业于山东矿业学院采矿系采矿工程专业，现任研究员、硕士生导师，主要从事煤矿巷道支护技术方面的研究工作。
E-mail：linjian_w@。
通讯作者：石垚(1990–)，男，现任助理工程师。
E-mail：325558565@DOI：10.13722/ki.jrme.2016.0626• 2238 • 岩石力学与工程学报 2016年stress contour surfaces change significantly.Key words：mining engineering；end-anchored bolts；prestressed field；distribution characteristics；model test1 引言锚杆、锚索加固技术在土木工程、岩土工程、水利工程、采矿工程中得到广泛的应用，同时大量的工程实践也推动了锚杆支护技术的快速发展，并认识到预应力在锚杆支护中的决定性作用[1]，预应力锚杆支护作用的目的之一是其能与围岩形成一个“应力拱”，即应力承载结构[2-3]，进而充分发挥围岩的自承能力和锚杆的主动支护作用，T. A. Lang[4]同时又做了一个经典的“碎石锚固试验”，形象地解释了锚杆的这种加固作用，因此，研究预应力场在锚固围岩体内的分布规律、压应力带形成的条件、锚固区的范围具有重要的理论意义和工程应用价值。
顾金才等[5-6]通过相似模拟试验研究了预紧力、锚杆长度对杆体周围应力分布的影响，并通过此确定了锚杆的锚固范围，又通过相似模拟试验研究了不同长度、角度的锚索在均质岩体、含水平断层和倾斜断层的岩体中应力的分布状态，并与数值计算结果进行了比较；康红普等[1，7-9]通过总结工程实践经验、FLAC3D数值模拟和相似模拟方法研究了预应力锚杆支护的支护效果和作用机制，预应力场在围岩体中的分布形态及其影响因素；林健等[10]通过相似模拟试验测试分析了单根锚杆不同预紧力时锚固体内横向和纵向应力场的分布情况；X. Guo[11]通过弹性理论研究了端部锚固锚杆在圆形托盘条件下的应力场的分布情况；A. Showkati等[12]研究了在含有垂直节理岩体中端部锚固锚杆产生的应力场在围岩中的分布；M. Ranjbarnia等[13]通过理论研究了全长预应力锚固锚杆在圆形巷道中的分布，并分析了预紧力、支护密度等对应力场分布情况的影响；丁秀丽等[14]采用FLAC3D数值模拟研究了预应力锚索的应力在围岩中的分布规律；王金华等[15]采用FLAC3D 数值模拟得到了锚索在巷道围岩中的应力场的分布特征；李铀等[16]通过仿真试验与数值模拟试验相结合的方法研究了围岩体中的应力分布情况；韦四江和李宝富[17]通过数值模拟研究了预应力场的分布特征并确定了锚固体的形成及影响因素。
然而，虽然锚杆支护应力场的分布情况及其影响因素的研究已经取得了很多成果，但是现有的研究主要以数值模拟和基于弹性理论的理论计算为主，而且已有的模型试验研究采用的相似比较小，相似比较大的模型试验研究又多以锚索为研究对象，锚固方式为全长水泥浆锚固或者是对穿锚固，与端部锚固锚杆还有很大差别，此外，以往的模型试验多只布置一层传感器，只能得到一个面上的应力分布，而无法得出应力场的空间分布情况，因此在预应力端部树脂锚固锚杆的应力场分布情况方面仍有待深入研究。
本文以预应力端部树脂锚固锚杆为研究对象，通过制作的“锚杆支护应力场测试试验台”研究“托盘+单根锚杆”时的应力场的分布情况，并且实现了试验数据的三维可视化，从而为认识锚固机制和优化支护设计提供参考。
2 锚杆支护应力场测试试验台2.1 试验台材料试验台所用的材料主要包括锚杆、托盘、锚固剂和用于模拟围岩的水泥和河沙，其中锚杆为长度为2.4 m，直径为22 mm的500#螺纹钢锚杆，托盘的尺寸为长×宽×厚= 150 mm×150 mm×10 mm，锚固剂为MSZ2335树脂锚固剂，又由于本次试验没有具体的工程参照背景，在岩体模拟方面主要考虑到防止试验台在反复加载过程中出现破坏以及模型材料本身的稳定性和经济性等因素，所以将模型材料的抗压强度定在40～50 MPa范围内，经反复的材料配比试验后，确定以标号为325号的硅酸盐水泥和河沙为骨料，按照3∶7比例与适量的水均匀混合后，再放到振动台上振实，可以得到符合要求的模型材料。
由于水泥砂浆材料的力学性能与养护时间有关，因此在制作试验台时预留了一批材料试样，放在与试验台相同的环境条件下进行养护，图1为测试应力场时，对其中3块试样进行单轴压缩试验时的应力–应变曲线，模型材料的平均单轴抗压强－0.0050.0050.0150.0250.035应力/MPa应变图1 模型材料单轴压缩的应力–应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of model material under uniaxial compression第35卷第11期林健等：端部锚固锚杆预应力场分布特征的大型模型试验研究 • 2239 •度为45.5 MPa，平均弹性模量为18.24 GPa，泊松比的平均值为0.164。
