预应力锚索不同锚固长度对锚索及岩体的影响

钟连江

(贵州省煤矿设计研究院，贵州 贵阳 550025)

预应力锚索是巷道支护常用的形式，但预应力锚索取的参数不同会达到不同的支护效果。为了研究预应力锚索在自由段长度不变的情况下，不同锚固段长度对巷道支护效果的影响，本文采用Flac3D模拟研究了不同锚固长度对围岩和锚索本身的变化规律。本文采取在自由段长度不变的情况下，改变锚固段的长度的方法研究预应力锚索长度对支护的影响。其中自由段长度为现场使用锚索时的自由段长度;锚固段长度的变化规律为：从0.2m开始以0.2m的步距增加至3.0m共15种，即需要做15次运算，总结出自由段长度不变的情况下，锚索、锚固剂及周围岩体随着锚固段长度的变化规律。

1 数值模型

为了研究在自由段长度不变的情况下，锚索、锚固剂及周围岩体随着锚固段长度的变化规律，结合现场实际情况，建立如下模型：尺寸：66 ×10 ×1m，巷道断面：3.2m ×2.4m，巷道位于模型中心位置。锚杆长 L=2.0m，直径 Φ18mm，间排距0.7m，锚索长度 L=6m，直径 Φ15.24mm，间排距为2.1m。

模型的底边界固定，即水平位移u=0，垂直位移v=0，w=0;左右边界 u=0，v≠0，w≠0;前后边界 u≠0，v=0，w≠0;上边界不约束位移，为自由边界。模型上部边界以上的岩层的重量以外载荷的形式施加在模型的上边界。

数值模拟采用的岩体力学参数见表1。

表1 围岩力学参数

2 不同的锚固长度对锚索及岩体的影响

本文根据数值模拟结果，分析了预应力锚索轴力、锚索轴向应力、锚固剂应力、锚固剂位移以及锚索周围岩体的力学特征在不同锚固段长度下的变化规律。数值模拟结果如图1～8所示。

图1 不同锚固长度下的锚索轴力

图2 锚索轴力随着锚固段长度的变化曲线

图1为预应力锚索在锚固段长度不同的条件下，从锚固起始点开始至锚索端点内各测点的锚索轴力值。由图可知，在不同的锚固段长度下，锚索轴力变化趋势基本一致，均从锚固起始点开始随着至锚索端点距离的增加逐渐减小。

图2为预应力锚索锚固起始点的锚索轴力、锚索内端点锚索轴力在不同的锚固段长度下的变化曲线。由图可知，锚固起始点锚索轴力随着锚固段长度的增加呈现先增加后平稳的变化规律。当锚固段长度增加至0.6～0.8 m时，锚固起始点锚索轴力不再随锚固段长度的增加而增加;锚索内端点锚索轴力随着锚固段长度的增加呈现先减小后趋近于0的变化规律。当锚固段长度增加至0.8～1 m时，锚索内端点锚索轴力基本不变化，随着锚固段长度的增加，锚索内端点锚索轴力趋近于0。

图3 不同锚固长度下锚固剂应力

图4 锚固剂应力随锚固段长度的变化曲线

图3为在不同的锚固长度下各测点的锚固剂应力变化曲线。由图可知，在不同的锚固段长度下，各测点的锚固剂应力变化规律基本一致。从锚固起始点开始增加至一峰值，然后逐渐减小，趋于稳定。

图4是在不同锚固段长度下，锚固剂应力的变化曲线。由图可知，随着锚固段长度的增加，锚固起始点锚固剂应力逐渐减小，当锚固段长度大于0.8～1 m时，锚固起始点锚固剂应力基本无变化;随着锚固段长度的增加，锚索内端点锚固剂应力逐渐减小，当锚固段长度大于1 m小于1.8 m时，锚索内端点锚固剂应力趋于一稳定值，当锚固段长度为1.8～2 m时，锚索内端点锚固剂应力明显减小，随着锚固段长度的增加，锚索内端点锚固剂应力趋于稳定并逐渐减至0;随着锚固段长度的增加，锚固剂应力峰值点的应力逐渐减小，当锚固段长度大于1 m小于1.8 m时，峰值点的应力变化很小，当锚固段长度为1.8m～2 m时，峰值点的应力减小明显，之后随着锚固段长度的增加，峰值点的应力基本无变化。

图5 不同锚固长度下锚固剂位移

图6 锚固剂位移随锚固段长度的变化曲线

图5为不同锚固段长度下，各锚固段内锚固剂位移变化曲线，由图可知，各锚固段内锚固剂位移在不同的锚固长度下变化规律基本一致。从锚固起始点开始随着距锚固起始点距离的增加逐渐减小，减小至一稳定值时趋于稳定，变化很小。

图6为不同锚固段长度下，锚固剂位移变化曲线。由图可知，锚固剂位移随着锚固段长度的增加呈现逐渐减小，随后趋于一稳定值的变化规律。不同之处是锚固起始点锚固剂位移随着锚固段长度的增加逐渐减小并趋于稳定，而锚索内端点锚固剂位移随着锚固段长度的增加出现2次减小并趋于稳定的变化规律，当锚固段长度大于1 m小于1.8 m时，锚固剂位移基本无变化，当锚固段长度为1.8～2 m时，锚固剂位移减小较大，随着锚固段长度的继续增加，锚固剂位移基本无变化，趋近于0。

图7 不同锚固长度下锚索周围岩体轴向应变曲线

图8 锚索周围岩体轴向应变随锚固段长度的变化曲线

图7为不同锚索锚固段长度下，锚索周围岩体在Z方向上的应变曲线。由图可知，锚索周围岩体在Z方向上的应变在不同的锚固段情况下，周围岩体在Z方向上的应变具有一致的变化趋势，均随着距孔口距离的增加逐渐减小，并趋于一稳定值。各测点在Z方向上的应变基本不受锚固段长度变化的影响。

图8为不同锚索锚固段长度下，孔口处周围岩体在Z方向上的应变曲线，由图可知，孔口处周围岩体在Z方向上的应变变化很小，不同锚固段长度下的变化值相差不大，说明了锚索锚固段长度的变化对锚索周围岩体在Z方向上的应变影响不明显。

3 结论

(1)在不同的锚固段长度下，锚固段锚索轴力从锚固起始点开始逐渐减小，各测点间的锚索轴力变化值随着锚固长度的增加而变缓。

(2)在不同的锚固段长度下，各测点的锚固剂应力变化规律基本一致。从锚固起始点开始增加至一峰值，然后逐渐减小，趋于稳定。

(3)各锚固段内锚固剂位移在不同的锚固长度下变化规律基本一致。从锚固起始点开始随着距锚固起始点距离的增加逐渐减小，减小至一稳定值时趋于稳定，变化很小。

(4)在不同的锚固段情况下，锚索周围岩体Z向应变变化趋势相似，从孔口处向孔口内方向应变在逐渐减小。

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