錨桿支護(hù)相關(guān)的幾個(gè)力的概念

1定義
錨固力：指錨桿對(duì)圍巖的約束力，它包括徑向錨固力和切向錨固力，徑向錨固力含托錨力和粘錨力。
托錨力是托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移，對(duì)圍巖施加的徑向支護(hù)力；
粘錨力是錨桿通過(guò)粘結(jié)劑對(duì)圍巖施加的徑向作用力；
切向錨固力是錨桿體貫穿巖體弱面，對(duì)弱面的滑動(dòng)和張開(kāi)產(chǎn)生的限制力；單位kN.

拉拔力：指阻止錨桿從巖體中拔出的力。拉拔力可分為設(shè)計(jì)拉拔力和檢測(cè)拉拔力。通常說(shuō)的拉拔力指設(shè)計(jì)拉拔力，其值應(yīng)大于錨桿破斷力；單位kN.
錨桿預(yù)緊力：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿桿體施加的軸向拉力，單位kN.
錨桿預(yù)緊力矩：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿螺母施加的力矩，單位N·m.
錨桿預(yù)應(yīng)力：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿桿體施加的軸向拉應(yīng)力，等于錨桿預(yù)緊力與桿體橫截面積的比值，單位MPa.

2測(cè)量方法
2.1錨固力測(cè)試
錨桿的錨固力一般用測(cè)力計(jì)進(jìn)行，目前井下一般用的是ML-20型、ML-30型錨桿拉力計(jì)。
安裝測(cè)力計(jì)過(guò)程：
①檢查拉力計(jì)內(nèi)工作臺(tái)液壓力表油管接頭情況；
②錨桿連接桿(內(nèi)螺紋)直接套在錨桿端頭的螺紋上，擰入的螺紋不少30mm;
③安裝套筒，套筒緊靠錨桿托盤，再安裝千斤頂(伸縮油缸的一端向外，緊靠螺母)，用扳手?jǐn)Q緊螺母；
④將油管連接到千斤頂上；
⑤旋緊開(kāi)關(guān)旋扭；
⑥用力勻速加壓操作柄，時(shí)刻注意壓力表，直至達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力停止，緩緩旋開(kāi)開(kāi)關(guān)旋扭卸壓。

注意事項(xiàng)：
(1)選擇托盤處巖煤平整無(wú)破碎現(xiàn)象的位置；
(2)墊板應(yīng)盡量選擇平整剛性的；
(3)錨桿螺紋外露長(zhǎng)度在25~40mm之間，且錨桿與煤巖面應(yīng)垂直；千斤頂軸心連接桿錨桿體中心線一致；
(4)加壓前應(yīng)檢查測(cè)力計(jì)完好狀況(工作介質(zhì)管路壓力表旋扭千斤頂?shù)?；
(5)錨桿測(cè)力計(jì)加壓應(yīng)均勻緩慢，直至錨桿松動(dòng)或壓力表讀數(shù)至錨桿設(shè)計(jì)錨固力數(shù)值即停止，一般不作破壞性實(shí)驗(yàn)；
(6)千斤頂卸壓時(shí)，緩慢松開(kāi)開(kāi)關(guān)旋扭；
(7)壓試時(shí)，被檢錨桿的附近3m不得有人；
(8)樹(shù)脂錨桿若在安裝后半小時(shí)測(cè)定應(yīng)將測(cè)定值乘以1.3的系數(shù)；
(9)錨桿錨固力測(cè)試時(shí)應(yīng)有安全保護(hù)措施。

2.2錨桿拉拔力檢測(cè)
錨桿拉拔計(jì)是最常用的錨桿拉拔力檢測(cè)儀器。目前我國(guó)常用的幾種錨桿拉拔計(jì)有MLJ-300/100型錨桿拉拔計(jì)、MJY-1型無(wú)損錨桿受力檢測(cè)儀、ZY型系列錨桿拉拔計(jì)等。
對(duì)錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)有以下要求：
錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)采用錨桿拉拔計(jì)在井下巷道中完成；
試驗(yàn)地點(diǎn)應(yīng)該選在井下巷道施工現(xiàn)場(chǎng)或類似的圍巖中完成；
試驗(yàn)所用的錨桿、錨固劑等應(yīng)與正式施工時(shí)所用的材料相同；
試驗(yàn)所用的機(jī)具、鉆孔參數(shù)應(yīng)與正式施工時(shí)相同；
試驗(yàn)應(yīng)采用短錨固(如150~200mm長(zhǎng)的錨固劑)形式，以便測(cè)試錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度；
試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，拉拔至錨桿失效，試驗(yàn)過(guò)程中記錄載荷與錨桿尾部位移；
根據(jù)最大載荷與位移曲線，分析圍巖的可錨性、錨固效果，對(duì)應(yīng)用錨桿支護(hù)的可行性做出判斷。
有下列情況之一，必須重新進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)：
錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)發(fā)生變更；
支護(hù)材料發(fā)生變更；
巷道圍巖地質(zhì)條件發(fā)生較大變化，如遇斷層、破碎帶、皺曲等地質(zhì)構(gòu)造；巷道頂板出現(xiàn)較大淋水等。

2.3錨桿預(yù)緊力矩測(cè)試
錨桿預(yù)緊力的檢測(cè)一般使用扭矩扳手。錨桿預(yù)緊力的檢測(cè)應(yīng)符合以下要求：
每小班頂幫各抽樣一組(3根)進(jìn)行錨桿螺母扭矩檢測(cè)。每根螺母預(yù)緊力矩應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；
每組中有一個(gè)螺母扭矩不合格，就要再抽查一組(3根)。若仍發(fā)現(xiàn)有不合格的，就將本班所有的螺母重新擰緊和檢修一遍。

3幾種易混淆的力之間的關(guān)系
3.1錨固力與拉拔力區(qū)別
(1)錨固力是錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生的約束力，是限制圍巖變形，起支護(hù)作用的力。錨桿拉拔力是錨桿錨固后拉拔實(shí)驗(yàn)時(shí)，所能承受的極限載荷，反映的是桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)到一起后，錨桿破斷或失效的最大拉力。
(2)錨固力隨著被支護(hù)圍巖變形、圍巖的膨脹而增大，因此錨固力是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展并不斷變化的力。錨桿拉拔力是一個(gè)固定值，不隨圍巖變形和錨桿受力而改變。如果圍巖不發(fā)生變形且不考慮桿體的松馳效應(yīng)，錨固力等于初錨力。
(3)錨固力檢測(cè)使用安裝于錨桿螺母和托盤之間的錨桿測(cè)力計(jì)，一般在錨桿安裝時(shí)把錨桿測(cè)力計(jì)安好。檢測(cè)錨固力是為了監(jiān)測(cè)錨桿受力狀況，需要進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。錨桿拉拔力檢測(cè)使用錨桿拉力計(jì)，檢測(cè)可以在錨桿安裝完成后任何時(shí)候進(jìn)行，檢測(cè)錨桿拉拔力是為了查驗(yàn)錨桿桿體、錨固劑、巖石粘結(jié)效果。在施工中，檢測(cè)錨桿拉拔力時(shí)，一般只要達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力即可；在做破壞性檢測(cè)時(shí)，則要求錨桿被拉斷或錨桿被拉出才終止。
(4)檢查錨桿施工質(zhì)量時(shí)，一般檢查錨桿拉拔力。監(jiān)測(cè)分析錨桿工作情況時(shí)，測(cè)錨固力。測(cè)量錨固力是為了驗(yàn)證支護(hù)的可靠性，為以后修改支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。設(shè)計(jì)和施工時(shí)，必須保證錨桿拉拔力大于桿體破斷力這一基本原則，即錨桿桿體受力超過(guò)其破斷力后，錨桿可能被拉斷，但錨桿不能被拉出。常見(jiàn)錯(cuò)誤是設(shè)計(jì)的錨桿拉拔力小于桿體破斷力。

3.2預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系
(1)錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩的簡(jiǎn)化關(guān)系式為：M=k·T·d,其中M為預(yù)緊扭矩，N·m;k為比例系數(shù)，T為預(yù)緊力，kN;d為桿體直徑，mm;比例系數(shù)k是一個(gè)綜合系數(shù)，它受螺紋升角、螺距、螺旋副的摩擦系數(shù)以及螺母與支撐面的摩擦系數(shù)等參數(shù)的綜合影響，因此是確定預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩之間關(guān)系的關(guān)鍵。
(2)預(yù)緊力是力，是施加在錨桿(錨索)上的拉力，單位kN;預(yù)緊力矩是力矩，施加在壓緊螺母上，單位N·m.
(3)二者測(cè)量?jī)x器不同。預(yù)緊力可以通過(guò)安裝在錨桿托盤與螺母間的錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)；用心專注，服務(wù)專業(yè)預(yù)緊力矩可以通過(guò)數(shù)字顯示或帶有刻度顯示的錨桿扭力扳手觀測(cè)。
(4)錨桿施工設(shè)計(jì)要求的是預(yù)緊力，而不是預(yù)緊力矩。但在實(shí)際施工中，由于預(yù)緊力矩測(cè)讀方便而預(yù)緊力測(cè)量相對(duì)復(fù)雜，且預(yù)緊力隨著預(yù)緊力矩增大而增大，為了檢測(cè)方便，通過(guò)直接檢測(cè)預(yù)緊力矩而達(dá)到間接檢測(cè)錨桿的預(yù)緊力的目的。因此，錨桿安裝時(shí)通常檢測(cè)預(yù)緊力矩，而不檢測(cè)預(yù)緊力。

3.3預(yù)緊力與預(yù)應(yīng)力區(qū)別
錨桿預(yù)緊力：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿桿體施加的軸向拉力。
錨桿預(yù)應(yīng)力：錨桿預(yù)緊力與桿體橫截面積的比值。

4.1錨固力的作用
錨桿的錨固作用體現(xiàn)為徑向和切向錨固力的作用。徑向錨固力對(duì)圍巖施加圍壓，將圍巖由單向、雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向、三向受力狀態(tài)，提高圍巖的穩(wěn)定性。錨桿貫穿同一巖層中的弱面，切向錨固力改善了弱面的力學(xué)性質(zhì)，從而改善了圍巖的力學(xué)性質(zhì)。因此錨桿是兼有支護(hù)和加固兩種作用的較完美的支護(hù)形式。徑向錨固力主要起著支護(hù)作用，切向錨固力主要起著加固作用。而在煤巷圍巖中，主要是徑向錨固力起作用，起到支護(hù)作用。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
(1)加固拱作用。對(duì)于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)用錨桿加固，能提高巖體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個(gè)不僅能維持自身穩(wěn)定，而且能防止其上部圍巖松動(dòng)和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。
(2)懸吊作用。懸吊作用是指錨桿把將要冒落的軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅(jiān)固穩(wěn)定的巖石上，由錨桿來(lái)承擔(dān)危巖或者軟弱巖層的重量。
(3)組合梁作用。在層狀巖層的巷道頂板中，通過(guò)錨入一系列的錨桿，將錨桿錨固長(zhǎng)度以內(nèi)的薄巖層組成一定的組合梁，從而提高其承載能力?？梢园哑巾斚锏赖膶訝顜r石頂板看作是以巷道兩幫為支點(diǎn)的疊合梁。在載荷作用下，各巖層都有各自的單獨(dú)彎矩，每層巖石分別處于受壓和受拉狀態(tài)。錨桿將各層巖石組合在一起之后，大大提高了組合梁的抗彎強(qiáng)度和承載能力。

4.2預(yù)緊力的作用
(1)預(yù)緊力能夠發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用，特別是在層狀巖層、破碎圍巖條件下，增大預(yù)緊力能夠改變圍巖性質(zhì)，防止圍巖破壞，保持圍巖穩(wěn)定，有利于對(duì)圍巖支護(hù)。
(2)錨桿預(yù)緊力大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。當(dāng)預(yù)緊力大到一定程度時(shí)，錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度以上的頂板離層可以得以消除。
(3)高預(yù)緊力錨桿旨在建立預(yù)應(yīng)力頂板，預(yù)應(yīng)力頂板的存在在一定程度上保護(hù)著頂板使其免受水平應(yīng)力的破壞，使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，以克服高水平應(yīng)力對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響。
(4)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成是有條件的，錨桿預(yù)緊力是關(guān)鍵。在水平應(yīng)力大的條件下，錨桿的作用在于給頂板及時(shí)提供很高的預(yù)應(yīng)力以形成預(yù)應(yīng)力頂板，形成一個(gè)壓力自撐結(jié)構(gòu)。