岩土锚固新技术与发展趋势

秦帅　丁涯

摘要：岩土工程是一门几乎和人类一样古老的学科，并伴随着人类的进步而不停的发展。近代以来，岩土工程技术发生了天翻地覆的变化，而其中，岩土锚固技术以其新颖的理念和巨大的优势，当之无愧的成为其中最具有革命意义的一项技术革新。本文将在总结今日的岩土锚固技术的最新突破的基础上，试指出该技术所面临的问题和发展趋势。

关键词：岩土工程 锚固 新技术 发展趋势

一，岩土锚固的概念和历史

岩土锚固技术是指埋设于岩土体中的受拉杆件，用以将结构物的拉应力传递给深部的稳定地层或加固不稳定的岩土体，形成拉杆与岩土相互作用，共同工作的体系。岩土锚固是岩土工程领域的重要分支。在岩土工程中采用锚固技术，不同于传统的岩土工程加固手段，它不仅能充分调用和提高岩土体自身的稳定性和强度，还可以大大节约结构物体积和自重，减小造价，并有利于施工安全和施工进度。锚固技术现已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程最经济最有效的方法之一。岩土锚固已在我国边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程，坝体、航道、水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得了广泛的应用。

随着我国大力兴建基础设施，特别是对交通、能源、水利和城市基础设施建设力度的加大，岩土锚固将展示出十分广阔的应用前景。

二，岩土锚固工程技术的现状

2.1锚杆的分类

目前工程中使用的锚杆有很多种，根据不同的标准可以有不同分类。按照锚杆和岩体的锚固方式，可分为黏结性锚杆、机械式锚杆和基地扩张式锚杆。根据一个钻孔内安装锚杆单元的数量，可分为单孔单一锚和单孔复合锚。按照是否预先施加张力可以分为预应力锚杆和非预应力锚杆。按照锚杆受荷后锚固段内的灌浆体的受力状态可分为拉力型锚杆和压力型锚杆。

2.2锚固系统可能的失效方式

锚杆在發挥作用时，荷载通过锚杆与灌浆体、灌浆体与岩体的相互作用传递到深层岩体中，根据锚固系统的组成与特点，锚固系统在承受荷载时可能以下列一种或几种形式发生破坏：

（1） 锚杆的强度破坏：发生这种破坏的可能原因是锚杆的设计或材料选用不当；

（2） 灌浆体被压碎或破裂：锚杆与砂浆的机械咬合作用导致砂浆中产生横向和轴向开裂，砂浆强度不足时易发生此种破坏；

（3） 周围岩土体破坏：可能由于岩土体强度太低或锚固段长度不够；

（4） 灌浆体与锚杆接触面破坏：是拉力型锚杆失效的主要形式之一，多数情况下是锚固长度不足导致的，也可能是因为注浆体强度较低。

（5） 岩土体与灌浆体接触面破坏：这种破坏多发生在软岩和土层，主要原因是围岩较软，接触面附近抗剪强度低。

2.3锚杆荷载传递机制的改善

大量的实验研究和实测结果证实，传统的拉力（集中）型或压力（集中）型锚杆受力时，其锚固长度上粘结应力分布是很不均匀的，当采用长锚固段时，粘结应力分布长度是有限的，粘结效应会呈现渐进性破坏现象。随着锚杆上荷载的增大，在荷载传至固定长度最远端之前，在杆体与灌浆体或灌浆体与地层界面上就会发生粘结效应逐步弱化或脱开的现象

为了从根本上改变拉力型锚固方法的弊端，冶金部建筑研究总院等单位成功研制了单孔复合锚固方法。该方法时在同一钻孔中安装几个单元锚杆，而每个单元锚杆有自己的杆体，自由长度和固定长度，而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的，并通过预先补偿张拉，而使所有单元始终承受相同的荷载，承载力可提高30%——200%。

2.4软土锚固取得重大突破

软土主要由细粒土组成，一般具有松软、含水率高、孔隙率大、压缩性高和强度低的特点，主要分布在沿海一带。改革开放以来，沿海地区高层建筑蓬勃兴起，并要求快速经济地建造一大批深基坑工程，它为软土锚固的发展提供了契机。

我国的软土锚固技术进步主要体现在三个方面：

1）采用可重复灌浆技术，大幅度提高了软土中锚杆的承载力。

2）基本掌握了软土中锚杆蠕变变形和预应力值变化的规律。对塑性指数大于17的软土（不包括淤泥）在锚杆荷载作用下的蠕变变形及锚杆荷载随时间的变化特性进行了较深入的研究，提出了一些基本认识。

3）在实践中，找到了控制软土基坑周边位移的若干有效方法，主要有：

①在地下水位较高的软土地层中开挖基坑，应设可靠的止水帷幕，组织坑边地下水的流失。

②适当加大桩墙结构尺寸和加密锚杆，以提高支护结构刚度。

③锚杆成孔采取“跳钻”，即在水平方向上每隔2——4个锚杆孔位钻孔，并随即完成扦筋、注浆作业，使单位时间内对单位体积土体的扰动范围降低到最小程度。

④土方开挖要分层实施，使荷载作用的应力调整缓慢发生。基坑周边应随开挖，随锚固，使无支承条件下坑边所暴露的时间尽可能少，所敞露的时间尽可能少，所敞露的面积尽可能小。

⑤当坑边有密集建（构）筑物时，可在建（构）筑物周边设置垂直向的微型桩，以改变应力传递途径，减少基坑周边位移对建（构）筑物的影响。

2.5锚固结构的长期工作性能

锚杆的长期工作性能一直困扰着岩土工程师们，特别是近20年来，我国岩土锚固技术在土木、水利水电、铁（水）路交通以及市政基础工程建设中取得了空前的广泛应用，其规模之大，应用量之多已跃居世界之首。因而研究岩土锚固的长期工作性能，对重大岩土锚固工程实施安全性评价，对安全度不足或出现病害的锚固工程采用有效的处理措施，对永久性岩土锚固工程的设计、施工、防腐以及岩土锚固工程标准制定等方面都具有重要的意义。

岩土锚固结构的使用寿命取决于锚杆的耐久性，对寿命的主要威胁则来自于氢脆和电化学腐蚀。

清华大学、重庆交通科研设计院以示范工程渝黔公路的一段岩土锚固结构实例进行腐蚀程度评估研究，将物元理论引入层次分析法，建立了包括锚固段（自由段）和锚头等岩土锚固结构腐蚀程度的多层次评估模型及其评估指标，并确定各项指标的评估标准和评估模型各部分的初始权重。

中冶建筑研究总院有限公司结合在长期荷载传递机制、长期性能和安全评价研究成果的基础上，提出了锚杆锁定荷载（初始预应力）变化量、锚杆现有承载力降低率、被锚固的岩土体和结构物变形速率以及锚杆的腐蚀损伤程度为主的安全控制指标；建立了包括风险源识别、长期性能检测、监测项目于方法、安全评价的临界技术指标以及安全度不足锚固工程的处治方法等项内容的安全评价模式。并对所收集到的国内外17项被检验的岩土锚固工程长期性能状况进行了分析研究，研究结果表明：具有足够安全度的锚杆设计、锚杆全长完善的防腐措施，采用能改善力学与化学稳定性的锚固结构、规范的锚杆验收试验、完善系统的长期性能检测盒维护管理体系是提高岩土锚固的长期性能、确保锚固工程的长期安全工作的主要途径和方法。

2.6岩土锚固的无损检测方法

岩土锚固具有隐蔽性，发现其质量问题比较困难，而一旦发生事故处理起来怎更难。要保证锚固系统的质量，除了需对其进行合理设计、施工之外，对岩土锚固工程的健康监测也必不可少。通过对岩土锚固系统的检测，在施工阶段可以验证并优化锚杆支护参数，保障施工安全；在锚固系统运营期间，可以实现对其安全状态的监测，评估。

目前，我国规范中规定的及实际工程中使用的锚杆锚固质量及受理状态监测方法是对其进行拉拔试验，锚杆拉拔试验在一定程度上可以反应其整体的抗拔性能，即可以确定锚杆的极限承载力、变形特性、设计合理性和施工质量等，但仅靠此来对锚固系统进行评定还是远远不够的，因为拉拔试验本身存在着如下问题：

首先，拉拔试验不能反映锚杆真实工作状态下的性能，不能确定锚杆各段的锚固力。当锚杆发挥作用时，其不同部段的功能是不同的，因此，锚固质量的好坏不但跟锚杆的整体抗拔力有关，还和各段的锚固能力有关。

其次，拉拔试验不能对锚杆的锚固质量作充分的肯定，如对于全长粘结式锚杆，对锚杆承载力起作用的是锚固段，而在拉拔试验中，张拉段与锚固段共同向外受力，会导致结果偏大，给人一种满足承载力的假象。

第三，拉拔检测手段既费工又费时，抽检的样本数十分有限，难免以偏概全，不能满足对锚杆进行大面积检测的需要。

最重要的是，拉拔试验是一种破坏性的检测方法，实际操作中会对经锚杆加固的岩体产生新的扰动，降低锚杆对围岩的加固作用，这对软岩或较破碎岩层尤为不利。

哈尔滨工业大学硕士研究生白金超提出利用计算机技术和物联网技术，构造出FBG-FRP锚杆及其智能检测系统，监测分为以下几个部分：（1）钻孔过程监测。通过位置和压力等传感器来记录钻入深度随时间、工作气压等参数的关系，结合地质勘探报告，可以分析围岩的力学性能。（2）锚固力监测。该文采用FBG传感器，此传感器具有耐久性好，抗侵蚀能力高等优点，且体积小、易布置；另外它还能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现多点线式分布测量。（3）锚固密实度监测。通过应力波的反射和透射特点，通过特定的传感器接收信号并传输进入计算机中进行分析，从而得出锚杆的长度和锚固状态。（4）围岩压力的监测。采用哈尔滨工业大学周智等基于光纤光栅传感器原理开发出的新型的光前光栅土压力传感器。该传感器具备FBG的优点，对岩土工程有着很好的适用性，另外其还具有温度自补偿和温度测量的功能。

三，岩土锚固的前进方向

为了适应工程建设的需要和推动本学科的发展，应紧紧围绕以下课题，展开科学研究和技术创新：1）新型锚固结构及其综合配套技术研发；2）岩土锚固结构与周围介质传力力学机制研究；3）地震、冲击、交变等动荷载作用下，岩土锚固结构力学性能及破坏机制研究；4）永久型岩土锚固工程长期性能评估及安全评价；5）岩土锚杆工厂化生产及其标准化建设。

参考文献

【1】 程良奎，岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报，2001，34（3）：7——16

【2】 程良奎，胡建林，张培文，岩土锚固技术新发展。工业建筑，2010年第40卷第1期

【3】 程良奎，张作眉，杨志银。岩土加固实用技术。北京：地震出版社，1994

【4】 陈奕奇，郭红仙，宋二祥，陈肇元，罗斌，唐树名。岩土锚固结构腐蚀程度的评估。岩石力学与工程学报，2007年7月第26卷第7期

【5】 白金超。巖土锚固的FBG-FRP锚杆及其智能监测系统。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，2008年7月

【6】 周智。系列光纤传感制品研制与开发及其工程应用。哈尔滨工业大学博士后研究工作报告。2006：59-62

【7】 徐年丰，陈胜宏。我国岩土预应力锚索加固技术的发展和存在的问题。水利水电快报，2001年，22