岩石锚杆作为一种有效的加固方式已经广泛的应用于岩土和采矿工程中。通过托盘施加一定的预张荷载,即可以及时地限制围岩的早期变形,使其强度下降的幅度降低;又可以提高锚杆对围岩的约束能力,锚固强度得到提高。合理的预张荷载可以提高岩层的自撑能力,保证整个锚杆支护体系充分发挥支护效能。因此合理预张荷载的确定对锚杆设计具有重要的工程意义。本文基于围岩变形,通过弹、粘弹性理论,分别建立了围岩与锚杆相互作用的弹、粘弹性模型,推导出了预应力岩石锚杆剪应力及轴力分布公式,对合理预张荷载确定方法进行了深入的研究,取得的成果如下:(1)对预应力岩石锚杆与围岩的作用机理进行了研究,其加固地下工程中的主要作用是对巷道围岩及时施加高预应力,限制围岩变形的发展,使巷道顶板形成具有较高承载能力的组合梁和组合拱,改善围岩应力场和岩体的受力状态,提高巷道围岩力学参数,使围岩整体作用加强。(2)基于岩石锚杆与围体微段界面摩阻力与它们之间的相对位移呈线性函数关系的假设,根据微段锚固体的受力平衡以及巷道围岩安装锚杆前后的应变变形,建立了岩石锚杆与围岩体之间相互作用的载荷传递微分方程,结合圆形巷道围岩的径向变形方程,分别推导了弹性岩体与粘弹性岩体在带托盘及无托盘条件下,岩石锚杆的剪应力与轴力的表达式,然后对影响应力分布的主要因素进行了系统的分析。(3)基于围岩变形,结合拉拔试验力学模型,推导出了预应力岩石锚杆的剪应力及轴力分布公式,提出了岩石锚杆合理预张荷载的确定方法。并结合算例,确定岩石锚杆合理预张荷载的大小。通过对锚杆应力分布的分析,可以得出:合理的预张荷载可以改善锚杆的受力状态,减弱锚杆剪应力集中,使锚杆受力更加合理,充分发挥锚杆支护性能,提高其锚固能力。(4)将以上研究成果应用于董家河煤矿锚杆支护设计,通过计算确定合理预张荷载的大小,然后进行现场试验,通过对比试验巷道在不同预张荷载条件下巷道支护的效果可以得出,施加设计预张荷载的试验段,与原支护试验段相比,巷道的变形量明显减小,巷道顶板离层也得到有效控制,表明了设计的预张荷载是合理的。
