树脂锚杆锚固力形成：树脂环厚度、混合质量与界面粘结

树脂 锚杆 常常被评估，仿佛锚固力是印在树脂药卷上的一个单一数字。在实际使用中，锚固力是一条荷载传递路径。锚杆必须握裹树脂，树脂必须保持连续和完好，树脂必须握裹钻孔孔壁，岩石必须能够承受荷载。这条链条中任何一环的薄弱都会改变最终结果，即使每个组件本身都符合其各自的规格。

这就是为什么以下三个常见假设值得审视：

• 如果杆体具有高抗拉强度，则安装后的锚固系统具有高承载力。
• 如果药卷充满钻孔，则环向间隙是正确的。
• 如果安装时旋转了锚杆，则树脂已充分搅拌。

每个假设都包含了部分事实，但单独来看都不充分。

本文讨论的是用于采矿和隧道工程中预钻孔锚杆的双组分聚酯树脂药卷。本文不涉及可泵送注浆树脂、水泥基灌浆料或通用化学锚栓。只有在产品和安装方法经过验证后，以下原则才能适用于这些范围之外的情况。

锚固力是系统属性

第一步是区分四个常被混为一谈的量。

锚固力通过一条链条产生：杆体、杆体-树脂界面、树脂环、树脂-岩石界面以及周围岩体。荷载通过沿粘结长度的剪力传递。剪应力从孔口到孔底并非均匀分布。受载端承担不成比例的份额，随着脱粘的进展，传递区域会移动。这就是为什么较长的粘结长度并不自动产生成比例的承载力提升的原因之一。

实际后果很简单：安装后的锚固系统受限于其最薄弱的环节，而不是产品目录中最强的组件。高强度杆体无法弥补不完整的包裹。高粘结强度无法弥补无法承受荷载的岩体。具有优异实验室强度的树脂无法弥补导致部分药卷未混合的搅拌过程。

树脂环厚度首先是几何问题，然后才是体积问题

树脂环是锚杆与钻孔孔壁之间必须由混合树脂填充的空间。其径向厚度为：

t = (D_孔 - D_杆) / 2

其中 D_孔 是实际钻孔直径，D_杆 是粘结段杆体的实际直径。

径向厚度与直径间隙之间的区别很重要。一个32毫米的钻孔配25毫米的杆体，直径差为7毫米，但名义径向环厚度为3.5毫米。如果一份文件引用7毫米环厚度，而另一份文件对同一组合引用3.5毫米，它们可能描述的是不同的尺寸。在比较数字之前，应询问采用的是哪种定义。

药卷不等于环间隙

树脂药卷有其自身的直径、长度和薄膜结构。它必须能装入钻孔，被锚杆刺破并撕碎，并将树脂和催化剂释放到环形空间中。因此，药卷直径影响插入、搅拌和填充，但它不等于最终的树脂环。

环形体积可近似为：

V = (π / 4) x (D_孔^2 - D_杆^2) x L_粘结

其中 L_粘结 是粘结长度。在实际操作中，所需树脂体积还必须考虑钻孔不规则、空洞、裂隙和树脂损失。某制造商的计算表包含了15%的钻孔不规则余量，但该余量仅适用于其自身的计算表和产品系列，并非通用系数。

这就是为什么药卷应依据有文件记录的杆体-钻孔-药卷组合来选择，而不是仅凭药卷直径。长药卷不一定产生长粘结长度，大药卷也不自动产生更好的环间隙。

名义钻孔尺寸不等于实际钻孔尺寸

钻头尺寸是起点，而非成孔后的测量值。钻头磨损、超挖、扩孔、软弱或破碎岩体、钻孔收缩和钻进工艺都会改变实际直径。基于名义钻头尺寸的同心计算可能高估或低估实际环间隙。

同样的问题也适用于杆体。名义直径可能无法描述粘结段的表面轮廓，尤其是在存在肋纹、螺纹或表面处理的情况下。环间隙是沿锚杆的局部状态，而非一个完美的单一圆柱体。

偏心度增加了另一个变量。如果杆体靠在钻孔一侧，该侧的局部环间隙较小，另一侧则较大。平均径向厚度可能看起来可以接受，但树脂分布并不均匀。在裂隙钻孔中，树脂还可能流失到空洞中，导致预期粘结长度的某些部分缺乏连续包裹。

为什么公开的最佳范围不同

不存在适用于所有树脂、杆体、岩石和钻进系统的单一环厚度。

一份南非顶板锚固指南报告称，在一系列测试中，环厚度约在2.5毫米至3.8毫米之间时获得了最高的粘结强度，而低于2毫米的环厚度似乎会降低粘结强度。同一文件指出，这些环厚度是根据实测的钻孔和锚杆直径计算的，而非依据钻头尺寸。其他测试项目和实际指导报告了不同的优选范围，包括与Hagan研究相关的一些工作中报告的约4至6毫米的更宽实用范围。

这些数字并非相互竞争的通用规范。它们反映了不同的测试方法、杆体轮廓、树脂体系和岩石条件。有用的结论不是“选择3毫米”或“选择5毫米”，而是：

• 环厚度必须与杆体和药卷一起设计。
• 实际钻孔直径应测量或控制，而非根据钻头假设。
• 所选组合应得到产品数据的支持，并且在条件特殊时，应进行现场特定验证。

环过小会增加插入阻力，阻碍完全搅拌，或使完全包裹难以实现。环过大则会增加必须填充的体积，以及产生空洞、偏心或不完全包裹的机会。这两个方向都值得关注。较大的环并不自动意味着更安全的环。

搅拌质量是工艺窗口，而非更长的旋转时间

双组分树脂药卷在安装前将树脂胶泥和催化剂分开。锚杆必须刺破药卷，撕碎薄膜，并在穿过树脂柱时混合两种组分。随后化学反应将混合材料转化为可传递荷载的固体。

该过程包含几个不同的阶段，而行业对这些术语的使用并不总是一致。

制造商对这些数值的定义和报告方式不同。一份J-LOK技术文件指出，通常搅拌时间加上保持时间接近凝胶时间。它将搅拌时间描述为在典型的锚杆钻机400至600转/分的旋转速度下实现完全混合所需的时间。

一份Minova Lokset数据表给出了特定产品的搅拌和保持数值。它还警告说，这些时间随温度、采矿条件、设备、钻孔与锚杆之间的环间隙、药卷存放时间和储存条件而变化。另一份Minova数据表为其特定药卷规定了最小转数，而非将固定的秒数视为通用标准。

这些差异并非矛盾。它们说明了为什么从一份产品说明书复制的搅拌时间不能直接套用到另一个系统上。

时间不等于搅拌能量

转数与时间同样重要。一根锚杆以300转/分旋转15秒约产生75转。同样的15秒在600转/分下约产生150转。如果搅拌器转速较慢，或者锚杆未按预期穿过药卷，仅以时间为基础的指令可能无法产生相同的搅拌效果。

这就是为什么一份有用的安装规范应包括设备、旋转速度、推力、插入方法以及搅拌开始的时间点。它还应说明操作人员应观察到什么，例如锚杆到达孔底以及药卷被完全刺破。

搅拌不足和搅拌过度以不同方式失效

搅拌不足导致树脂和催化剂混合不充分。结果可能是软块或未混合区域、强度发展不良和粘结不完整。在一项硬岩矿山研究中，37.5%的记录安装存在搅拌不足，62.5%存在搅拌过度，而记录的保持时间短于推荐值。该研究将这些偏差归因于安装操作，并指出过早混合和过度混合都会影响结果。这些百分比特定于该矿山和样本，但机理并非如此。

过度搅拌可能持续到凝胶阶段。旋转非但不能改善混合，反而可能扰动正在形成的凝胶结构或物理破坏部分固化的树脂。一份Minova数据表警告说，超过推荐搅拌时间并进入凝胶时间的混合会损害正在固化的化学物质。具体后果取决于产品、温度和时间，但“多搅拌更安全”并非有效规则。

保持期也是过程的一部分。在树脂发展出足够强度之前张拉或加载锚杆，可能会破坏刚刚开始形成的粘结。保持时间是最低要求，而非完全固化的目标。

手套效应可能隐藏在看似正常的安装中

手套效应是指药卷薄膜未被完全破坏。薄膜没有被完全撕碎并分散，而是部分缠绕在锚杆上或被压在钻孔壁上。薄膜可能在树脂-岩石界面形成低摩擦层，减少树脂与岩石的接触。

一项通过套孔取芯回收树脂锚固顶板锚杆的现场研究发现，在顶部300毫米范围内，几乎所有回收的锚杆都存在一定程度的手套效应。该研究还发现，手套效应越严重，荷载传递越低，尽管这种关系有所变化，且样本仅限于特定现场条件。模拟手套效应的测试报告了比一些现场观察大得多的承载力降低，这提醒我们测试方法和几何形状很重要。

实际教训并不是每个有手套效应的锚杆都会失效。而是，对锚杆头部的目视检查或对单根锚杆的成功拉拔测试，无法证明整个粘结长度都得到了正确的搅拌和包裹。搅拌质量必须通过安装过程控制，并通过适当的取样和测试计划加以验证。

界面粘结决定荷载路径的终点

一旦树脂填充环间隙并固化，荷载跨越两个主要界面：

• 杆体-树脂界面：杆体表面与固化树脂之间的附着力和机械互锁。
• 树脂-岩石界面：树脂与钻孔孔壁之间的附着力和机械互锁。

杆体轮廓是第一个界面的一部分。肋高、肋间距、肋角度和表面状况影响树脂对杆体的握裹。一项南非研究测量了不同供应商顶板锚杆之间肋几何形状的差异，并得出结论，锚杆轮廓应被视为支护系统的一部分，而非可互换的细节。

钻孔孔壁是第二个界面的一部分。粗糙度可以改善机械互锁，但岩屑、泥浆、水、涂抹的岩粉或软弱表面层会减少接触。因此，钻进方法和清孔很重要。一项研究发现湿钻和干钻之间的粘结强度存在差异，可能与干钻后残留的细颗粒有关；该结果特定于所研究的岩石和钻进条件，并非要求改变所有钻进方法的通用指令。

在裂隙或孔隙性岩体中，树脂也可能流失到空洞或裂隙中。结果不一定是更弱的树脂混合物，而可能是更短的有效粘结长度、不完整的环间隙，或者是在预期区域从未形成的树脂-岩石界面。这就是为什么即使杆体和钻孔直径名义相同，同一药卷在完整岩石和裂隙岩石中的表现也可能不同。

失效位置是证据，而非裁决

失效模式告诉你荷载路径中哪个部分首先达到极限。它本身并不能告诉你哪个产品有缺陷。