我國(guó)屈服錨桿現(xiàn)階段發(fā)展概述

馬 璇

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002)

0 前 言

屈服錨桿，又被稱為讓壓錨桿或者吸能錨桿。是在錨桿支護(hù)體系的實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)展的新的支護(hù)形式，由于它深刻地反映了圍巖和錨桿的相互作用關(guān)系，并且充分發(fā)掘圍巖的自承能力，屈服錨桿對(duì)于軟巖高地應(yīng)力等復(fù)雜條件下的支護(hù)具有很好的效果，并且對(duì)于支護(hù)體系的未來(lái)發(fā)展開拓了道路，明確了錨桿支護(hù)體系的發(fā)展方向。

我國(guó)對(duì)于屈服錨桿的研究起始于20世紀(jì)80年代，理論研究實(shí)踐成果自2007年開始豐富起來(lái)。對(duì)屈服錨桿自身力學(xué)性質(zhì)的研究、對(duì)吸能錨桿與圍巖協(xié)調(diào)性的研究、對(duì)吸能錨桿數(shù)值模擬方法的研究、對(duì)吸能錨桿的數(shù)值模擬分析，對(duì)屈服錨桿的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究等成果以及相關(guān)的發(fā)明專利都是呈現(xiàn)出雨后春筍的狀態(tài)。在這樣的背景下，就需要有人進(jìn)行將這一階段的研究成果進(jìn)行整理匯總，并做一個(gè)研究方向的預(yù)測(cè)。本文通過(guò)查找閱讀近年來(lái)我國(guó)關(guān)于屈服錨桿的大量的文獻(xiàn)資料，期望可以對(duì)近年來(lái)屈服錨桿的研究進(jìn)行分類，并以此引出屈服錨桿的發(fā)展方向。

屈服錨桿的讓壓目前主要通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1], 一種是直接提高錨桿桿體的延伸率, 把錨桿桿體本身做成可變形的讓壓結(jié)構(gòu), 但其讓壓參數(shù)很難控制且成本太高; 另一種方法是保持錨桿桿體本身不變, 通過(guò)增加讓壓管來(lái)進(jìn)行卸壓, 以達(dá)到在一定的壓力范圍之內(nèi)控制錨桿應(yīng)力變化, 提高錨桿桿體延伸率的目的。第二種方法在設(shè)計(jì)與使用上具有很大的優(yōu)勢(shì)，有很大的發(fā)展空間。

1 工程概況

青島地鐵1號(hào)線線路起自黃島峨眉山路與長(zhǎng)江路交叉口，沿長(zhǎng)江中路、長(zhǎng)江東路、濱海大道、跨海向北進(jìn)入青島主城區(qū)，之后沿費(fèi)縣路向東左轉(zhuǎn)穿過(guò)青島火車站廣場(chǎng)，沿即墨路北側(cè)、膠州路、和興路、人民路、回流南路、膠濟(jì)鐵路東側(cè)、倉(cāng)安路、興華路、重慶路、風(fēng)崗路、中城路、209省道終至東郭莊(S209和青新高速交叉處西南處)。

2 屈服錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的研究

2.1 屈服錨桿的應(yīng)力應(yīng)變曲線

連傳杰等[2](一種新型讓壓管錨桿的變形特性及其支護(hù)作用機(jī)理分析)通過(guò)分別對(duì)普通高強(qiáng)錨桿與對(duì)應(yīng)的讓壓錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)得到了讓壓錨桿的應(yīng)力應(yīng)變曲線(如圖1所示)及其與普通高強(qiáng)錨桿的對(duì)比分析。將讓壓錨桿的應(yīng)力應(yīng)變曲線分為5個(gè)階段：OA階段、AB階段、BC階段、CD階段、DE階段，并分別分析了各個(gè)階段的特征及其與普通錨桿彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的差異性。

圖1 錨桿的拉拔試驗(yàn)曲線

單仁亮等[3]采用能量分析法將讓壓錨桿的荷載-位移曲線劃分為彈性階段、讓壓階段和塑性強(qiáng)化階段，分別推出三個(gè)階段讓壓錨桿的能量本構(gòu)方程以及圍巖作用下的能量方程，近似求解讓壓錨桿和普通錨桿在彈性極限荷載、承載力極限以及圍巖共同作用條件下的支護(hù)性能。這些研究成果對(duì)于對(duì)屈服錨桿的力學(xué)性質(zhì)的定量具有重要的意義，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)也有一定的啟發(fā)。

2.2 高強(qiáng)讓壓錨桿與高強(qiáng)錨桿的分析比較

高強(qiáng)錨桿雖然可以在支護(hù)體系中提供很強(qiáng)的拉力，但是在高地應(yīng)力軟巖等復(fù)雜工程地質(zhì)條件下，錨桿的安全系數(shù)和變形安全系數(shù)都比較小，另外，在比較小的動(dòng)荷載作用下，高強(qiáng)錨桿就比較容易破壞，從而造成災(zāi)難性的后果。而從能量的角度上，這種現(xiàn)象很容易理解：巷道等的開挖過(guò)程就是一個(gè)地應(yīng)力釋放的過(guò)程，也就是一個(gè)能量釋放的過(guò)程，而錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)就是為了維護(hù)巷道等的穩(wěn)定性而設(shè)置的耗能結(jié)構(gòu)，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的耗能量就等于錨桿的拉力與錨桿的位移的乘積，那么提高錨桿的強(qiáng)度就是提高錨桿所承受的拉力，但是如果沒(méi)有同時(shí)提高錨桿的最大變形量的話，那么錨桿支護(hù)的最大耗能量的提高就僅僅依賴于錨桿的強(qiáng)度的提高，而錨桿的強(qiáng)度的提高是有限的，并且很不經(jīng)濟(jì)。而高強(qiáng)讓壓錨桿可以提供一個(gè)比較大的變形量，荷載達(dá)到讓壓點(diǎn)后，讓壓錨桿可以有一個(gè)能夠人為控制的變形量，在這個(gè)變形空間中，圍巖與錨桿共同耗能，并且圍巖同時(shí)可以完成自身的內(nèi)力重分布過(guò)程，使得應(yīng)力集中區(qū)域向深部巖體移動(dòng)。另外，由于讓壓點(diǎn)的可控制性，錨桿的受力就可以保證在彈性范圍之內(nèi)，從而提高了錨桿的強(qiáng)度安全系數(shù)和變形讓壓安全系數(shù)，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性[4]。

此外，在承受動(dòng)荷載方面，高強(qiáng)讓壓錨桿具有很大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐應(yīng)用表明，普通高強(qiáng)錨桿在沖擊型巷道沖擊礦壓的作用下表現(xiàn)很差，在增加錨桿的強(qiáng)度和密度后，情況依然沒(méi)有明顯的改觀。而高強(qiáng)讓壓錨桿因?yàn)榫哂兄鲃?dòng)的讓壓機(jī)制，可以有效地引導(dǎo)控制能量的釋放和轉(zhuǎn)化，可以有效地將能量消耗，從而保證支護(hù)體系和圍巖的穩(wěn)定性[5]。

2.3 讓壓錨桿與圍巖共同作用的協(xié)調(diào)性研究

巷道等開挖后，圍巖按照其破壞程度可以分為四個(gè)區(qū)，如圖2所示[6]。

圖2 圓形巷道圍巖破壞示意圖

松動(dòng)圈為完全破壞的巖體，完全喪失了結(jié)構(gòu)承載能力；塑性區(qū)具有一定的變形能力，能承受一定的外部荷載；彈性區(qū)是受開挖影響較小或不受開挖影響而能承受較大外荷載的區(qū)域；最外層則為原巖應(yīng)力區(qū)。

讓壓錨桿支護(hù)的目標(biāo)就是要使錨桿支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)圍巖應(yīng)力和變形的特性：一方面錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該保證圍巖基本在彈性和彈塑性范圍內(nèi)，另一方面支護(hù)系統(tǒng)的變形特性必須適合圍巖變形特性的要求[7]。對(duì)于高強(qiáng)讓壓錨桿與圍巖的作用關(guān)系的研究比較多。高強(qiáng)讓壓錨桿可以改善圍巖的應(yīng)力分布，使圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域向深部巖體移動(dòng)，控制圍巖的松動(dòng)圈和塑性區(qū)的發(fā)展，從而使巷道圍巖的變形量明顯減少，從而可以減小錨桿所承受的荷載，避免錨桿過(guò)早地進(jìn)入屈服，對(duì)錨桿支護(hù)體系有很好的保護(hù)作用[2,8-9]。

以錨桿支護(hù)為核心的新奧法的基本原理就是充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力[10]。而屈服錨桿將這一基本原則又進(jìn)一步應(yīng)用。本文認(rèn)為，圍巖應(yīng)該作為主要的承力結(jié)構(gòu)，而錨桿支護(hù)等應(yīng)該是為配合圍巖承力到達(dá)新的平衡狀態(tài)的輔助手段，屈服錨桿就很好地表現(xiàn)了這一基本思想，在它的作用下，圍巖可以有一個(gè)較大的變形，在這個(gè)變形的過(guò)程中，圍巖可以完成自身的應(yīng)力重分布，從而達(dá)到充分發(fā)揮圍巖各部分的承載能力的效果，而不是圍巖應(yīng)力集中的地方就被破壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有一種思想就是利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布，比較典型的是超靜定結(jié)構(gòu)中的梁，當(dāng)某一截面的鋼筋達(dá)到屈服后，就會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，如果荷載繼續(xù)增加，那么這個(gè)截面的彎矩不再增加，而其他截面的彎矩就會(huì)相應(yīng)地增加，這樣就可以使我們?cè)诹旱膬?nèi)部均勻布置鋼筋，并可以充分發(fā)揮材料的性能。同樣，在圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)中我們也可以利用這個(gè)原理，只不過(guò)不是用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，而是用在圍巖上，因?yàn)閲鷰r應(yīng)該作為主要的承力結(jié)構(gòu)，尤其是在高地應(yīng)力區(qū)域。如果我們有辦法可以改善圍巖的應(yīng)力集中，將圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域后移至圍巖的彈性區(qū)域，那么整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果就會(huì)非常好。

2.4 屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的研究

隨著屈服錨桿的發(fā)展，對(duì)于屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的需求越來(lái)越迫切，國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者致力于屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的研究，并取得了一些成果：連傳杰等[11]建議了一種考慮高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿錨芯與巖石間剪切破壞作用的三維錨桿計(jì)算模型，并開發(fā)了相應(yīng)的有限元程序。由于采用2節(jié)點(diǎn)三維桿件單元和4節(jié)點(diǎn)三維錨桿單元模擬高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，使得所建議的模擬方法適用范圍更加廣泛，可以用于錨索模擬、一般錨桿模擬和抗滑樁等樁結(jié)構(gòu)模擬，且能夠很好地模擬高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿的力學(xué)特性。江文武等[12]通過(guò)用三維快速拉格朗日法進(jìn)行數(shù)值模擬并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析比較得出：三維快速拉格朗日法計(jì)算的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的結(jié)果基本吻合, 表明采用三維快速拉格朗日法分析錨桿拉拔過(guò)程是可行的。

3 屈服錨桿的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究

為了滿足工程實(shí)踐的需要，使得屈服錨桿的設(shè)計(jì)具有安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性，屈服錨桿的參數(shù)設(shè)計(jì)研究對(duì)于將關(guān)于屈服錨桿的最新研究成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中具有至關(guān)重要的作用。所以提出一整套屈服錨桿的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法用以指導(dǎo)工程實(shí)踐應(yīng)用，是非常急迫的。

對(duì)于錨桿數(shù)量的確定，單仁亮等[3]從巷道整體能量平衡出發(fā)，提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。在求得圍巖運(yùn)動(dòng)釋放的能量后，便可由此公式求得錨桿的根數(shù)。另外，還提出了巷道預(yù)留空間的計(jì)算方法，提出了錨桿長(zhǎng)度和間距的計(jì)算公式，推進(jìn)了錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)的理論研究進(jìn)程。

對(duì)于讓壓點(diǎn)的確定，國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者都是從錨桿自身出發(fā)，將讓壓點(diǎn)控制在小于使錨桿發(fā)生屈服的荷載的范圍內(nèi)，本文認(rèn)為讓壓點(diǎn)的確定與圍巖具有很大的關(guān)系，應(yīng)該充分研究圍巖的彈塑性力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上確定讓壓點(diǎn)，然后再根據(jù)讓壓點(diǎn)來(lái)確定錨桿的強(qiáng)度要求。

對(duì)于最大讓壓距離，連傳杰等[2,13]對(duì)讓壓距離與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系以及讓壓距離對(duì)錨桿支護(hù)性能的影響做了深入地探討，為設(shè)計(jì)最大讓壓距離提供了思路。

4 總 結(jié)

經(jīng)過(guò)大量的研究與實(shí)踐，我國(guó)的屈服錨桿支護(hù)體系的支護(hù)機(jī)理有了深層次的發(fā)展，認(rèn)識(shí)水平由之前的強(qiáng)調(diào)錨桿的高強(qiáng)度高剛度到現(xiàn)在的讓壓耗能，體現(xiàn)了我國(guó)學(xué)者對(duì)錨桿的認(rèn)識(shí)提升到了能量這一層面上，隨著研究的進(jìn)一步深入，屈服錨桿的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的理論公式在不久的將來(lái)必將會(huì)被提出來(lái)，從而會(huì)大大地促進(jìn)屈服錨桿的實(shí)踐應(yīng)用和理論研究發(fā)展。

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