我国屈服锚杆现阶段发展概述

马 璇

(中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250002)

0 前 言

屈服锚杆，又被称为让压锚杆或者吸能锚杆。是在锚杆支护体系的实践应用中发展的新的支护形式，由于它深刻地反映了围岩和锚杆的相互作用关系，并且充分发掘围岩的自承能力，屈服锚杆对于软岩高地应力等复杂条件下的支护具有很好的效果，并且对于支护体系的未来发展开拓了道路，明确了锚杆支护体系的发展方向。

我国对于屈服锚杆的研究起始于20世纪80年代，理论研究实践成果自2007年开始丰富起来。对屈服锚杆自身力学性质的研究、对吸能锚杆与围岩协调性的研究、对吸能锚杆数值模拟方法的研究、对吸能锚杆的数值模拟分析，对屈服锚杆的现场试验研究等成果以及相关的发明专利都是呈现出雨后春笋的状态。在这样的背景下，就需要有人进行将这一阶段的研究成果进行整理汇总，并做一个研究方向的预测。本文通过查找阅读近年来我国关于屈服锚杆的大量的文献资料，期望可以对近年来屈服锚杆的研究进行分类，并以此引出屈服锚杆的发展方向。

屈服锚杆的让压目前主要通过两种方法来实现[1], 一种是直接提高锚杆杆体的延伸率, 把锚杆杆体本身做成可变形的让压结构, 但其让压参数很难控制且成本太高; 另一种方法是保持锚杆杆体本身不变, 通过增加让压管来进行卸压, 以达到在一定的压力范围之内控制锚杆应力变化, 提高锚杆杆体延伸率的目的。第二种方法在设计与使用上具有很大的优势，有很大的发展空间。

1 工程概况

青岛地铁1号线线路起自黄岛峨眉山路与长江路交叉口，沿长江中路、长江东路、滨海大道、跨海向北进入青岛主城区，之后沿费县路向东左转穿过青岛火车站广场，沿即墨路北侧、胶州路、和兴路、人民路、回流南路、胶济铁路东侧、仓安路、兴华路、重庆路、风岗路、中城路、209省道终至东郭庄(S209和青新高速交叉处西南处)。

2 屈服锚杆支护结构的力学特性的研究

2.1 屈服锚杆的应力应变曲线

连传杰等[2](一种新型让压管锚杆的变形特性及其支护作用机理分析)通过分别对普通高强锚杆与对应的让压锚杆进行拉拔试验得到了让压锚杆的应力应变曲线(如图1所示)及其与普通高强锚杆的对比分析。将让压锚杆的应力应变曲线分为5个阶段：OA阶段、AB阶段、BC阶段、CD阶段、DE阶段，并分别分析了各个阶段的特征及其与普通锚杆弹塑性应力应变关系的差异性。

图1 锚杆的拉拔试验曲线

单仁亮等[3]采用能量分析法将让压锚杆的荷载-位移曲线划分为弹性阶段、让压阶段和塑性强化阶段，分别推出三个阶段让压锚杆的能量本构方程以及围岩作用下的能量方程，近似求解让压锚杆和普通锚杆在弹性极限荷载、承载力极限以及围岩共同作用条件下的支护性能。这些研究成果对于对屈服锚杆的力学性质的定量具有重要的意义，对于支护结构的参数设计也有一定的启发。

2.2 高强让压锚杆与高强锚杆的分析比较

高强锚杆虽然可以在支护体系中提供很强的拉力，但是在高地应力软岩等复杂工程地质条件下，锚杆的安全系数和变形安全系数都比较小，另外，在比较小的动荷载作用下，高强锚杆就比较容易破坏，从而造成灾难性的后果。而从能量的角度上，这种现象很容易理解：巷道等的开挖过程就是一个地应力释放的过程，也就是一个能量释放的过程，而锚杆支护结构就是为了维护巷道等的稳定性而设置的耗能结构，锚杆支护结构的耗能量就等于锚杆的拉力与锚杆的位移的乘积，那么提高锚杆的强度就是提高锚杆所承受的拉力，但是如果没有同时提高锚杆的最大变形量的话，那么锚杆支护的最大耗能量的提高就仅仅依赖于锚杆的强度的提高，而锚杆的强度的提高是有限的，并且很不经济。而高强让压锚杆可以提供一个比较大的变形量，荷载达到让压点后，让压锚杆可以有一个能够人为控制的变形量，在这个变形空间中，围岩与锚杆共同耗能，并且围岩同时可以完成自身的内力重分布过程，使得应力集中区域向深部岩体移动。另外，由于让压点的可控制性，锚杆的受力就可以保证在弹性范围之内，从而提高了锚杆的强度安全系数和变形让压安全系数，保证了支护结构的安全性[4]。

此外，在承受动荷载方面，高强让压锚杆具有很大的优势。实践应用表明，普通高强锚杆在冲击型巷道冲击矿压的作用下表现很差，在增加锚杆的强度和密度后，情况依然没有明显的改观。而高强让压锚杆因为具有主动的让压机制，可以有效地引导控制能量的释放和转化，可以有效地将能量消耗，从而保证支护体系和围岩的稳定性[5]。

2.3 让压锚杆与围岩共同作用的协调性研究

巷道等开挖后，围岩按照其破坏程度可以分为四个区，如图2所示[6]。

图2 圆形巷道围岩破坏示意图

松动圈为完全破坏的岩体，完全丧失了结构承载能力；塑性区具有一定的变形能力，能承受一定的外部荷载；弹性区是受开挖影响较小或不受开挖影响而能承受较大外荷载的区域；最外层则为原岩应力区。

让压锚杆支护的目标就是要使锚杆支护系统适应围岩应力和变形的特性：一方面锚杆支护系统应该保证围岩基本在弹性和弹塑性范围内，另一方面支护系统的变形特性必须适合围岩变形特性的要求[7]。对于高强让压锚杆与围岩的作用关系的研究比较多。高强让压锚杆可以改善围岩的应力分布，使围岩的应力集中区域向深部岩体移动，控制围岩的松动圈和塑性区的发展，从而使巷道围岩的变形量明显减少，从而可以减小锚杆所承受的荷载，避免锚杆过早地进入屈服，对锚杆支护体系有很好的保护作用[2,8-9]。

以锚杆支护为核心的新奥法的基本原理就是充分利用和发挥围岩的自承能力[10]。而屈服锚杆将这一基本原则又进一步应用。本文认为，围岩应该作为主要的承力结构，而锚杆支护等应该是为配合围岩承力到达新的平衡状态的辅助手段，屈服锚杆就很好地表现了这一基本思想，在它的作用下，围岩可以有一个较大的变形，在这个变形的过程中，围岩可以完成自身的应力重分布，从而达到充分发挥围岩各部分的承载能力的效果，而不是围岩应力集中的地方就被破坏。在结构设计中，有一种思想就是利用钢筋混凝土结构应力重分布，比较典型的是超静定结构中的梁，当某一截面的钢筋达到屈服后，就会产生塑性铰，如果荷载继续增加，那么这个截面的弯矩不再增加，而其他截面的弯矩就会相应地增加，这样就可以使我们在梁的内部均匀布置钢筋，并可以充分发挥材料的性能。同样，在围岩的支护结构中我们也可以利用这个原理，只不过不是用在支护结构上，而是用在围岩上，因为围岩应该作为主要的承力结构，尤其是在高地应力区域。如果我们有办法可以改善围岩的应力集中，将围岩的应力集中区域后移至围岩的弹性区域，那么整个支护结构的效果就会非常好。

2.4 屈服锚杆的数值模拟方法的研究

随着屈服锚杆的发展，对于屈服锚杆的数值模拟方法的需求越来越迫切，国内有一些学者致力于屈服锚杆的数值模拟方法的研究，并取得了一些成果：连传杰等[11]建议了一种考虑高预应力让压锚杆锚芯与岩石间剪切破坏作用的三维锚杆计算模型，并开发了相应的有限元程序。由于采用2节点三维杆件单元和4节点三维锚杆单元模拟高预应力让压锚杆，使得所建议的模拟方法适用范围更加广泛，可以用于锚索模拟、一般锚杆模拟和抗滑桩等桩结构模拟，且能够很好地模拟高预应力让压锚杆的力学特性。江文武等[12]通过用三维快速拉格朗日法进行数值模拟并与现场试验结果分析比较得出：三维快速拉格朗日法计算的结果和现场试验得到的结果基本吻合, 表明采用三维快速拉格朗日法分析锚杆拉拔过程是可行的。

3 屈服锚杆的支护参数设计研究

为了满足工程实践的需要，使得屈服锚杆的设计具有安全性、适用性、经济性，屈服锚杆的参数设计研究对于将关于屈服锚杆的最新研究成果应用到工程实践中具有至关重要的作用。所以提出一整套屈服锚杆的设计理论和设计方法用以指导工程实践应用，是非常急迫的。

对于锚杆数量的确定，单仁亮等[3]从巷道整体能量平衡出发，提出了相应的计算公式。在求得围岩运动释放的能量后，便可由此公式求得锚杆的根数。另外，还提出了巷道预留空间的计算方法，提出了锚杆长度和间距的计算公式，推进了锚杆参数设计的理论研究进程。

对于让压点的确定，国内大部分学者都是从锚杆自身出发，将让压点控制在小于使锚杆发生屈服的荷载的范围内，本文认为让压点的确定与围岩具有很大的关系，应该充分研究围岩的弹塑性力学性质，在此基础上确定让压点，然后再根据让压点来确定锚杆的强度要求。

对于最大让压距离，连传杰等[2,13]对让压距离与支护强度的关系以及让压距离对锚杆支护性能的影响做了深入地探讨，为设计最大让压距离提供了思路。

4 总 结

经过大量的研究与实践，我国的屈服锚杆支护体系的支护机理有了深层次的发展，认识水平由之前的强调锚杆的高强度高刚度到现在的让压耗能，体现了我国学者对锚杆的认识提升到了能量这一层面上，随着研究的进一步深入，屈服锚杆的支护参数设计的理论公式在不久的将来必将会被提出来，从而会大大地促进屈服锚杆的实践应用和理论研究发展。

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