巖土錨固新技術(shù)與發(fā)展趨勢

秦帥　丁涯

摘要：巖土工程是一門幾乎和人類一樣古老的學(xué)科，并伴隨著人類的進(jìn)步而不停的發(fā)展。近代以來，巖土工程技術(shù)發(fā)生了天翻地覆的變化，而其中，巖土錨固技術(shù)以其新穎的理念和巨大的優(yōu)勢，當(dāng)之無愧的成為其中最具有革命意義的一項(xiàng)技術(shù)革新。本文將在總結(jié)今日的巖土錨固技術(shù)的最新突破的基礎(chǔ)上，試指出該技術(shù)所面臨的問題和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：巖土工程 錨固 新技術(shù) 發(fā)展趨勢

一，巖土錨固的概念和歷史

巖土錨固技術(shù)是指埋設(shè)于巖土體中的受拉桿件，用以將結(jié)構(gòu)物的拉應(yīng)力傳遞給深部的穩(wěn)定地層或加固不穩(wěn)定的巖土體，形成拉桿與巖土相互作用，共同工作的體系。巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支。在巖土工程中采用錨固技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的巖土工程加固手段，它不僅能充分調(diào)用和提高巖土體自身的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，還可以大大節(jié)約結(jié)構(gòu)物體積和自重，減小造價(jià)，并有利于施工安全和施工進(jìn)度。錨固技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜的巖土工程最經(jīng)濟(jì)最有效的方法之一。巖土錨固已在我國邊坡、基坑、礦井、隧洞、地下工程，壩體、航道、水庫、機(jī)場及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

隨著我國大力興建基礎(chǔ)設(shè)施，特別是對(duì)交通、能源、水利和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大，巖土錨固將展示出十分廣闊的應(yīng)用前景。

二，巖土錨固工程技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1錨桿的分類

目前工程中使用的錨桿有很多種，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以有不同分類。按照錨桿和巖體的錨固方式，可分為黏結(jié)性錨桿、機(jī)械式錨桿和基地?cái)U(kuò)張式錨桿。根據(jù)一個(gè)鉆孔內(nèi)安裝錨桿單元的數(shù)量，可分為單孔單一錨和單孔復(fù)合錨。按照是否預(yù)先施加張力可以分為預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿。按照錨桿受荷后錨固段內(nèi)的灌漿體的受力狀態(tài)可分為拉力型錨桿和壓力型錨桿。

2.2錨固系統(tǒng)可能的失效方式

錨桿在發(fā)揮作用時(shí)，荷載通過錨桿與灌漿體、灌漿體與巖體的相互作用傳遞到深層巖體中，根據(jù)錨固系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)，錨固系統(tǒng)在承受荷載時(shí)可能以下列一種或幾種形式發(fā)生破壞：

（1） 錨桿的強(qiáng)度破壞：發(fā)生這種破壞的可能原因是錨桿的設(shè)計(jì)或材料選用不當(dāng)；

（2） 灌漿體被壓碎或破裂：錨桿與砂漿的機(jī)械咬合作用導(dǎo)致砂漿中產(chǎn)生橫向和軸向開裂，砂漿強(qiáng)度不足時(shí)易發(fā)生此種破壞；

（3） 周圍巖土體破壞：可能由于巖土體強(qiáng)度太低或錨固段長度不夠；

（4） 灌漿體與錨桿接觸面破壞：是拉力型錨桿失效的主要形式之一，多數(shù)情況下是錨固長度不足導(dǎo)致的，也可能是因?yàn)樽{體強(qiáng)度較低。

（5） 巖土體與灌漿體接觸面破壞：這種破壞多發(fā)生在軟巖和土層，主要原因是圍巖較軟，接觸面附近抗剪強(qiáng)度低。

2.3錨桿荷載傳遞機(jī)制的改善

大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)測結(jié)果證實(shí)，傳統(tǒng)的拉力（集中）型或壓力（集中）型錨桿受力時(shí)，其錨固長度上粘結(jié)應(yīng)力分布是很不均勻的，當(dāng)采用長錨固段時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力分布長度是有限的，粘結(jié)效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)漸進(jìn)性破壞現(xiàn)象。隨著錨桿上荷載的增大，在荷載傳至固定長度最遠(yuǎn)端之前，在桿體與灌漿體或灌漿體與地層界面上就會(huì)發(fā)生粘結(jié)效應(yīng)逐步弱化或脫開的現(xiàn)象

為了從根本上改變拉力型錨固方法的弊端，冶金部建筑研究總院等單位成功研制了單孔復(fù)合錨固方法。該方法時(shí)在同一鉆孔中安裝幾個(gè)單元錨桿，而每個(gè)單元錨桿有自己的桿體，自由長度和固定長度，而且承受的荷載也是通過各自的張拉千斤頂施加的，并通過預(yù)先補(bǔ)償張拉，而使所有單元始終承受相同的荷載，承載力可提高30%——200%。

2.4軟土錨固取得重大突破

軟土主要由細(xì)粒土組成，一般具有松軟、含水率高、孔隙率大、壓縮性高和強(qiáng)度低的特點(diǎn)，主要分布在沿海一帶。改革開放以來，沿海地區(qū)高層建筑蓬勃興起，并要求快速經(jīng)濟(jì)地建造一大批深基坑工程，它為軟土錨固的發(fā)展提供了契機(jī)。

我國的軟土錨固技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

1）采用可重復(fù)灌漿技術(shù)，大幅度提高了軟土中錨桿的承載力。

2）基本掌握了軟土中錨桿蠕變變形和預(yù)應(yīng)力值變化的規(guī)律。對(duì)塑性指數(shù)大于17的軟土（不包括淤泥）在錨桿荷載作用下的蠕變變形及錨桿荷載隨時(shí)間的變化特性進(jìn)行了較深入的研究，提出了一些基本認(rèn)識(shí)。

3）在實(shí)踐中，找到了控制軟土基坑周邊位移的若干有效方法，主要有：

①在地下水位較高的軟土地層中開挖基坑，應(yīng)設(shè)可靠的止水帷幕，組織坑邊地下水的流失。

②適當(dāng)加大樁墻結(jié)構(gòu)尺寸和加密錨桿，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。

③錨桿成孔采取“跳鉆”，即在水平方向上每隔2——4個(gè)錨桿孔位鉆孔，并隨即完成扦筋、注漿作業(yè)，使單位時(shí)間內(nèi)對(duì)單位體積土體的擾動(dòng)范圍降低到最小程度。

④土方開挖要分層實(shí)施，使荷載作用的應(yīng)力調(diào)整緩慢發(fā)生。基坑周邊應(yīng)隨開挖，隨錨固，使無支承條件下坑邊所暴露的時(shí)間盡可能少，所敞露的時(shí)間盡可能少，所敞露的面積盡可能小。

⑤當(dāng)坑邊有密集建（構(gòu)）筑物時(shí)，可在建（構(gòu)）筑物周邊設(shè)置垂直向的微型樁，以改變應(yīng)力傳遞途徑，減少基坑周邊位移對(duì)建（構(gòu)）筑物的影響。

2.5錨固結(jié)構(gòu)的長期工作性能

錨桿的長期工作性能一直困擾著巖土工程師們，特別是近20年來，我國巖土錨固技術(shù)在土木、水利水電、鐵（水）路交通以及市政基礎(chǔ)工程建設(shè)中取得了空前的廣泛應(yīng)用，其規(guī)模之大，應(yīng)用量之多已躍居世界之首。因而研究巖土錨固的長期工作性能，對(duì)重大巖土錨固工程實(shí)施安全性評(píng)價(jià)，對(duì)安全度不足或出現(xiàn)病害的錨固工程采用有效的處理措施，對(duì)永久性巖土錨固工程的設(shè)計(jì)、施工、防腐以及巖土錨固工程標(biāo)準(zhǔn)制定等方面都具有重要的意義。

巖土錨固結(jié)構(gòu)的使用壽命取決于錨桿的耐久性，對(duì)壽命的主要威脅則來自于氫脆和電化學(xué)腐蝕。

清華大學(xué)、重慶交通科研設(shè)計(jì)院以示范工程渝黔公路的一段巖土錨固結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行腐蝕程度評(píng)估研究，將物元理論引入層次分析法，建立了包括錨固段（自由段）和錨頭等巖土錨固結(jié)構(gòu)腐蝕程度的多層次評(píng)估模型及其評(píng)估指標(biāo)，并確定各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估模型各部分的初始權(quán)重。

中冶建筑研究總院有限公司結(jié)合在長期荷載傳遞機(jī)制、長期性能和安全評(píng)價(jià)研究成果的基礎(chǔ)上，提出了錨桿鎖定荷載（初始預(yù)應(yīng)力）變化量、錨桿現(xiàn)有承載力降低率、被錨固的巖土體和結(jié)構(gòu)物變形速率以及錨桿的腐蝕損傷程度為主的安全控制指標(biāo)；建立了包括風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別、長期性能檢測、監(jiān)測項(xiàng)目于方法、安全評(píng)價(jià)的臨界技術(shù)指標(biāo)以及安全度不足錨固工程的處治方法等項(xiàng)內(nèi)容的安全評(píng)價(jià)模式。并對(duì)所收集到的國內(nèi)外17項(xiàng)被檢驗(yàn)的巖土錨固工程長期性能狀況進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明：具有足夠安全度的錨桿設(shè)計(jì)、錨桿全長完善的防腐措施，采用能改善力學(xué)與化學(xué)穩(wěn)定性的錨固結(jié)構(gòu)、規(guī)范的錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)、完善系統(tǒng)的長期性能檢測盒維護(hù)管理體系是提高巖土錨固的長期性能、確保錨固工程的長期安全工作的主要途徑和方法。

2.6巖土錨固的無損檢測方法

巖土錨固具有隱蔽性，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問題比較困難，而一旦發(fā)生事故處理起來怎更難。要保證錨固系統(tǒng)的質(zhì)量，除了需對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、施工之外，對(duì)巖土錨固工程的健康監(jiān)測也必不可少。通過對(duì)巖土錨固系統(tǒng)的檢測，在施工階段可以驗(yàn)證并優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，保障施工安全；在錨固系統(tǒng)運(yùn)營期間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全狀態(tài)的監(jiān)測，評(píng)估。

目前，我國規(guī)范中規(guī)定的及實(shí)際工程中使用的錨桿錨固質(zhì)量及受理狀態(tài)監(jiān)測方法是對(duì)其進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，錨桿拉拔試驗(yàn)在一定程度上可以反應(yīng)其整體的抗拔性能，即可以確定錨桿的極限承載力、變形特性、設(shè)計(jì)合理性和施工質(zhì)量等，但僅靠此來對(duì)錨固系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)定還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)槔卧囼?yàn)本身存在著如下問題：

首先，拉拔試驗(yàn)不能反映錨桿真實(shí)工作狀態(tài)下的性能，不能確定錨桿各段的錨固力。當(dāng)錨桿發(fā)揮作用時(shí)，其不同部段的功能是不同的，因此，錨固質(zhì)量的好壞不但跟錨桿的整體抗拔力有關(guān)，還和各段的錨固能力有關(guān)。

其次，拉拔試驗(yàn)不能對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量作充分的肯定，如對(duì)于全長粘結(jié)式錨桿，對(duì)錨桿承載力起作用的是錨固段，而在拉拔試驗(yàn)中，張拉段與錨固段共同向外受力，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏大，給人一種滿足承載力的假象。

第三，拉拔檢測手段既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，抽檢的樣本數(shù)十分有限，難免以偏概全，不能滿足對(duì)錨桿進(jìn)行大面積檢測的需要。

最重要的是，拉拔試驗(yàn)是一種破壞性的檢測方法，實(shí)際操作中會(huì)對(duì)經(jīng)錨桿加固的巖體產(chǎn)生新的擾動(dòng)，降低錨桿對(duì)圍巖的加固作用，這對(duì)軟巖或較破碎巖層尤為不利。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生白金超提出利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)造出FBG-FRP錨桿及其智能檢測系統(tǒng)，監(jiān)測分為以下幾個(gè)部分：（1）鉆孔過程監(jiān)測。通過位置和壓力等傳感器來記錄鉆入深度隨時(shí)間、工作氣壓等參數(shù)的關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)勘探報(bào)告，可以分析圍巖的力學(xué)性能。（2）錨固力監(jiān)測。該文采用FBG傳感器，此傳感器具有耐久性好，抗侵蝕能力高等優(yōu)點(diǎn)，且體積小、易布置；另外它還能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)線式分布測量。（3）錨固密實(shí)度監(jiān)測。通過應(yīng)力波的反射和透射特點(diǎn)，通過特定的傳感器接收信號(hào)并傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析，從而得出錨桿的長度和錨固狀態(tài)。（4）圍巖壓力的監(jiān)測。采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)周智等基于光纖光柵傳感器原理開發(fā)出的新型的光前光柵土壓力傳感器。該傳感器具備FBG的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)巖土工程有著很好的適用性，另外其還具有溫度自補(bǔ)償和溫度測量的功能。

三，巖土錨固的前進(jìn)方向

為了適應(yīng)工程建設(shè)的需要和推動(dòng)本學(xué)科的發(fā)展，應(yīng)緊緊圍繞以下課題，展開科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新：1）新型錨固結(jié)構(gòu)及其綜合配套技術(shù)研發(fā)；2）巖土錨固結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)傳力力學(xué)機(jī)制研究；3）地震、沖擊、交變等動(dòng)荷載作用下，巖土錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及破壞機(jī)制研究；4）永久型巖土錨固工程長期性能評(píng)估及安全評(píng)價(jià)；5）巖土錨桿工廠化生產(chǎn)及其標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

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