錨桿錨固技術的研究現狀與展望

武佳琦

(西藏大學工學院 西藏 拉薩 850000)

引言

我國中西部地形復雜、崇山峻嶺、溝谷縱橫，鐵路、公路大部分都處在隧道內、橋梁上、邊坡處，復雜多變的巖土工程問題層出不窮，一些位于穩定性差、存在結構面或者軟弱夾層巖土體區域對外界擾動極為敏感，因此極易觸發邊坡巖土體和隧道圍巖的失穩破壞，以及山體滑坡等地質災害。如果沒有合理的防護加固措施，將會引起大量的人員傷亡問題，并造成無法挽回的經濟損失。為了防止此類變形破壞并確保工程安全，應在巖土體中運用加固措施，并對加固技術進行深入全面的研究與開發。而錨桿錨固技術正是一種有效的防護加固措施，它能協助巖土體控制圍巖變形，利用巖土體本身的強度，激發本身所具備的能量，提高巖土體的自穩能力，因此在工程中有著廣泛的應用，用其解決復雜地質工程問題十分經濟、有效。

一、研究現狀

在巖土體開挖和施工的過程中，由于卸載巖土體內部將發生內部應力重分布，這是應力場變化后內力達到重新平衡的過程，結果是引起巖土體的變形，或者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巖土體內力場不利分布而導致。為防止上述不良后果的產生，人們越來越多的采用錨固技術，主要是錨桿的使用。為防止土體變形，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，維持土體穩定。這些用來加強土體的抗拉桿體稱為錨桿。

(一)我國錨桿技術的發展簡史。我國的錨桿錨固技術最先應用于20世紀50年代后期，主要應用于礦山巷道中，之后隨著技術經驗的熟練，1964年，安徽梅山水庫開始采用能夠承載很高預應力的錨桿加固壩基。之后的20世紀80年代，我國的巖土錨固技術達到了全盛時期，在此期間修建的李家峽水電站、小浪底水利樞紐、二灘水電站、中國石泉大壩預應力錨桿加固工程等，最大單錨承載力達8MN。之后巖土錨固技術還應用于基坑工程中，北京LG大廈基坑工程、北京京城大廈基坑工程、中國銀行總行基坑工程、天津萬科中心基坑、首都機場擴建工程等。1993～1999 年，中國在深基坑和邊坡工程中的預應力錨桿用量，每年約為2000～3 500 km。在錨固技術的創新與工程應用方面，中國的成就是特別令人注目的[1]。

(二)錨桿的組成。錨桿主要由錨頭、自由段、錨固段及配套配件組成[2]。(1)錨頭:是錨桿最前邊的部分，主要用于鎖定錨桿所承受的拉力;(2)自由段:指錨頭與錨固段間的桿體長度，其有一定的自由彈性，能夠承受整個錨桿帶來的拉力，并能成功地將拉力傳遞給錨頭遠端的錨固段，起到了緩沖和傳遞錨桿所受的力的作用;(3)錨固段:處于錨桿遠端，和周圍的穩定地層緊緊地鎖在一起，主要作用是將來自錨固自由段傳來的拉力傳遞到周圍的穩定地層中;(4)配套配件:主要是為了施工方便而設置的部件，如注漿塞、架線環、定位支架等配件。

(三)錨桿的分類。錨桿技術的發明至今已有一百多年，這一百多年的發展出現了多種多樣的錨桿類型，可以做出簡單的分類。(1)按應用對象分，錨桿可分為土層錨桿和巖層錨桿。(2)按錨固體傳力方式分，錨桿可分為拉力型錨桿、壓力型錨桿和拉壓型錨桿，其中最常用的是拉力型錨桿，壓力型錨桿在實際工程中很難實現。(3)按是否施加預應力分，錨桿可分為預應力錨桿和非預應力錨桿，顧名思義，施加預應力的即為預應力錨桿，否則為非預應力錨桿。預應力錨桿是一種主動加固措施，在錨固體受力容許范圍內,施加的預應力越大,錨固效果越好。

(四)錨桿的荷載傳遞機理。錨桿錨固技術實現對巖土體的加固作用主要是通過錨桿和注漿體以及注漿體和周圍巖土體的結合力、摩阻力實現的。對于錨桿的荷載傳遞機理，國內外的學者都進行了大量的研究。

Lutz&Geeley[3],Hanson[4],Goto[5]等都研究了荷載從錨桿轉到灌漿體的力學機制，他們的研究表明：錨索本身強度很高且其表面粗糙性很好的話,力的傳遞由錨桿到灌漿體,再由灌漿體到圍巖體的過程中,漿體和錨桿界面的性質不是研究的重點,研究重點應放在漿體自身的性質以及漿體與圍巖體界面的性質上。

何思明等[6]通過對大量研究結果進行總結,指出在錨桿受荷時,錨固體通過錨桿桿體、灌漿材料、外界圍巖間相互作用依次將荷載分散至外界穩定巖體,且隨著荷載的增加,沿錨固段應力以漸進方式移向錨固段遠端。

尤春安[7]通過理論推導得出錨固體應力分布彈性解,得出錨固段剪應力并非均勻分布,而是沿錨固段從零急劇地變化到最大值,最后逐漸減小并趨向于零的結論。戰玉寶等[8]通過數值模擬分析,同樣得出沿錨固段剪應力呈非均勻分布,且隨著荷載的加大,剪應力分布逐漸下移的結論。

(五)破壞模式。錨桿的破壞模式主要有四種：(1)錨拉拉斷：鋼筋直接被拉斷，導致整個錨固系統破壞。(2)鋼筋與注漿體粘結界面破壞。(3)注漿體與巖土體粘結界面破壞。(4)錨固體同周圍巖土體整體破壞。

其中，第一種破壞模式是最不常見的，因為錨桿中的鋼筋在使用前都經過嚴格檢測，其抗拉強度是遠遠超過所需承受的外部荷載的，所以這種破壞模式往往都是因為鋼筋被腐蝕而引起的。

二、存在問題和發展展望

(一)存在問題。(1)雖說錨桿錨固技術在實際工程中得到了廣泛應用和認可,但隨著越來越多高、大、難、新工程大規模增加并進入環境復雜的山區和丘陵地帶，理論研究仍存在滯后現象,對錨桿錨固技術的研究并未得出統一的認識與理論,且理論計算尚無比較權威的方法，在設計中仍存在著“經驗方法”。(2)錨固系統的耐久性、安全性檢測及評價方法急需完善。(3)地震、沖擊荷載等動荷載條件下錨固體受力性能研究不足。(4)錨桿的腐蝕問題。腐蝕的存在都會使錨桿鋼筋斷裂，以及錨頭的保護層的龜裂從而導致嚴重的腐蝕，錨桿失去其穩定性。

(二)發展展望。(1)進一步加強錨固機理研究，包括錨桿預應力對巖土體應力重分布及巖土體力學性能的影響，錨固體對巖土體物理力學性質的影響和錨桿與巖土體之間的相互作用。(2)加強錨桿預應力損失的控制和防腐新技術的研究。(3)研究適合于各種錨固體系的理論分析和設計計算方法。(4)研究地震、沖擊荷載、冰凍、高溫等特殊條件下錨桿的性能及設計方法。