螺纹钢锚杆的结构形式及锚固力影响因素

螺纹钢锚杆的结构形式及锚固力影响因素

1螺钉的组成螺旋形钢锚杆是太原分行“第八八”期间开发的一种新型支撑材料。它由预制螺旋形钢制成杆体，由树脂支撑固定剂制成节点支撑杆。基本结构形状如图1所示。由螺纹钢杆体、树脂锚固剂、托板及配套螺母组成。螺纹钢锚杆的杆体由轧制的全长连续右旋螺纹钢材料制成,从其结构形式反映出螺纹钢锚杆具有以下几个特点:①它的任一端都可直接拧螺母而成紧固端,另一端可直接与锚固剂粘结而成锚固端,其杆体可按需要长度直接截取,不需要任何机加工;②由于杆体全长范围内具有连续的螺纹,其锚固长度可按需而定,故这种锚杆既可作为端头锚固,也可作为全长锚固;③锚杆的螺纹牙形为梯形螺纹,其抗剪强度略高于杆体的抗拉强度,所以该种锚杆具有杆体全长等强度、无弱面的特点;④该锚杆结构形式简单,安装使用方便,制造工艺简单,便于大批量生产,是一种具有广阔应用前景的新型支护产品。2螺纹钢树脂锚杆锚固力的影响因素螺纹钢锚杆是一种粘结式锚杆,它的锚固端通过树脂药卷将杆体粘固在钻孔中,紧固端以托板及螺母施加预紧力,其作用原理是通过钻孔底部的锚固端及另一端的紧固部分,使锚杆杆体受拉而抑制围岩的变形和松动。因此其锚固性能主要取决于锚固力的大小。影响螺纹钢树脂锚杆锚固力大小的主要因素有以下几点:一是树脂锚固剂与杆体之间的粘结强度;二是树脂锚固剂与围岩之间的粘结强度;三是杆体本身的强度。就杆体强度而言,螺纹钢锚杆杆体的破断载荷大于180kN(直径18mm,材质为27SiMn),足以满足实际需要。故仅讨论在树脂锚固剂与围岩之间的粘结强度满足实际要求的情况下,螺纹钢杆体与树脂锚固剂之间的粘结强度,以此来分析螺纹钢树脂锚杆的锚固性能。螺纹钢锚杆的杆体与树脂锚固剂之间的粘结强度包括两个方面:一是材料之间的纯粘结力;二是粘合面形状不同而具有的机械结构阻力。下面从这两个方面进行详细的分析。2.1杆体右旋螺纹螺纹钢树脂锚杆的锚固性能主要取决于杆体与树脂锚固剂之间的粘结力,而其粘结力与螺纹的螺距、齿高、杆长等密切相关,可以从以下几个方面进行分析。首先,从螺纹钢锚杆的搅拌特性方面进行分析。由于螺纹钢锚杆的锚固端为连续的右旋螺纹,当杆体右旋推进时,药剂沿杆体由孔底向孔口纵向流动,杆体的阻力较小,能够将药卷充分混合,达到良好的搅拌效果;由于螺纹的牙形有一定的高度,杆体旋转过程中,使药剂由孔心向孔壁横向流动,药剂能够填满所有空间,与杆体充分粘结,达到最大粘结强度。其次,由于螺纹钢锚杆的螺纹牙形为梯形,具有一定的螺距及齿高,它与树脂药卷的粘合面面积要比圆钢及反麻花锚杆的粘合面面积大。显然,在粘结强度一定的条件下,螺纹钢锚杆的粘结力要大,锚固效果好。第三,由于螺纹钢锚杆为全长的连续螺纹,锚固端与杆体无界线,而常用的反麻花锚杆的锚固长度是一定的,这样,前者无疑可以通过增加其锚固长度来提高锚固力,达到最佳锚固效果。2.2外螺纹钢锚杆从螺纹钢锚杆的结构形式分析,它为带外螺纹的螺杆,当它通过树脂锚固剂与围岩粘结在一起时,就形成了带内螺纹的岩石螺母,故杆体与钻孔构成咬合的螺旋副,具有较大的锚固力。再者,由于螺纹钢锚杆的杆体是具有一定齿高和螺距的外螺纹,这样,当树脂药剂填满齿孔时,有利于增加杆体的结构阻力。因为螺纹钢锚杆在承受外载荷作用时,不仅要克服杆体与药剂间的粘结力,而且要克服齿形与药剂间的剪切作用力。理论计算表明,树脂药剂与每个螺齿的剪力达17kN(当然,由于药卷搅拌的密实度不佳,也许剪力达不到这样大)。3试验构件及锚固剂螺纹钢锚杆的实验室试验分两部分:一部分是锚固力试验;另一部分是锚固力特性曲线的测试。试验以钢管作为模拟体进行,所用钢管外径34mm,长度300mm。试验用螺纹钢锚杆的直径为18mm,其设计破断载荷为180kN,试件长度600mm。树脂锚固剂为淮南矿务局合成材料厂生产的Z23240型树脂锚固剂,锚固长度为250mm。试验时采用MZ—20型煤电钻搅拌,右旋推进,搅拌时间为30s,1h后进行拉拔,所用仪器为ML—20型锚杆拉力计。3.1表1内螺杆的表心固定螺纹钢锚杆的锚固力试验结果见表1。3.2锚固力特性分析锚固力特性曲线,即锚固力与位移的关系曲线,它反映锚杆锚固力与位移的重要关系,是确定锚杆支护能力的重要依据,图2是D18螺纹钢树脂锚杆的锚固力特性曲线,该图是以8#试件的实测数据绘制而成的。从图2中可以看出,该曲线由AB、BC两部分组成,在AB段锚固力F与位移S呈线性关系,载荷急速增大而位移量变化较小,这表明施加的外载荷尚未起作用;曲线BC段比较平缓,表明位移急剧变大而载荷变化较小,这是由于锚杆本身已接近其屈服极限,锚固力随之增加缓慢。该曲线亦表明锚杆的锚固力特性曲线与其材质的力学性能曲线是相匹配的。4提高杆体固力4.1由于螺纹钢锚杆的特殊螺纹牙形结构,使其合理均匀地搅拌树脂锚固剂,且粘合面面积较大,能有效地提高杆体与药剂间的纯粘结力。4.2由于螺纹钢锚杆的纹牙具有一定的螺距和齿高