昔格達土質邊坡錨桿技術綜述

王 偉，陳 偉，汪 杰, 李林澤

(1.西華大學建筑與土木工程學院，四川成都610039; 2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花617000)

昔格達地層是指廣泛分布于攀西地區安寧河、金沙江、大渡河、雅礱江河谷的一套灰綠色、灰白色、淺黃色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及粉細砂巖互層。該地層形成時代較新，先期固結壓力較小，沒有完成沉積成巖作用，故為一套弱膠結半成巖地層。該地層表現出似土非土、似巖非巖的物理力學特征。正是這種獨特的物理力學特征導致了其具有強度低、穩定性差、易滑等工程地質特征[1]。目前，在攀枝花地區，錨桿已運用到擋墻、基礎、邊坡治理等工程中，這種方法已得到了廣泛的認同，形成了較為完善的施工工藝。隨著攀西地區建設的不斷發展，錨桿支護技術必將得到更廣泛的應用。

1 昔格達土質邊坡常用錨桿類型

目前國內外使用的錨桿種類已有數百種之多，但在攀西地區昔格達土質邊坡工程中常用的錨桿種類還是有限的。通常可以按是否預先施加應力、按錨固方式以及按錨固形態進行分類。

1.1 預應力錨桿和非預應力錨桿

預應力錨桿是指錨固后施加一定的外力，使錨桿處于主動受力狀態。預應力錨桿的設計和施工比非預應力錨桿要復雜一些，目前在公路邊坡中廣泛采用該錨桿加固技術(圖1、圖2)。非預應力錨桿是指錨桿加固后不施加外力，錨桿處于被動受載狀態，如板肋式錨桿擋墻、錨板護坡等結構中通常采用非預應力錨桿[2]。

圖1 攀枝花大道大河南路改線道路建設工程預應力錨桿結構

圖2 攀枝花大道大河南路改線道路建設工程預應力錨桿施工

1.2 錨桿錨固不同的方式

頂端局部錨固式(點負荷方式)，通常的預應力錨索多采取這種錨固方式；通長全面粘結式(全長固結式)，普通砂漿錨桿即屬于這一類，它在昔格土質邊坡工程中應用的最為廣泛(圖3)；局部粘結式，介于前兩種錨固方式之間的一種錨桿。

圖3 攀枝花東區半山康城項目土質邊坡全長粘結式錨桿施工

1.3 不同的錨固形態

按錨固形態可以分為圓柱型錨桿、端部擴大型錨桿和連續球形錨桿，這幾種錨桿在昔格達土質邊坡錨固工程中應用相對較少。圓柱型錨桿是國內外早期發明的一種錨桿形式，這種錨桿的承載力主要依靠錨固體與周圍巖土介質間的粘結摩阻強度提供；端部擴大頭型錨桿是為了提高錨桿的承載力而在錨固段最底端設置擴大頭的錨桿，錨桿的承載力由錨固體與土體間的摩阻強度和擴大頭處的端承強度共同提供；連續球形錨桿是利用設置于自由段與錨固段交界處的密封袋和帶有許多環圈的套管，對錨固段需二次或多次灌漿處理，使錨固段形成一連串球狀體，從而提高錨固段與周圍土體間的錨固強度[2]。

2 土層錨桿破壞形態分析

(1)土體和注漿體之間的粘結性破壞：當錨桿能夠承受的極限拉力遠遠大于錨固段土層和注漿體之間的摩擦力時，就會發生注漿體和錨桿一同被拔出來的現象；土體和注漿體之間的粘結性破壞發生的頻率比較高，屬于常見的破壞類型[3]。

(2)注漿體與錨桿桿體之間的粘結性破壞：由于錨桿滑面處的粘結力不足，當滑面處的剪切力達到桿體與注漿體之間能夠承受的最大值時，桿體與注漿體之間就會發生相對滑動，剪切力以漸進的方式向錨固段遠端傳遞；隨著錨桿承受荷載值不斷的增加，結合應力沿錨固長度以類似于摩擦樁的方式轉移，最終因為錨桿不能繼續承受荷載而導致破壞[4]。

(3)注漿體的拉裂和破碎：由于拉力型錨桿內錨固段的應力分布是不均勻的，因此會在滑面附近出現明顯拉應力集中現象；而壓力型錨桿由于錨固段末端上的注漿體出現壓應力集中，錨固段下部有可能被壓碎；但注漿體的抗壓強度通常遠大于抗拉強度，所以破壞程度相對于拉力型錨桿的拉裂破壞程度較小[3]。

(4)錨桿斷裂破壞：一般是錨桿尾部發生斷裂破壞；昔格達土質邊坡錨桿斷裂破壞通常是由于錨桿自身質量不能達到所應用的實際工程要求以及應力集中現象所造成的。

3 昔格達土質的錨桿計算理論

目前對于昔格達土質邊坡錨桿計算理論的研究工作不多，文獻[5]對攀枝花地區錨桿的抗剪強度、抗拔力、錨桿變形的計算進行過研究。

錨桿抗剪強度計算公式，其表達式為:

τ=λ(k0γhsin2α+yhcos2α)tgσ+c

(1)

其中：λ為修正系數，對黏土在0.4～0.6之間取值；α為錨桿外斜角，一般取13°～15°；h為土層覆蓋厚度；k0為土體側壓力系數，對正常固結黏土或輕微超固結粘土可近似表達為:1-sinφ；σ為混凝土與土體間的外摩擦角，其值可表達為：0.75φ；C、φ為土的內聚力、內摩擦角。對于基礎錨桿，其外斜角α=90°，其抗剪強度公式可表達為：

τ=λk0γlngδ+c

(2)

獲得了錨桿的抗剪強度公式(1)后，根據錨桿的有效錨固長度可計算錨桿的抗拔力，計算公式如下：

(3)

4 加固機理

(1) 能有效地提高土體強度。土層錨桿支護通過在土體內設置一定長度與密度的錨固體，使之與土體結合成為一個整體。當向錨桿孔中進行注漿時，由于土層中有一定的孔隙和裂隙，在壓力作用下，水泥砂漿(部分工程應用純水泥漿)沿著土體中的孔隙和裂隙擴滲，形成網狀膠結，從而增加了灌漿錨桿與周圍土體的粘結作用并增強了土體的整體強度。

(2) 摩擦作用。單根錨桿的承載力除錨筋必須具有足夠的截面積以承受極限拉力外，對于錨固于土層的錨桿，其抗拔力取決于錨固體與土層之間的極限摩擦阻力。

(3) 提高了C、φ值，增加了土體的穩定性。這是一種比較直觀的認識，早期的錨桿計算模型認為錨桿提高了土體的C、φ值。錨桿的預應力作用有效限制了被錨固土體的變形量，從而增加了土體的穩定性；灌漿可顯著增加錨桿和土的界面強度，也能達到增加土體穩定性的效果。

(4) 土體等效變形模量增加。由于錨桿的彈性模量遠高于土體的彈性模量，當錨桿隨土體變形時，這種變形特性差異造成了土體等效變形模量的增加。

(5) 懸吊作用。錨桿支護通過錨桿將軟弱、松動、不穩定的土體懸吊于穩定的土體之中，防其離層滑落。起懸吊作用的錨桿主要是提供足夠的拉力，用以克服滑落土體的重力或下滑力，維持工程土體的穩定。

(6) 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，發現彈性體內形成以錨桿兩頭為頂點的錐形壓縮帶，若將錨桿以適當的間距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮區相重疊，形成一定的連續壓縮帶。

綜上所述，土層錨固的基本原理就是利用錨桿周圍巖土體的抗剪強度來傳遞結構物的拉力或保持開挖面的自身穩定，錨桿可以提供作用于結構物上承受的荷載的抗力；可以使錨固底層產生壓應力區并對加固底層起到加筋的作用；可以增強底層強度，改善土層的力學性質，可以使結構與土層連接在一起，形成一種共同工作的結合體，使其能有效地承受拉力和剪力[2]。

5 存在的問題及研究方向

近幾十年來，各類錨桿的作用機理日趨清楚，并提出一 些可實用的錨桿數學模型，它們在一定程度上反映了各類錨桿適應不同地質條件的加固機理。但應注意到，由于昔格達土的特殊性[6]，昔格達土質邊坡錨桿加固機理仍是一個沒有統一認識的問題，也缺乏行之有效的、合理的計算方法。事實上，昔格達土質邊坡錨固理論方面的研究已經遠遠落后于工程實踐，這種現狀直接影響到錨桿技術的合理應用和發展。文獻[5]雖然提出了攀枝花地區錨桿抗剪強度、抗拔力、錨桿變形的計算公式，但尚不清楚是否能準確應用在昔格達土質邊坡錨桿的設計計算當中。并且目前的理論和數值分析與實際情況出入較大，因而必須進一步通過理論分析、試驗和現場量測對以下問題進行研究。

(1)針對于昔格達土質邊坡錨桿錨固機理的研究。包括錨固作用對昔格達土物理力學性質的影響、錨桿與灌漿體之間的相互作用、灌漿體與昔格達土體之間的相互作用。

(2)模擬昔格達土質邊坡錨桿作用的合理計算模型。昔格達土質邊坡常用錨桿錨固力、抗剪強度、抗拔力計算方法的提出。

(3)支護材料的研究。支護材料限制了工程實踐和設計的發展，研究輕質、高強、耐腐蝕、耐久性好的支護材料具有重大意義。

(4)科學、合理、實用規范的制定。現有錨桿支護設計通常根據工程類比法或半理論半經驗的方法進行，因此科學、合理、實用規范的制定是錨桿支護能否在更大的范圍和不同條件下推廣應用的關鍵。

[1] 張永治.攀西地區昔格達土綜述[J].攀枝花大學學報,1995,11(2):75-78

[2] 鄧新德.巖質邊坡錨固技術研究與應用[D].中南大學,2007

[3] 汪班橋.土層錨桿常見病害破壞機理及防治技術研究[D].長安大學,2010

[4] 馬萍.土層錨桿錨固機理試驗研究[D].長江大學,2012

[5] 何思明.攀枝花地區錨桿的工作機理[J].四川建筑科學研究, 1997, 22(2):49-51

[6] 陳偉,焦濤,孫金坤, 等.昔格達生土農房抗震技術研究[J].工程抗震與加固改造,2010,32(3):77-80