水利工程施工地下洞室锚杆支护拱效应实验报告

第一篇：水利工程施工地下洞室锚杆支护拱效应实验报告

《水利工程施工》地下洞室锚杆支护拱效应实验报告

张文奇

一、实验目的

（1）通过地下洞室支护系统锚杆拱效应实验进一步深入与拓展对地下洞室喷锚支护知识的了解；

（2）直观展示地下洞室的系统锚杆支护原理，改善地下工程施工部分内容的实验教学环节的不足；

（3）提高学生的动手能力，培养学生开展工程实验的能力。

二、实验原理

当在地下洞室进行喷锚支护后，洞室顶端山体形成以系统锚杆头和紧固端为顶点的锥形体压缩区，如果将锚杆沿洞室顶拱按一定间距径向排列，在锚固力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，在围岩中形成一连续压缩带，该区域不仅能保持自身的稳定，而且承受上部围岩压力，阻止上部围岩的松动和变形发展。通过锚杆对破碎岩体施加锚固力是形成加固拱地前提。

本次实验在一个拱形石料槽中安设锚杆并填充碎石料来模拟地下洞室支护的系统锚杆加固拱的作用，锚杆的上下两端都采用垫片加螺母来对石料施加锚固力，实验原理如下图：

（1）先安装石料槽底板，在石料槽内不设置锚杆的情况，将粒径40-60mm的石料装进拱槽内，拆卸装置石料槽底板，观察石料完全塌落情况；

（2）再次安装石料槽底板，再将下端固定好垫片的锚杆安放在底板上；

（3）将粒径40-60mm的石料重新装入拱形石料槽，保证锚杆位置无过大变动；（4）石料装满石料槽后，旋钮锚杆顶部的碟形螺母，在垫片的作用下对石料施加足够的锚固力；

（5）拆卸装置的石料槽底板，观察石料的锚固情况，若石料不完全掉落，呈连续拱形，则实验成功，系统锚杆的拱效应得到验证。

三、实验用品

拱形石料槽、集中锚固锚杆40支、工具箱（手套、老虎钳、锤子）、铁锹、斗车、石料（粒径40-60mm）。

四、实验步骤

（1）将锚杆锚固端的垫片和螺栓拆开放好；

（2）分区域将拆好的锚杆插入石料槽的底板的孔洞中，并倒入第一层石料；（3）直至所有锚杆都立在石料槽对应的孔洞中，并倒入第一层石料将锚杆固定；（4）用锤子轻轻锤石料，压实第一层石料；

（5）待第一层石料压实之后，再进行第二层石料下料；

（6）分层下料，分层压实，直至下料高度距离锚杆端部10cm左右；

（7）压实结束后，装上垫片并调整至水平，旋钮锚杆顶部的蝶形螺母，在垫片的作用下对石料施加足够的锚固力；

（8）待螺栓全部拧紧之后，拆卸装置的石料槽底板，观察石料的锚固情况，石料不完全掉落，且呈连续拱形。

五、实验结果

石料不完全掉落，呈连续拱形，实验成功，系统锚杆的拱效应的到验证。

六、分析与讨论

锚杆支护原理

（1）锚杆的悬吊作用

悬吊作用是指用锚杆将软弱的直接顶板吊挂在其上的坚固老顶之上。如图1所示，或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块连接在松动区外的完整坚固岩石上，使松动岩块不至冒落。

（2)锚杆的组合梁理论

利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是锚杆组合梁作用。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。

（3）锚杆锲固作用

是指在围岩中存在一组或多组不同产状的不连续面的情况下，由于锚杆穿过这些不连续面，防止或减少了围岩沿不连续面的移动。

（4）挤压加固拱作用

形成以锚杆头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。如将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列，在预应力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，在围岩中形成一连续压缩带。它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，组织上部围岩的松动和变形。

显然，对锚杆施加预紧力是形成加固拱的前提。

（5）锚杆的减跨作用

如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的“减跨”作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。

锚杆是用金属或其他高抗拉性能材料制作的杆状构件，配合使用某些机械装置、胶凝介质，按一定施工工艺，将其锚固与地下洞室围岩的钻孔中，起到加固围岩、承受荷载、阻止围岩变形的作用。

在工程中，按锚杆与围岩的锚固方式，基本上可分为集中锚固与全长锚固两类。楔缝式锚杆和胀壳式锚杆属于集中锚固的两种锚杆，他们是有锚杆端部的楔瓣或胀圈扩开以后所提供的嵌固力而得到锚固的。

全长锚固的锚杆有砂浆锚杆和树脂锚杆等，他们是由水泥砂浆或树脂在杆体和锚孔间所提供的摩擦力和粘结力而得到锚固的。全长锚固的锚杆由于锚固可靠耐久，工程建设中运用较多。其中，由水泥砂浆胶结的螺纹钢筋锚杆，由于施工简便，经济可靠，使用更为普遍。

随着我国基本建设速度的加快，有许多大跨度、大断面的地下洞室在十分复杂的岩体中修建，对锚杆材料及锚固介质有更高的要求。如采用高强度或超高强度的金属作为杆件材料，并对杆体进行冷拉、滚丝处理，可大大提高支护效果。树脂是一种高分子材料，具有优越的粘结性能，较以快硬水泥为主要材料的砂浆锚固，在施工中具有较好的操控性和可靠性。

根据围岩变形与破坏的特性，从发挥锚杆不同作用的角度考虑，锚杆在洞室的布置有局部锚杆和系统锚杆。

局部锚杆主要用来加固危石，防止掉块。为了保证危岩的有效锚固，锚杆应锚入稳定岩体。

系统锚杆一般按梅花形排列，连续锚固在洞壁内。他们将被结构面切割的岩块串联起来，保持和加强岩块的联锁、咬合和嵌固效应，是分割的围岩组成一体，形成以连续加固拱，提高围岩的承载能力。

系统锚杆不一定要锚入稳定岩层。当围岩破碎时，用短而密的系统锚杆，同样可取得较好的锚固效果。