巖土工程中錨桿技術(shù)研究綜述

　　在巖土體開挖施工的過程中，由于卸載土體內(nèi)部應(yīng)力會(huì)重新分布，這時(shí)應(yīng)力場(chǎng)變化后內(nèi)力達(dá)到重新平衡，引起土體的變形，或是由于重分布后土體單元的應(yīng)力圓達(dá)到破壞線而導(dǎo)致坍塌。工程上產(chǎn)生的滑坡、巖崩、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害均是由于土體內(nèi)力場(chǎng)不利分布而導(dǎo)致[1]。為防止上述不良后果的產(chǎn)生，人們常用鋼筋或鋼絞線來作為抗拉材料，將其一端固定在巖層深部，一端錨固在巖體表面，來抵抗土體的變形，維持土體穩(wěn)定。這些用來加強(qiáng)土體的抗拉桿體稱為錨桿。錨固技術(shù)是巖土工程中的一個(gè)重要分支，近年來發(fā)展迅速，越來越受到學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視。最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用抗拉材料來加強(qiáng)土體自身的穩(wěn)定性。
　　錨桿與傳統(tǒng)的加固方法有著根本的不同：后者常常是被動(dòng)地承受破壞巖土體所產(chǎn)生的荷載，而前者可以主動(dòng)地加固巖土體，有效的控制其變形，防止巖土體的坍塌與破壞。并且還具有占用空間少、工作效率高、環(huán)境影響小、社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。
　　一、錨桿技術(shù)的應(yīng)用
　　早在上個(gè)世紀(jì)40年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)就已經(jīng)將錨桿應(yīng)用于井下隧道支護(hù)，在煤礦、金屬礦山、水利、隧道以及其它的地下工程中也廣泛地使用了錨桿支護(hù)[2]。
　　我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始在金屬礦、煤礦系統(tǒng)使用錨桿以來，目前在礦山、建筑、交通、水電和國(guó)防等工程領(lǐng)域中已大量地使用這項(xiàng)技術(shù)。例如在常見的大壩工程中，可以利用錨桿加固壩基和壩肩，還可對(duì)大壩進(jìn)行加高，并且更為重要的是，在采用錨固技術(shù)施工的同時(shí)，不必放空水庫，不用重修圍堰，也不會(huì)增加壩體重量，這對(duì)壩體的整體穩(wěn)定及抗震都極為有利；在支護(hù)大跨度地下洞室的頂拱或邊墻工程中，錨桿通常與壓力灌漿或鋼絲網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合使用；利用錨桿增加巖土邊坡尤其是高邊坡的穩(wěn)定性，這也是錨桿技術(shù)最為常用的地方；深基坑支擋工程和豎井工程已經(jīng)隧洞和隧道工程中也常常采用錨桿技術(shù)等；是20世紀(jì)80年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，把錨桿、噴射混凝土支護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量監(jiān)控、信息采集技術(shù)相結(jié)合，采用及時(shí)支護(hù)、分期施工全環(huán)封閉等一整套方法，充分發(fā)揮了圍巖自承能力的設(shè)計(jì)原則，已經(jīng)成功的應(yīng)用于地質(zhì)復(fù)雜的地下工程中[3-4]。
　　尤其在近幾十年以來，錨固技術(shù)就以其簡(jiǎn)便的工藝、廣泛的用途和良好的效益，在巖土加固領(lǐng)域中表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價(jià)值，幾乎已經(jīng)涉及到巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域。不過，當(dāng)前在施工方法上我國(guó)還是以水泥注漿的錨桿技術(shù)為主，雖然此類錨桿的成本較低，但就其應(yīng)用的性價(jià)比而言，仍然不及樹脂錨桿，其在發(fā)達(dá)國(guó)家的礦山工程和地下工程中已大量使用。對(duì)于樹脂錨桿的研究和應(yīng)用，我國(guó)與國(guó)外還有一定的差距[5-7]。
　　二、錨桿的錨固機(jī)理
　　（1）懸吊作用
　　該原理認(rèn)為通過錨桿支護(hù)，為不穩(wěn)定的巖土體提供足夠的拉力，將其懸吊于穩(wěn)定的巖土體之中，防止其離層滑落，從而維持工程穩(wěn)定。這種作用在地下工程錨固中表現(xiàn)尤為突出。
　　（2）組合梁作用
　　該原理把薄層狀巖體看成一種“梁”，在沒有錨固前，它們只是簡(jiǎn)單疊加在一起。在荷載作用下，單個(gè)“梁”的上下邊緣分別受壓和受拉，由于層間抗剪力不足，均會(huì)產(chǎn)生各自的彎曲變形，整個(gè)巖體的變形就比較大。但當(dāng)把錨桿打入到巖體一定深度后，相當(dāng)于用螺栓將它們緊固成組合梁，各層板便相互擠壓，層間摩阻力大為增加，巖體內(nèi)部應(yīng)力和撓度大為減少，這樣便增加了組合梁的抗彎強(qiáng)度。
　?。?）擠壓加固作用
　　T.A.Lang通過光彈試驗(yàn)證實(shí)了錨桿的擠壓加固作用，當(dāng)在彈性體上安裝具有預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈性體內(nèi)形成以錨桿兩頭為頂點(diǎn)的錐形壓縮帶，若將錨桿以適當(dāng)?shù)拈g距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮區(qū)相重疊，便形成了一定的連續(xù)壓縮帶。為說明錨桿對(duì)破碎巖土體的支護(hù)作用，我國(guó)冶金建筑研究總院等單位曾先后用碎石、混凝土碎塊作材料模擬破碎地層，然后采用錨桿加固，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加固后的模型承載力大為提高。這說明通過錨桿加固，即使毫無粘結(jié)力的碎石也能被加固成承受相當(dāng)大荷載的整體結(jié)構(gòu)，因此，錨桿這種擠壓作用在軟弱破碎巖體中能得到較大的發(fā)揮[8]。
　?。?）增強(qiáng)作用
　　該原理認(rèn)為針對(duì)節(jié)理密集破碎巖體，或是較為軟弱的土體，施加錨桿，相當(dāng)于在其內(nèi)部增加了筋骨，使其在抵抗外力的情況下表現(xiàn)成一個(gè)整體，從而增強(qiáng)了錨固區(qū)圍巖土體的強(qiáng)度。
　?。?）銷釘作用
　　錨桿穿過滑動(dòng)面時(shí)，所表現(xiàn)出的“阻剪抗滑”作用[9]。
　　三、錨桿摩阻力分析
　　錨桿錨固段及其周圍土體的摩阻力會(huì)直接影響承載力的大小。目前研究的手段主要有試驗(yàn)、數(shù)值模擬和解析解，下面著重對(duì)試驗(yàn)解和數(shù)值解進(jìn)行討論。通過試驗(yàn)可知，錨固力的增加與錨固長(zhǎng)度的增加并不完全成正比，隨著錨固段長(zhǎng)度的增加，錨固力的增加變慢。錨桿長(zhǎng)度有個(gè)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度，過長(zhǎng)則對(duì)承載力的增加沒有貢獻(xiàn)。在錨桿受力后，錨固段與圍巖間產(chǎn)生剪應(yīng)力。但這個(gè)剪應(yīng)力的峰值與錨桿承載力的峰值不是同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)承載力較小時(shí)，剪應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到峰值，此時(shí)錨桿的位移較小。當(dāng)錨桿的承載力達(dá)到峰值時(shí)，錨桿的位移較大。錨固段與圍巖間的剪應(yīng)力峰值大小與圍壓有關(guān)，圍巖越大則極限摩阻力越大。隨著錨固段的增長(zhǎng)，其與圍巖的平均摩阻力會(huì)減小，這也驗(yàn)證了靠增加桿長(zhǎng)來增加錨固力不是很經(jīng)濟(jì)。
　　四、存在的問題和研究方向
　　由于影響巖土體承載力和應(yīng)力傳遞的因素較多，任何研究都不能把所有的因素考慮到，因此對(duì)于巖土中錨固的研究不是很充分。以下幾個(gè)方面還需要提高，是未來錨固技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
　　1.錨固體上應(yīng)力分布規(guī)律沒有得到完全認(rèn)識(shí)。錨固體上的應(yīng)力是不均勻的，其峰值位置是變化的，但還沒有得到一個(gè)完滿的解析關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中仍然是做均勻分布的假設(shè)。
　　2.針對(duì)錨固體系及接觸介質(zhì)的力學(xué)性能研究不充分。錨固破壞主要在于錨固段與圍巖和桿體與注漿體之間的界面。如何充任認(rèn)識(shí)界面力學(xué)性質(zhì)，是研究人員今后的主要任務(wù)。