岩土锚固理论研究现状

2013-11-18邱海玢侯继祥

科技致富向导 2013年20期

邱海玢　侯继祥

【摘要】本文详细地介绍了地锚荷载传递机理以及锚固支护作用，论述了我国岩土锚固技术的新进展，指出了存在的问题和发展方向。

【关键词】岩土锚固；理论研究；a锚固机理

0.引言

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，其本质是充分利用较大刚度和强度材料的力学特性来加强或加固软弱破碎的岩体和土体，与此同时发挥岩土体的自稳能力，最终使工程结构物达到稳定[1]。由于锚固技术可以有效地提高岩土体自身的强度及自稳能力，节省工程费用并有利于施工安全，因此岩土锚固在水利、交通、能源以及城市基础建设中获得了广泛的应用[1～3]。

1.岩土锚固理论研究现状

1.1荷载传递机理研究

岩土锚固技术在工程中已经得到了广泛的应用。然而由于岩土锚固工程的复杂性，岩土锚固机理的研究和设计理论远远落后于工程实践。目前分析锚杆承载能力时通常认为锚固破坏主要包括以下3种方式：①锚杆筋体的抗拉破坏；②注浆体与筋体间剪切破坏；③地层与注浆体间剪切破坏。一般情况下，筋体自身的抗拉能力能得到保证。在荷载传递机理方面，国内外理论研究相应地主要围绕以下两个方面展开：

a、注浆体与筋体间力的传递机理和应力分布状态。

b、注浆体与围岩土体间粘结力的传递机理和应力分布状态。

注浆体和锚杆间的粘结力包括三个因素：粘着力、机械联结力和摩擦力。大量试验表明，随着对锚杆施加荷载的增加，杆体和注浆体间的应力峰值会发生转移，而且在整个锚固段上应力分布很不均匀。

锚杆和注浆体以及注浆体和岩土体组成了两个双材料模型，双材料之间的性质互相牵制、互相影响都是通过材料的界面来完成，因此界面及界面端部的应力状况会变得非常复杂。从双材料平面问题分析界面应力传递的方法有很多，剪滞应力分析法依据较为精确的弹性力学理论，可以给出界面精确的应力分布规律，但不能得到界面端部正确的应力分布状况；奇异积分方程以及特征值法可以将界面端部应力集中的特征反映出来，但对于全场分析显得力不从心；近年发展起来的数值方法可以直接得到应力场的数值分析结果，但对于分布规律的解释没有解析法有效[4]。总的来说，界面端部应力场具有奇异性，在界面端部使用通常意义上的最大剪应力强度破坏准则不能达到理想的效果，断裂力学中表征奇异应力场强度的的应力强度因子才是非常有效的工具。

随着岩土锚固工程实践的进展，许多研究人员通过室内试验、数值仿真模拟、现场试验等手段对锚固作用机理进行了深入的研究。下面介绍一些比较有代表性的成果。

何思明、张小刚[5]将损伤理论的基本原理引入常规剪切滞模型，并进行修正推导了基于损伤理论的修正剪切滞模型。张宏博[6]结合实际工程根据现场监测资料，对影响锚索预应力变化的各种因素进行了详细的分析，并针对不同影响因素的特性规律，提出了针对性的施工建议。

2.岩土锚固技术的新进展

近年来，我国岩土锚固的新进展突出地表现在以下几个方面：

2.1锚固支护作用

已经得到普遍接受的锚固支护理论包括：

2.1.1悬吊理论

把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固（悬吊）在稳定岩层上，防止破碎岩块脱落。该理论要求锚杆长度穿越塌落拱高度，以便把坍塌的岩石悬吊起来。

2.1.2组合梁理论

把单层的岩体看成简支梁，当受外力作用时，简支梁容易发生弯曲变形。用锚钉将多个简支梁（多个单层的岩体）固定在一起，这样由于各单层岩体间摩擦力的作用，增加了岩体的稳定性，即组合梁。

2.1.3组合拱理论（支撑理论）

拱形洞室因围岩强度低或受动压作用，开挖后必然引起从周边开始的变形破坏，逐步形成图1所示的围岩破坏区域，根据围岩变形破坏特点将围岩分成4个区：①完全破坏区、②裂隙发育区、③弹塑性变形区、④原岩应力区。

图1 围岩破坏示意图

在拱形洞室围岩的破裂区安装预应力锚杆时，锚固力的作用在于对①区和②区围岩施加围压，使已破裂的围岩具有一定的残余强度，在锚杆的作用下，在围岩中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。

2.2单孔复合锚固技术

单孔复合锚固体系主要有压力分散型、拉力分散型和拉压分散型三种。

在国家“948”项目支持下，中国水利水电科学研究院于2003年9月引进了韩国三友（SAM WOO）公司的分散压缩型无粘结预应力锚索生产线[7]。目前，这种新型的分散压缩型预应力锚索体系在韩国、日本等国家已得到广泛应用。针对我国目前水利水电工程建设中使用的预应力锚索吨位大、类型多的特点，中国水利水电科学研究院对引进的锚索技术进行吸收、消化、改造，研制开发出300吨（孔径174mm）、200吨、150吨、120吨、100吨（孔径140mm）等不同吨位，不同长度的分散压缩型无粘结预应力锚索系列产品，部分研究成果现已申请了国家专利。

2.3可重复高压灌浆锚固

能否有效地提高软土中锚杆的承载力是锚固技术能否进入软土工程的一个突出难题。可重复高压灌浆锚杆是在锚杆锚固段注入浆体，等浆体达到一定强度后，再施加多次高压劈裂灌浆，这样当水泥浆在土中硬化后，形成水泥土结构，其抗剪强度（C值）远大于原状土。

2.4土钉支护

20世纪70年代在法国、德国等欧洲国家开始应用的土钉支护于90年代在我国基坑和边坡工程中得到了迅速的发展。针对我国东南地区主要是海相沉积的软土岩层和地下水位高的特点，并经过在上海、福州等城市以淤泥质土为主的地层中的基坑工程实践，人们研究提出了一种称为复合土钉墙的施工技术，大大拓宽了土钉支护的应用领域。

3.锚固研究存在的问题及发展方向

我国岩土锚固工程技术近十年来在工程建设大发展的环境下得到了长足的进步，锚固理论研究工作取得了一定的进展，但也存在不少问题：

（1）理论研究明显滞后于工程应用研究。

（2）对锚固力的传递机理和应力分布状态局限于定性的解释，不能有效地服务于工程实践。

（3）锚固技术的研究仍滞留在以锚杆为主体的研究水平上，尚没有达到把锚固技术看作一个系统来作整体研究的水平。

（4）锚固支护理论也没有形成统一有效的认识，缺乏合理的计算方法。

（5）对锚杆预应力损失不能作出准确的评估。

（6）锚杆耐久性研究与当前国际水平相差较大。

因此，岩土锚固的理论研究应从以下几个方面展开：（下转第84页）

（上接第81页）（1）研究锚固体的荷载传递机理，提出切合实际的应力传递公式。

（2）加强锚固机理研究，以深入探究锚杆与围岩的互相作用机理、影响因素以及可能发生的失稳模式。

（3）进一步加强对锚杆预应力变化的实质和规律的研究，以提出合理的预测模型，尤其是要从力学分析和机理角度去研究预应力的长期稳定性。