锚杆锚固深度对锚固效果影响研究

曹得占

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430071)

1 概述

岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆(索)(以下统称锚杆)，将结构物与地层紧紧地联锁在一起，依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固，从而增强被加固岩土体的强度，改善岩土体的应力状态，以保持结构物和岩土体的稳定性。岩土锚固作为一种实用性强的工程加固技术已经成为解决岩土工程稳定性问题最有效的手段之一，在边坡工程、隧道工程、采矿工程及基坑工程等领域得到了广泛的应用［1-6］。

尽管锚固技术在工程中应用较早，但理论方面的研究却起步较晚，经过众多学者数年的研究，锚固理论已经取得了一定的成果，对锚杆荷载传递机理的研究，国内外主要从荷载由锚杆转移到灌浆体的力学机理及灌浆体与钻孔孔壁间的力学机理方面进行研究。但锚杆(索)加固机理仍是一个没有统一认识的问题，也缺乏行之有效的、合理的计算方法。现有的各种模型仍存在不少显而易见的不足，理论和数值分析与实际情况出入较大。因此，目前锚固深度对锚固效果影响研究远远滞后于工程应用，需要进一步研究［7，8］。

中风化泥质粉砂岩是指颗粒粒径在0.05 mm～0.005 mm 范围内质量大于该岩石总质量一半的一种碎屑岩，中风化的岩石裂隙比较发育，沿裂隙有较多的次生矿物生成，次生矿物质量大于岩石总质量的10%，岩体强度较岩块强度已明显降低，因此在工程上往往需要通过在中风化泥质粉砂岩埋设锚杆(索)，来加强风化岩的强度，并将结构物与地层紧紧地联锁在一起研究中风化泥质粉砂岩中锚杆锚固深度对锚固效果影响具有重大的现实意义。

2 数值模拟方案

2.1 计算方法

为了模拟不同锚固深度对锚固力的作用影响，在锚杆端头施加一个很小的速度，采用sel node ini 命令实现;通过history 命令监测锚头的力及其位移，从锚固力与位移关系确定锚杆的锚固力。

2.2 计算工况

为了研究锚固深度对锚杆的锚固力作用效果，采用了3 m，4 m，5 m，6 m，7 m，8 m 等6 种锚固深度，钢筋直径为32 mm 模拟方案。

2.3 计算参数

中风化泥质粉砂岩物理力学参数取值根据室内试验结果获得，参数取值如表1 所示。Cable 单元的参数取值参照经验公式与经验参数获得，其锚杆试验参数取值如表2 所示。

表1 岩体物理力学参数

表2 锚杆试验参数

图1 锚杆锚固力与位移关系曲线

3 斜坡对桩基极限承载力的影响

对于斜坡地基，由于斜坡的存在和影响，当荷载增大到一定程度时，斜坡上开始出现塑性区，并不断地向桩身一侧扩展，最终形成滑动面，即斜坡达到破坏状态，桩和地基将不能再承受更大的荷载，此为斜坡桩基的极限承载力。以下将分析不同坡度、临坡距条件下桩基极限承载力的变化规律和影响因素。

3.1 锚固力与位移关系

通过数值计算，锚杆锚固力与位移关系曲线见图1。

从这些关系可以确定，在没有考虑锚固体摩擦作用的前提下，锚固深度对锚固力的提高没有什么很大的作用，锚固力大小差不多，因此，可以利用现场试验结合数值试验确定最优的锚固深度，既可以达到最好的锚固效果，又节约投资。

3.2 剪应力分布规律

以A1-1 模拟方案为例说明，锚杆剪应力分布图如图2 所示。剪应力在锚固段0 m～3 m 近似呈抛物线形分布，在近端内出现最大剪应力。随着锚固力的增加，近端锚固体剪应力峰值出现后，并在近端出现锚固体屈服，后段锚固体的剪应力并逐渐减小，向远端逐渐发展。剪应力分布特征，与多数文献的数值分析结果以及实验结果基本一致。其他模拟方案的剪应力分布特征类似。

图2 A1-1 模拟方案锚杆剪应力分布图

将其他模拟方案锚固体剪应力与锚固深度关系整理，如图3所示。从图3 中可以看出，在锚杆近端锚固体的剪应力均达到峰值，并出现了剪切破坏。随着锚固深度的增加，锚固深度1 m 以后的剪应力差别有一定的区别，特别是锚杆锚固深度大于5 m 以后，锚固深度1 m 以后的剪应力差别不甚明显，所以从剪应力分布曲线可以看出锚固体主要提供抗拔力作用的最优锚固深度在3 m～5 m 之间。

图3 不同模拟方案剪应力与锚固深度的关系曲线

3.3 轴力分布规律

以A1-1 模拟方案为例说明，锚杆轴力分布图如图4 所示。

从图4 中可看出，锚杆的轴力分布近似抛物线分布，在锚杆近端轴力分布最大，随着锚固深度y 的增加而逐步减小。因此锚杆的最大锚固力取决于锚杆本身的极限抗拉强度与锚固体的粘结强度。其他模拟方案锚杆的轴力分布特征与此类似，整理上述六种轴力分布特征曲线，如图5 所示。从图5 可以看出，随着锚固深度的增加，锚杆轴力的分布有一定的差别，但是当锚固深度增加到5 m 以后，锚杆轴力的分布不甚明显。所以，锚杆发挥主要作用的锚固深度在3 m～5 m 之间。

图4 A1-1 模拟方案锚杆轴力分布图

图5 不同模拟方案轴力与锚固深度的关系曲线

4 结语

对于中风化泥质粉砂岩中的锚杆，随着锚固深度的增加，锚杆轴力的分布有一定的差别，但当锚固深度增加到5 m 以后，锚杆轴力的分布不甚明显。在没有考虑锚固体摩擦作用的前提下，锚固深度和锚固力的提高并不明显，在工程设计中可利用现场试验和数值模拟相结合的方式确定最优的锚固深度，达到最好的锚固效果和经济效益。随着锚固深度的增加，锚固深度大于1 m 的剪应力差别有一定的区别，特别是锚杆锚固深度大于5 m 以后，锚固深度1 m 以后的剪应力差别不甚明显，所以从剪应力分布曲线可以看出锚固体主要提供抗拔力作用的最优锚固深度为3 m～5 m。

［1］韩立军，张茂林.岩土加固技术［M］.北京:中国矿业大学出版社，2005.

［2］苏自约，闫莫明.岩土锚固技术与工程应用［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］狄运超，唐春华.锚固技术在工程改造或加固中的应用［J］.水利规划与设计，2011(2) :26-28.

［4］白绍苓.岩土锚固工程的现状与发展探究［J］.城市建设理论研究(电子版)，2012(3) :7-8.

［5］齐俊铭，李 农，侯端明.锚杆支护现状及其发展趋势［J］.山东煤炭科技，2011(3) :162-164.

［6］程良奎.岩土锚固的现状与发展［J］.土木工程学报，2001，34(3) :7-12.

［7］张乐文，汪 淰.岩土锚固理论研究之现状［J］.岩土力学，2000，23(5) :627-631.

［8］王志强，蔡永海.煤巷锚杆支护技术的探讨［J］.煤炭技术，2006，25(8) :127-128.