全长粘结型锚杆锚固力影响因素浅析

2021-07-06王彬鑫张国平叶鑫儒

四川建筑 2021年3期

王睿，谢琪，王彬鑫，张国平，叶鑫儒

(四川师范大学工学院，四川成都 610101)

1 全长粘结型锚杆

全长粘结型锚杆是一种采用水泥基或树脂基浆液将其完全包裹于钻孔中的锚杆，因具有较高的支护刚度、良好的承载及防腐性能，已被广泛应用于隧道、基坑和边坡等岩土工程[1]。锚固系统作为由锚杆、锚固剂和围岩体共同组成连续机械耦合系统，通过锚固剂将锚杆与围岩体黏结一起，依靠界面应力传递使围岩体得到加固，黏结效果最终在工程中表现为锚固力[2]。

国内外学者对锚杆锚固力的影响因素进行了大量研究。孙洋等[3]指出围岩开挖后其塑性区范围较大，锚杆设计长度通常未穿过塑性区，从而造成锚杆锚固长度不足；康红普等[4]研究表明锚杆螺纹显著改变了应力分布，在螺纹牙底处出现明显的应力集中，螺纹规格、形状与参数直接影响其承载能力；吴拥政等[5]研究表明由于加工原因，螺纹部分与杆体不等径，变径导致螺纹部分局部产生2～3倍应力集中，导致锚杆受力恶化甚至断裂；杨振茂等[6]指出钻孔直径与锚杆直径相差过大或过小都会导致锚固力很低；曹平等[7]探讨了在边坡支护中锚杆布设位置对锚固性能的影响。

综合上述研究，可知已有的研究方向大多从单一角度出发，少见对锚固力影响因素的综合分析与评述，因此本文将基于对全长粘结型锚杆破坏模式的分析，广泛调研与分析全长粘结型锚杆锚固力的影响因素，以期为提升锚杆支护工程质量提供参考。

2 全长粘结型锚杆破坏模式分析

锚固力作为影响锚杆锚固作用的重要参数之一，可通过拉拔试验测出锚固力的临界值。而当施加的拉拔力达到锚杆锚固力的临界值时，锚固系统不同的部位可能出现由于其本身或者两者之间接触面的强度不够从而造成的破坏状态。

这种破坏状态可以主要归纳为以下五种情况——“三体两面”，如图1所示：其中图1(a)表示锚杆和锚固剂界面上因粘结强度不足造成的破坏，当采用光圆锚杆、锚固长度过短等情况下容易发生此种破坏模式；图1(b)表示围岩和锚固剂界面上因抗剪强度不足造成的破坏，这种破坏模式与锚孔的粗糙程度和围岩强度有关，一般多发生在围岩条件比较差的软岩和破碎岩体条件下；图1(c)表示锚杆杆体强度不足造成的破坏，这种破坏模式主要发生在锚杆杆体产生锈蚀或者杆体自身有缺陷的情况下；图1(d)表示锚固剂自身因强度不足或缺陷所造成的破坏，一般发生在锚固直径较大的条件下，同时围岩与锚固剂界面、锚杆与锚固剂界面以及围岩内部都具有较高的抗剪强度；图1(e)表示围岩体内部因强度不足或缺陷造成的破坏，当围岩弹性模量过小的情况下易发生此种破坏模式。

图1 锚固系统发生失效的几种常见形式

通过对以上五种破坏形式的深入了解，可以发现造成锚固系统五种主要的破坏形式分别有其不同的影响因素，主要涉及到锚固长度、围岩强度、锚固直径、锚孔粗糙程度以及锚杆自身质量问题等方面对锚固系统所产生的影响，本文从中选取部分在工程中起到关键作用并且具有一定深入研究意义的因素再加上国内外专家学者们所做出的具有影响力的实验成果进行了总结归纳，旨在从不同的方面进行进一步的完善和优化，从而使锚杆锚固力达到临界值时的拉拔力有突破性的提升，避免因存在薄弱环节而引起的锚杆锚固力不足，最终达到锚杆锚固系统能力整体提高的目的。

3 锚固力影响因素浅析

锚固力是锚杆拉拔过程中的最大承载力。锚杆类型、施工工艺和岩体结构状态综合影响其大小。锚杆的受力和机理严重影响锚杆的质量和效果，这些因素不容忽视。

3.1 材料方面

3.1.1 锚杆的长度

锚杆长度作为锚杆的基础性质之一，在锚固系统中起到不可或缺的作用，如果锚杆长度不够，在土体内的锚固深度不足,锚固就无法达到设计要求的锚固力；然而锚固长度过长又会造成资源浪费，加大运输、施工的难度，增加造价。

张京等[8]通过实验研究表明，在一定范围之内增加锚杆的长度可以提高锚杆的锚固力，但是其最大锚固力不应超过锚杆材料的极限抗拔力。在长度方向上，随着锚杆长度的增长，有效压应力的范围扩大，应力分布更加均匀。所以，如果适当增加锚杆长度以扩大有效压应力区，围岩将更加稳定[9]。

3.1.2 螺纹肋间距

螺纹的起伏与粘结物间的剪胀、挤压等作用，明显增大了锚固的强度。对此，国内外的学者对锚杆采用不同的肋间距从而对锚固力产生的不同影响进行了大量专业的实验研究。

澳大利亚Jalalifar[10]、Aziz[11]和赵文卓等[12]研究了锚杆肋间距对锚固力的影响，并验证了锚杆在24 mm、25 mm时锚固力达到最大值。吴涛等[13]对肋间距为12 mm、24 mm、36 mm、48 mm的螺纹锚杆进行试验，如图2、图3所示，得出：肋间距的增加有助于提高锚固试件的拉拔力，并且锚固试件拉拔力随肋间距的增加呈近似线性增长趋势。通过研究15 mm、20 mm、25 mm螺纹间距对应力分布的影响，叶根飞[14]得出锚杆表面螺纹高度越高，螺纹间距越小，锚杆轴力在锚固始端的分布就越集中，锚杆的抗拉拔性能越好。

图2 不同肋间距的锚杆

图3 在厚度为4.5 mm的套筒内的锚固力影响曲线[12]

3.1.3 砂浆的配合比

锚固段的粘结强度与围岩土体和砂浆体的强度有关[15]，而水灰比的选择对砂浆体的强度有着举足轻重的作用。

Kilic[16]研究了灌浆体特性在对锚杆抗拔力的影响。试验分别对0.34，0.36，0.38，0.40不同水灰比下锚固体的承载力进行比较。结果表明：不同水灰比对承载力影响较大，锚固体承载力随着砂浆弹性模量和抗剪强度的增加而增加。侯伶聪[17]通过注浆实验得出结论：水灰比过大或过小都会影响注浆作业的正常进行，并会导致锚固效果不佳。Nakayama[18]和Goris[19]对钢筋和水泥砂浆之间的粘结强度和锚杆支护进行了试验，得到结论：水泥砂浆性质，特别是水灰比，是影响锚杆承载力的主要因素之一。

这些对砂浆配合比的研究工作表明：水灰比对锚杆锚固力的影响很大，所以为保证锚固系统的安全性，必须要严格控制砂浆的配合比。

3.2 结构方面

3.2.1 锚固体的直径(钻孔直径)

由于锚杆锚固段的荷载传递路径大致是：锚杆体—锚固体—围岩体，可见锚杆的锚固质量与锚固体有一定关系，而锚固体直径正是锚固体的重要参数之一，故值得研究分析。

下述3人的研究表明，锚固体的直径对于锚固系统的安全性有着至关重要的作用，若适当增大锚杆直径，可使边坡工程、隧道工程等工程中的锚固系统更为完善与安全。张京[20]比较了不同直径锚固体的剪应力和轴力分布曲线(图4、图5)，叶根飞[21]分析了锚固体直径与极限抗拔力之间的关系曲线，得出了结论：通过增大钻孔直径，锚固效果会更好。此外，郑新秀[22]还进行相应的参数分析：在无拉拔荷载作用下，土体膨胀导致锚杆出现位移、轴力及中性点，膨胀土中锚杆的极限承载力随着钻孔直径的增大而增大。综上，该因素的影响力不容忽视。

图4 不同钻孔直径下剪应力分布曲线

图5 不同钻孔直径下轴力分布曲线[8]

3.2.2 锚固的长度

据锚固长度的大小，锚杆的锚固方式分为：端部锚固、加长锚固及全长锚固三种，然后，锚固长度也可作为一种影响因素被研究探讨，继而为锚杆支护设计提供一定参考。由于锚固系统的复杂性与多样性，不同的学者有其自己的研究探讨，但不可忽略的是锚固长度对整个锚固系统的重要作用，且锚杆长度的选取应该符合条件：既能充分发挥锚杆的作用，也能获得经济合理的锚固效果。

毛筱霏[23]等人及李海洋[26]研究锚固长度对锚固体应力分布的影响。研究结果表明：通过增加锚固体长度可以实现锚杆锚固力的增加(图6、图7)。另外，肖同强等[24]通过试验分析得出：不同锚固长度下引起的锚杆锚固破坏模式不同。在锚固长度逐渐增加的过程中，锚固失效形式发生变化，从锚固界面滑移脱黏失效到锚杆破断失效。锚杆抗拔力随其长度增加而增大。王洪涛等[25]研究者从围岩角度分析了不同锚杆锚固长度作用下的围岩的应力，并得出在施加高预警力的基础上，留设适当的自由段长度，更有利于锚固作用的发挥，但其长度不宜过短。以上，选取合适的锚固长度是一个非常关键的因素。

图6 不同锚固长度时剪应力分布[23]

图7 全长锚固拉拔力实验布置[26]

3.3 围岩方面

锚杆的围岩应力环境复杂多变，锚杆和岩体锚固在一起相互作用、共同工作，两者间的联系十分紧密，为了提高锚固系统的可靠性，应该结合围岩应力条件等因素进行相关研究分析，因此不同的围岩条件会对锚固系统的安全性起到不同的作用。

王小坡等[27]采用注浆加固围岩、锚杄锚索耦合作用等方式来支护围岩，改变了围岩的应力状态。通过一系列实验得出：围岩应力状态的变化可以有效减小对锚固的破坏。针对不同的围岩应力条件及支护要求，合理选择锚固形式更利于提高支护安全性能。另外，盛欢[28]及李海洋[29]分别基于拉拔试验和剪切-滑移模型的分析：如图 8所示，锚杆锚固力的提高离不开围岩的坚硬完整性。根据以上结论，围岩的坚硬程度对锚固力的影响工程作业相关人员应当给予高度重视。