1 錨固力與錨桿拉拔力
1.1 定義
錨固力指錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生的約束力[2-4][注1-3]?？杉?xì)分為錨桿工作時(shí)的錨固力和設(shè)計(jì)錨固力，錨桿工作時(shí)錨固力包括初錨力和正常工作時(shí)的錨固力。通常說(shuō)的錨固力指錨桿正常工作時(shí)的錨固力。
拉拔力也稱抗拉拔力或抗拔力，指阻止錨桿從巖體中拔出的力[2-4] [注1-3]。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。檢測(cè)拉拔力用于錨桿施工質(zhì)量檢測(cè)，其值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)錨固力。
1.2 錨固力與錨桿拉拔力區(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(pán)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。
⑤ 施工、設(shè)計(jì)中錨固力與錨桿拉拔力經(jīng)?；煜⒒煊?。二者混淆原因一方面是由于一些標(biāo)準(zhǔn)、教課書(shū)說(shuō)法不一，造成混亂；另一方面對(duì)二者內(nèi)涵認(rèn)識(shí)理解有誤，辨識(shí)不清。
2 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩
2.1 定義
預(yù)緊力也稱初錨力，在安裝錨桿（錨索）時(shí)，通過(guò)擰緊螺母或采用張拉方法施加在錨桿（錨索）上的拉力，單位kn。預(yù)緊力矩是擰緊螺母使錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力時(shí)，施加到螺母上的力矩，單位n·m。
2.2 預(yù)緊力和預(yù)緊力矩關(guān)系
① 二者有定性的關(guān)系，通常預(yù)緊力矩越大，預(yù)緊力越大，但非線性關(guān)系。
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(pán)與螺母間的錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)；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。
⑤ 增大錨桿預(yù)緊力方法可以從兩方面入手，一是提供足夠大的原動(dòng)力，二是上緊螺母。
3.3 預(yù)緊力的作用及要求
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 試驗(yàn)證明，如果頂板圍巖有整體離層冒落的趨勢(shì)時(shí)，只有預(yù)緊力大于潛在冒落圍巖重量時(shí)，才能阻止圍巖離層趨勢(shì)的出現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展，才能發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用。
③ 錨桿預(yù)緊力矩越大越好。由于受錨桿施工機(jī)具限制，手動(dòng)錨桿安裝機(jī)具預(yù)緊力在100～200n·m，產(chǎn)生初錨力可達(dá)到10～20kn；機(jī)載錨桿機(jī)具預(yù)緊力可達(dá)200～300n·m，產(chǎn)生初錨力可達(dá)30 kn。例如，一根長(zhǎng)度2.4m的錨桿，間排距為800×800（mm）時(shí)，單根錨桿支護(hù)圍巖重量約3.5t。由于受到錨桿安裝工藝、施工機(jī)具的限制，35 kn的預(yù)緊力較難達(dá)到。所以定性說(shuō)：錨桿預(yù)緊力矩越大越好，以獲得較大的預(yù)緊力。
④ 只有達(dá)到一定的預(yù)緊力后，錨桿才能發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用，形成組合梁、組合板結(jié)構(gòu)。隨著新的施工機(jī)具出現(xiàn)，預(yù)緊力將會(huì)逐漸增大，合適的預(yù)緊力范圍為：下限大于支護(hù)的圍巖重量，上限為錨桿屈服強(qiáng)度的70％。
⑤ 現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)問(wèn)題：一是預(yù)緊力偏低，甚至為零，發(fā)揮不了錨桿主動(dòng)支護(hù)作用；二是預(yù)緊力大小相差懸殊，造成錨桿受力不均。使用機(jī)械快速安裝工藝，可避免上述問(wèn)題的發(fā)生。
4 錨桿設(shè)計(jì)問(wèn)題
錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，一般是采用懸吊理論來(lái)計(jì)算錨桿的直徑，這種設(shè)計(jì)理念在礦壓小、圍巖運(yùn)動(dòng)方向與錨桿平行的條件下適用，但在高應(yīng)力、圍巖運(yùn)動(dòng)方向與錨桿方向不一致時(shí)則受到限制。例如，一些高應(yīng)力巷道整修時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些錨桿被擠壓變形成為類(lèi)似汽車(chē)搖把“ ”型，平行于錨桿的觀測(cè)鉆孔發(fā)生錯(cuò)位等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說(shuō)明，錨桿的受力方向非常復(fù)雜，既有沿錨桿軸向的力，也有與錨桿方向垂直或成一定角度的剪切應(yīng)力，因此選擇錨桿強(qiáng)度時(shí)必須綜合各方面因素，不僅要考慮錨桿拉伸強(qiáng)度，還要考慮剪切強(qiáng)度，特別是高應(yīng)力條件下，如果只考慮錨桿拉伸強(qiáng)度，所選的錨桿直徑必然偏小，強(qiáng)度偏低，造成支護(hù)失敗。
根據(jù)多年錨桿支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的研究分析，獲得錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念為：ⅰ、ⅱ類(lèi)圍巖巷道條件，壓力小時(shí)，應(yīng)用懸吊理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工；ⅲ、ⅳ類(lèi)圍巖巷道條件，壓力中等時(shí)，應(yīng)用組合梁、組合拱理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工；ⅴ類(lèi)圍巖巷道條件，壓力大時(shí)，應(yīng)用圍巖強(qiáng)化理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。
5 錨桿制作和檢測(cè)中存在的問(wèn)題
5.1 錨桿螺紋段強(qiáng)度低
標(biāo)準(zhǔn)mt146.2-2002規(guī)定：錨桿尾部螺紋承載力不低于桿體的屈服強(qiáng)度，桿體延伸率不低于15％。以直徑20mm、長(zhǎng)2200mm錨桿為例，錨桿檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：
從表中可以看出，錨桿各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合mt146.2-2002標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果錨桿各參數(shù)均合格，檢測(cè)結(jié)論“錨桿合格”。但在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，錨桿受力達(dá)到130kn時(shí)，許多錨桿從螺紋處斷裂，此時(shí)圍巖變形量不超過(guò)100mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錨桿延伸率30％的許可變形量，且錨桿受力遠(yuǎn)小于其破斷力，出現(xiàn)了“合格錨桿”不合格的問(wèn)題。為什么“合格錨桿”不能適應(yīng)巷道變形？通過(guò)試驗(yàn)室錨桿拉伸試驗(yàn)，當(dāng)錨桿受力130kn時(shí)，桿體延伸率僅僅2％，再增大載荷，錨桿將從螺紋段斷裂，因此所謂桿體延伸率30％不是代表整套錨桿的延伸率，整根錨桿延伸率應(yīng)該只有2％。要想達(dá)到整根錨桿30％的延伸率，必須增大錨桿螺紋段強(qiáng)度，使錨桿各處強(qiáng)度相等。一根合格的錨桿在受力后，應(yīng)經(jīng)過(guò)如下過(guò)程：圍巖變形→錨桿受力后被拉伸→圍巖中積聚的能量隨圍巖變形而釋放→圍巖變形量達(dá)到一定程度后→錨桿變形量超過(guò)其容許量——錨桿受力達(dá)到破斷強(qiáng)度而斷裂——支護(hù)失效。如果錨桿制作有缺陷，存在弱面、螺紋段強(qiáng)度低等問(wèn)題，在圍巖發(fā)生輕微變形時(shí)，錨桿因螺紋段（弱面）先達(dá)到破斷極限而斷裂，此時(shí)錨桿延伸量非常小，錨桿不能經(jīng)過(guò)“錨桿拉伸→圍巖應(yīng)力釋放、卸壓” 的過(guò)程，而是在受力后，錨桿迅速被拉斷，失去對(duì)圍巖的支護(hù)作用。因此錨桿尾部螺紋承載力不應(yīng)低于桿體的破斷強(qiáng)度的95％，在做錨桿延伸率檢測(cè)時(shí)，包括螺紋段在內(nèi)的整個(gè)錨桿桿體延伸率應(yīng)不低于15％，這樣桿體強(qiáng)度和延伸率兩項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)才合格，錨桿才能適應(yīng)高應(yīng)力、大變形圍巖支護(hù)需要。
5.2 錨桿配件強(qiáng)度低
錨桿制作時(shí)，常出錨桿配件強(qiáng)度低的問(wèn)題。表現(xiàn)為，在高應(yīng)力巷道，錨桿受力后出現(xiàn)螺母穿透托盤(pán)、錨桿螺母滑絲、螺母被壓裂等問(wèn)題。因此，在錨桿制作時(shí)，做到錨桿配件強(qiáng)度高于桿體強(qiáng)度。
5.3 錨桿制作、檢測(cè)要求
隨著對(duì)錨桿支護(hù)認(rèn)識(shí)的深入和錨桿制作工藝水平的提高，錨桿檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)亟待完善：
① 合格錨桿必須綜合考慮錨桿各部位、部件后綜合做結(jié)論，不能分割開(kāi)來(lái)，否則錨桿檢測(cè)時(shí)將出現(xiàn)各分項(xiàng)都合格，而綜合結(jié)果卻不合格問(wèn)題；
② 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中錨桿配件需要從不低于屈服強(qiáng)度提高到不低于桿體實(shí)際的破斷強(qiáng)度。
如果不能滿足上面兩方面要求，在高應(yīng)力大變形圍巖條件下，錨桿支護(hù)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，起不到讓壓、卸壓作用，滿足不了工程需要，將存在極大隱患。因此在高應(yīng)力條件必須使用等強(qiáng)錨桿，高度重視錨桿制作質(zhì)量，才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。
6 結(jié)論
錨桿支護(hù)技術(shù)在過(guò)去的幾十年中，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展、完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為礦山支護(hù)的主要技術(shù)手段。隨著對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的深入研究、施工工藝、施工設(shè)備的改善和新材料的應(yīng)用，錨桿支護(hù)理論將不斷更新，錨桿制作、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)將不斷提高，以適應(yīng)更加復(fù)雜了礦山條件