巖土工程中錨桿技術研究

　　巖土體開挖施工的過程中，由于卸載土體內部應力會重新分布，這時應力場變化后內力達到重新平衡，引起土體的變形，或是由于重分布后土體單元的應力圓達到破壞線而導致坍塌。工程上產生的滑坡、巖崩、地面沉降等地質災害均是由于土體內力場不利分布而導致[1]。為防止上述不良后果的產生，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。這些用來加強土體的抗拉桿體稱為錨桿。錨固技術是巖土工程中的一個重要分支，近年來發(fā)展迅速，越來越受到學者和工程技術人員的重視。最大的優(yōu)點是能夠使用抗拉材料來加強土體自身的穩(wěn)定性。
　　錨桿與傳統(tǒng)的加固方法有著根本的不同：后者常常是被動地承受破壞巖土體所產生的荷載，而前者可以主動地加固巖土體，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、社會效益顯著等優(yōu)點。
　　一、錨桿技術的應用
　　早在上個世紀40年代，美國和前蘇聯(lián)就已經將錨桿應用于井下隧道支護，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[2]。
　　我國自20世紀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、水電和國防等工程領域中已大量地使用這項技術。例如在常見的大壩工程中，可以利用錨桿加固壩基和壩肩，還可對大壩進行加高，并且更為重要的是，在采用錨固技術施工的同時，不必放空水庫，不用重修圍堰，也不會增加壩體重量，這對壩體的整體穩(wěn)定及抗震都極為有利；在支護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，這也是錨桿技術最為常用的地方；深基坑支擋工程和豎井工程已經隧洞和隧道工程中也常常采用錨桿技術等；是20世紀80年代后，隨著計算機技術的廣泛應用，把錨桿、噴射混凝土支護和現(xiàn)場測量監(jiān)控、信息采集技術相結合，采用及時支護、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計原則，已經成功的應用于地質復雜的地下工程中[3-4]。
　　尤其在近幾十年以來，錨固技術就以其簡便的工藝、廣泛的用途和良好的效益，在巖土加固領域中表現(xiàn)出了極大的應用價值，幾乎已經涉及到巖土工程的各個領域。不過，當前在施工方法上我國還是以水泥注漿的錨桿技術為主，雖然此類錨桿的成本較低，但就其應用的性價比而言，仍然不及樹脂錨桿，其在發(fā)達國家的礦山工程和地下工程中已大量使用。對于樹脂錨桿的研究和應用，我國與國外還有一定的差距[5-7]。
　　二、錨桿的錨固機理
　?。?）懸吊作用
　　該原理認為通過錨桿支護，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，它們只是簡單疊加在一起。在荷載作用下，單個“梁”的上下邊緣分別受壓和受拉，由于層間抗剪力不足，均會產生各自的彎曲變形，整個巖體的變形就比較大。但當把錨桿打入到巖體一定深度后，相當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，巖體內部應力和撓度大為減少，這樣便增加了組合梁的抗彎強度。
　?。?）擠壓加固作用
　　T.A.Lang通過光彈試驗證實了錨桿的擠壓加固作用，當在彈性體上安裝具有預應力錨桿時，發(fā)現(xiàn)彈性體內形成以錨桿兩頭為頂點的錐形壓縮帶，若將錨桿以適當?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。為說明錨桿對破碎巖土體的支護作用，我國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，即使毫無粘結力的碎石也能被加固成承受相當大荷載的整體結構，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]。
　?。?）增強作用
　　該原理認為針對節(jié)理密集破碎巖體，或是較為軟弱的土體，施加錨桿，相當于在其內部增加了筋骨，使其在抵抗外力的情況下表現(xiàn)成一個整體，從而增強了錨固區(qū)圍巖土體的強度。
　　（5）銷釘作用
　　錨桿穿過滑動面時，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直接影響承載力的大小。目前研究的手段主要有試驗、數(shù)值模擬和解析解，下面著重對試驗解和數(shù)值解進行討論。通過試驗可知，錨固力的增加與錨固長度的增加并不完全成正比，隨著錨固段長度的增加，錨固力的增加變慢。錨桿長度有個經濟長度，過長則對承載力的增加沒有貢獻。在錨桿受力后，錨固段與圍巖間產生剪應力。但這個剪應力的峰值與錨桿承載力的峰值不是同時出現(xiàn)。當承載力較小時，剪應力已經達到峰值，此時錨桿的位移較小。當錨桿的承載力達到峰值時，錨桿的位移較大。錨固段與圍巖間的剪應力峰值大小與圍壓有關，圍巖越大則極限摩阻力越大。隨著錨固段的增長，其與圍巖的平均摩阻力會減小，這也驗證了靠增加桿長來增加錨固力不是很經濟。
　　四、存在的問題和研究方向
　　由于影響巖土體承載力和應力傳遞的因素較多，任何研究都不能把所有的因素考慮到，因此對于巖土中錨固的研究不是很充分。以下幾個方面還需要提高，是未來錨固技術的研究熱點。
　　1.錨固體上應力分布規(guī)律沒有得到完全認識。錨固體上的應力是不均勻的，其峰值位置是變化的，但還沒有得到一個完滿的解析關系。在實際應用中仍然是做均勻分布的假設。
　　2.針對錨固體系及接觸介質的力學性能研究不充分。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。如何充任認識界面力學性質，是研究人員今后的主要任務。