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盘式锚杆加固技术研发与应用

        目前所用锚杆的共同特点是锚固段应力分布不均匀、局部产生应力集中现象非常严重,由此承载能力有限,一旦局部破坏将造成整体破坏;因此,锚杆结构型式不同,其破坏模式和抗拔力大小就不同,因此需要从结构型式入手,探讨增大抗拔力的结构型式及其相关破坏机制和计算方法。
        盘式锚杆是一种新型锚杆形式,它是在普通锚杆基础上,采用挤扩与切削成型设备实施钻孔或专用机具。从作用属性来看,其锚固段的承载力均匀分布,避免了应力集中易破坏现象;锚杆与围岩的作用关系也发生了变化,由原来的摩阻力变为摩阻力与压应力的结合,且压应力占其承载能力主要部分。同时直杆段与原锚杆具有相同的属性。如果是多个盘,就形成整个锚固段均匀承载,避免应力荷载集中破坏问题。与传统柱型锚杆相比,其单根锚杆的承载力增大2-5倍,由此能有效减少锚杆数量和缩短锚固段的长度,并可以通过优化设计方法改变锚杆的结构组成,从而能达到节约材料、缩短工期及节约投资的目的。
        从应用领域与使用量上来看,基坑、隧道、地铁及煤矿和金属矿山巷道加固与支护均采用锚杆,每年仅矿山支护长度就超过2600km;此外各类边坡、地铁、水利水电工程等各个领域应用量也非常大;因此本课题研究具有重要的理论意义与实际应用价值。本成果已获得国家授权发明专利及外观设计专利,通过前期室内试验研究,其承载能力是普通锚杆的2-5倍左右,由此可以推进岩石工程加固技术的科技进步,而北京正处于基础工程建设高潮期,地铁、深基坑、地下工程都属于加快发展期,另外北京境内各类矿山有96家,每年工程加固量很大,如何保障岩石工程及矿山工程的安全,加固工程的可可靠性非常重要,因此本项目的研发具有广泛的应用前景。本项目属于岩土工程与矿山工程支护或加固技术领域。
        主要研究内容:
        1)盘式锚杆荷载传递规律的现场试验研究;
        2)浇注混凝土与锚盘匹配关系的现场试验研究;
        3)盘式锚杆荷载传递规律的工程试验研究;
        4)盘径大小对抗拔力的影响属性;
        5)盘间距大小对抗拔力的影响属性;
        6)盘式锚杆抗拔力的三维弹塑性有限元分析;
        7)盘式锚杆破坏模式的研究;
        8)盘式锚杆优化设技术与评价方法的研究。
        项目转化和产业化将达到的目标及所需要的条件:本项目室内试验研究内容已完成,现需要进行现场试验与实际应用研究。主要目的是针对不同环境工程地质与工程质量要求条件下进行现场试验结果的分析、适用条件及其优化设计方法的研发,因此需要结合施工单位进行现场试验与应用技术研发。
        本项目与首钢矿业公司进行合作,首钢矿业公司1959年建矿,是首钢钢铁原料基地、全国知名的铁矿产区。经过半个多世纪的开发建设,首钢矿业公司不断发展壮大,现已成为以采矿、选矿、烧结、球团为主业,矿山技术服务等相关产业,集生产、科研、开发、服务为一体的特大型现代化矿山企业。现有各类厂矿单位18个、子公司7个、职能处室24个,在册职工1.23万人。2010年实现非矿产值20.51亿元、社会收入10.76亿元。首钢矿业公司健全的科技创新体系、高素质的科技人才队伍、浓厚的学习创新氛围,聚合成很强的自主创新能力,多项科研成果获部市级和国家奖励。完成的国家“十五”科技攻关项目“大型深凹露天矿高效运输及强化开采技术研究”,获国家科技进步二等奖、钢铁工业科技进步特等奖。“十一五”期间,有21项成果申请国家专利、12项科技成果通过鉴定、33项科技和管理成果获得国家、行业协会和首钢的奖励,完成3项国家“十一五”科技支撑项目。 
        根据软岩试验结果的类比方法,盘式锚杆每根的水泥用量是直杆的1.3至1.6倍左右,但承载力是直杆的2-5倍,相同的加固荷载,锚杆的需求量将减少50%以上,由此可以节省材料费、钻孔费和施工等费用,同时还可以有效避免原锚杆应力荷载集中导致加固工程的局部破坏而诱发整体加固工程破坏的现象,确保工程的安全,避免灾害发生,其经济效益和社会效益显著。从应用前景来看,矿山、水利水电、高层建筑基坑、隧道、地铁、高速公路铁路边坡等领域都需要进行大量的工程加固,如果提高盘式锚杆的承载力,确保其安全性,那么将大幅度减少基础的工程造价,从而提高经济效益和社会效益。