全長粘結型錨桿錨固力影響因素淺析

王 睿， 謝 琪， 王彬鑫， 張國平， 葉鑫儒

(四川師范大學工學院，四川成都 610101)

1 全長粘結型錨桿

全長粘結型錨桿是一種采用水泥基或樹脂基漿液將其完全包裹于鉆孔中的錨桿，因具有較高的支護剛度、良好的承載及防腐性能，已被廣泛應用于隧道、基坑和邊坡等巖土工程[1]。錨固系統作為由錨桿、錨固劑和圍巖體共同組成連續機械耦合系統，通過錨固劑將錨桿與圍巖體黏結一起，依靠界面應力傳遞使圍巖體得到加固，黏結效果最終在工程中表現為錨固力[2]。

國內外學者對錨桿錨固力的影響因素進行了大量研究。孫洋等[3]指出圍巖開挖后其塑性區范圍較大，錨桿設計長度通常未穿過塑性區，從而造成錨桿錨固長度不足；康紅普等[4]研究表明錨桿螺紋顯著改變了應力分布，在螺紋牙底處出現明顯的應力集中，螺紋規格、形狀與參數直接影響其承載能力；吳擁政等[5]研究表明由于加工原因，螺紋部分與桿體不等徑，變徑導致螺紋部分局部產生2～3倍應力集中，導致錨桿受力惡化甚至斷裂；楊振茂等[6]指出鉆孔直徑與錨桿直徑相差過大或過小都會導致錨固力很低；曹平等[7]探討了在邊坡支護中錨桿布設位置對錨固性能的影響。

綜合上述研究，可知已有的研究方向大多從單一角度出發，少見對錨固力影響因素的綜合分析與評述，因此本文將基于對全長粘結型錨桿破壞模式的分析，廣泛調研與分析全長粘結型錨桿錨固力的影響因素，以期為提升錨桿支護工程質量提供參考。

2 全長粘結型錨桿破壞模式分析

錨固力作為影響錨桿錨固作用的重要參數之一，可通過拉拔試驗測出錨固力的臨界值。而當施加的拉拔力達到錨桿錨固力的臨界值時，錨固系統不同的部位可能出現由于其本身或者兩者之間接觸面的強度不夠從而造成的破壞狀態。

這種破壞狀態可以主要歸納為以下五種情況——“三體兩面”，如圖1所示：其中圖1(a)表示錨桿和錨固劑界面上因粘結強度不足造成的破壞，當采用光圓錨桿、錨固長度過短等情況下容易發生此種破壞模式；圖1(b)表示圍巖和錨固劑界面上因抗剪強度不足造成的破壞，這種破壞模式與錨孔的粗糙程度和圍巖強度有關，一般多發生在圍巖條件比較差的軟巖和破碎巖體條件下；圖1(c)表示錨桿桿體強度不足造成的破壞，這種破壞模式主要發生在錨桿桿體產生銹蝕或者桿體自身有缺陷的情況下；圖1(d)表示錨固劑自身因強度不足或缺陷所造成的破壞，一般發生在錨固直徑較大的條件下，同時圍巖與錨固劑界面、錨桿與錨固劑界面以及圍巖內部都具有較高的抗剪強度；圖1(e)表示圍巖體內部因強度不足或缺陷造成的破壞，當圍巖彈性模量過小的情況下易發生此種破壞模式。

圖1 錨固系統發生失效的幾種常見形式

通過對以上五種破壞形式的深入了解，可以發現造成錨固系統五種主要的破壞形式分別有其不同的影響因素，主要涉及到錨固長度、圍巖強度、錨固直徑、錨孔粗糙程度以及錨桿自身質量問題等方面對錨固系統所產生的影響，本文從中選取部分在工程中起到關鍵作用并且具有一定深入研究意義的因素再加上國內外專家學者們所做出的具有影響力的實驗成果進行了總結歸納，旨在從不同的方面進行進一步的完善和優化，從而使錨桿錨固力達到臨界值時的拉拔力有突破性的提升，避免因存在薄弱環節而引起的錨桿錨固力不足，最終達到錨桿錨固系統能力整體提高的目的。

3 錨固力影響因素淺析

錨固力是錨桿拉拔過程中的最大承載力。錨桿類型、施工工藝和巖體結構狀態綜合影響其大小。錨桿的受力和機理嚴重影響錨桿的質量和效果，這些因素不容忽視。

3.1 材料方面

3.1.1 錨桿的長度

錨桿長度作為錨桿的基礎性質之一，在錨固系統中起到不可或缺的作用，如果錨桿長度不夠，在土體內的錨固深度不足,錨固就無法達到設計要求的錨固力；然而錨固長度過長又會造成資源浪費，加大運輸、施工的難度，增加造價。

張京等[8]通過實驗研究表明，在一定范圍之內增加錨桿的長度可以提高錨桿的錨固力，但是其最大錨固力不應超過錨桿材料的極限抗拔力。在長度方向上，隨著錨桿長度的增長，有效壓應力的范圍擴大，應力分布更加均勻。所以，如果適當增加錨桿長度以擴大有效壓應力區，圍巖將更加穩定[9]。

3.1.2 螺紋肋間距

螺紋的起伏與粘結物間的剪脹、擠壓等作用，明顯增大了錨固的強度。對此，國內外的學者對錨桿采用不同的肋間距從而對錨固力產生的不同影響進行了大量專業的實驗研究。

澳大利亞Jalalifar[10]、Aziz[11]和趙文卓等[12]研究了錨桿肋間距對錨固力的影響，并驗證了錨桿在24 mm、25 mm時錨固力達到最大值。吳濤等[13]對肋間距為12 mm、24 mm、36 mm、48 mm的螺紋錨桿進行試驗，如圖2、圖3所示，得出：肋間距的增加有助于提高錨固試件的拉拔力，并且錨固試件拉拔力隨肋間距的增加呈近似線性增長趨勢。通過研究15 mm、20 mm、25 mm螺紋間距對應力分布的影響，葉根飛[14]得出錨桿表面螺紋高度越高，螺紋間距越小，錨桿軸力在錨固始端的分布就越集中，錨桿的抗拉拔性能越好。

圖2 不同肋間距的錨桿

圖3 在厚度為4.5 mm的套筒內的錨固力影響曲線[12]

3.1.3 砂漿的配合比

錨固段的粘結強度與圍巖土體和砂漿體的強度有關[15]，而水灰比的選擇對砂漿體的強度有著舉足輕重的作用。

Kilic[16]研究了灌漿體特性在對錨桿抗拔力的影響。試驗分別對0.34，0.36，0.38，0.40不同水灰比下錨固體的承載力進行比較。結果表明：不同水灰比對承載力影響較大，錨固體承載力隨著砂漿彈性模量和抗剪強度的增加而增加。侯伶聰[17]通過注漿實驗得出結論：水灰比過大或過小都會影響注漿作業的正常進行，并會導致錨固效果不佳。Nakayama[18]和Goris[19]對鋼筋和水泥砂漿之間的粘結強度和錨桿支護進行了試驗，得到結論：水泥砂漿性質，特別是水灰比，是影響錨桿承載力的主要因素之一。

這些對砂漿配合比的研究工作表明：水灰比對錨桿錨固力的影響很大，所以為保證錨固系統的安全性，必須要嚴格控制砂漿的配合比。

3.2 結構方面

3.2.1 錨固體的直徑(鉆孔直徑)

由于錨桿錨固段的荷載傳遞路徑大致是：錨桿體—錨固體—圍巖體，可見錨桿的錨固質量與錨固體有一定關系，而錨固體直徑正是錨固體的重要參數之一，故值得研究分析。

下述3人的研究表明，錨固體的直徑對于錨固系統的安全性有著至關重要的作用，若適當增大錨桿直徑，可使邊坡工程、隧道工程等工程中的錨固系統更為完善與安全。張京[20]比較了不同直徑錨固體的剪應力和軸力分布曲線(圖4、圖5)，葉根飛[21]分析了錨固體直徑與極限抗拔力之間的關系曲線，得出了結論：通過增大鉆孔直徑，錨固效果會更好。此外，鄭新秀[22]還進行相應的參數分析：在無拉拔荷載作用下，土體膨脹導致錨桿出現位移、軸力及中性點，膨脹土中錨桿的極限承載力隨著鉆孔直徑的增大而增大。綜上，該因素的影響力不容忽視。

圖4 不同鉆孔直徑下剪應力分布曲線

圖5 不同鉆孔直徑下軸力分布曲線[8]

3.2.2 錨固的長度

據錨固長度的大小，錨桿的錨固方式分為：端部錨固、加長錨固及全長錨固三種，然后，錨固長度也可作為一種影響因素被研究探討，繼而為錨桿支護設計提供一定參考。由于錨固系統的復雜性與多樣性，不同的學者有其自己的研究探討，但不可忽略的是錨固長度對整個錨固系統的重要作用，且錨桿長度的選取應該符合條件：既能充分發揮錨桿的作用，也能獲得經濟合理的錨固效果。

毛筱霏[23]等人及李海洋[26]研究錨固長度對錨固體應力分布的影響。研究結果表明：通過增加錨固體長度可以實現錨桿錨固力的增加(圖6、圖7)。另外，肖同強等[24]通過試驗分析得出：不同錨固長度下引起的錨桿錨固破壞模式不同。在錨固長度逐漸增加的過程中，錨固失效形式發生變化，從錨固界面滑移脫黏失效到錨桿破斷失效。錨桿抗拔力隨其長度增加而增大。王洪濤等[25]研究者從圍巖角度分析了不同錨桿錨固長度作用下的圍巖的應力，并得出在施加高預警力的基礎上，留設適當的自由段長度，更有利于錨固作用的發揮，但其長度不宜過短。以上，選取合適的錨固長度是一個非常關鍵的因素。

圖6 不同錨固長度時剪應力分布[23]

圖7 全長錨固拉拔力實驗布置[26]

3.3 圍巖方面

錨桿的圍巖應力環境復雜多變，錨桿和巖體錨固在一起相互作用、共同工作，兩者間的聯系十分緊密，為了提高錨固系統的可靠性，應該結合圍巖應力條件等因素進行相關研究分析，因此不同的圍巖條件會對錨固系統的安全性起到不同的作用。

王小坡等[27]采用注漿加固圍巖、錨杄錨索耦合作用等方式來支護圍巖，改變了圍巖的應力狀態。通過一系列實驗得出：圍巖應力狀態的變化可以有效減小對錨固的破壞。針對不同的圍巖應力條件及支護要求，合理選擇錨固形式更利于提高支護安全性能。另外，盛歡[28]及李海洋[29]分別基于拉拔試驗和剪切-滑移模型的分析：如圖 8所示，錨桿錨固力的提高離不開圍巖的堅硬完整性。根據以上結論，圍巖的堅硬程度對錨固力的影響工程作業相關人員應當給予高度重視。

圖8 錨桿灌漿體與周圍巖體間剪應力分布曲線[28]

4 結論

本文主要從材料本身、結構影響以及圍巖條件3大方面進行了總結闡述：

(1)材料方面：在一定范圍內，錨固力隨錨桿長度增加和螺紋肋間距增加而提高。水灰比太小，可注性變差，管易堵塞，水灰比太大，易形成漿液離析等現象從而影響錨固效果。

(2)結構方面：在一定的配合條件下，錨固體直徑的增加，可以使錨固系統得到進一步的提升。錨桿傾角減小時，沿桿身的錨固力逐漸減小，錨桿傾角增大時，錨桿拉拔力減小，支護樁軸向壓力增大，彎矩減小。

(3)圍巖方面：介質越硬彈性模量越大，錨桿受剪應力越集中，錨桿抗拉強度越大；相反，彈性模量越小，剪應力分布越均勻，錨桿的抗拉強度越小。