巖土預應力錨固技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

孫世國，賈欣欣，肖 劍

（1．北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2．中冶交通集團建設有限責任公司，河北 三河 065200）

預應力錨固技術通過對錨桿施加張拉力，達到穩(wěn)固巖體的效果，其充分發(fā)揮了巖土體自身的穩(wěn)定性能，是1種對原巖擾動小、安全可靠、經(jīng)濟高效的加固技術[1-2]。20世紀初，美國在礦山開采中最早采用錨桿進行巷道支護，到1934年，法國首次在阿爾及利亞采用37根承載力10 000 kN的預應力巖石錨桿來加固大壩并取得成功，標志著預應力錨固技術的應用真正開始[3-4]；之后，印度、南非、英國、奧地利均采用預應力錨固技術加固大壩；20世紀60年代，捷克斯洛伐克和西德采用預應力錨桿對大型地下室進行支護；20世紀70年代，英國采用預應力錨桿抵抗地下水浮力、紐約世界貿(mào)易中心使用承載力3 000 kN的預應力錨桿作為深基坑的支擋結(jié)構(gòu)物[6]；20世紀80年代，澳大利亞采用極限承載力16 500 kN的預應力錨桿加固重力壩[7]；20世紀90年代以后，國際間對于巖土預應力錨固的新理論、新技術、新標準等都在不斷發(fā)展、完善和創(chuàng)新。

我國巖石錨桿相對起步較晚，20世紀50年代，才僅僅用于礦山支護中。1964年，安徽梅山水庫首次使用長30～47 m、承載力為2 400～3 200 kN的預應力錨桿加固大壩，開啟了我國預應力錨固的時代[8]。20世紀80年代，預應力錨桿在重力壩的建造、加固和邊坡防護中廣泛應用，如1989年石泉大壩加固中采用承載力8 000 kN的預應力錨桿、龍羊峽水電工程中采用承載力10 000 kN的預應力錨桿及漫灣電站邊坡預應力錨固工程[9]；20世紀90年代，預應力錨桿開始運用于滑坡治理工程，南昆鐵路巨型滑坡治理中就采用了數(shù)百根預應力錨索支護；與此同時，舉世矚目的大型三峽工程，僅永久出船閘邊坡支護就采用了超10 000根的預應力錨索和100 000根錨桿[10]。近年來，我國巖土預應力錨固技術廣泛應用于鐵路、隧道、橋梁、水利水電、采礦冶金、民用和工業(yè)建筑等各個工程領域中的巷道圍巖支護、邊坡錨固、地下洞室加固、結(jié)構(gòu)抗傾覆、壩基巖體抗滑與加固、維護等方面[11]，由于其所產(chǎn)生的巨大社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，應用前景十分廣闊[12]。

1 預應力錨固技術研究現(xiàn)狀及存在問題

1.1 預應力錨桿設計標準及存在問題

目前國際上相對較新、較權威的預應力錨桿相關技術標準[13]包括美國第5版PTI DC35.1—2014《預應力巖層與土層錨桿的建議》[14]、歐洲第2版EN 1537—2013《特種巖土工程的實施—錨桿》[15]、日本第4版JGS 4101—2012《地錨設計、施工標準及說明》[16]、ISO與CEN共同合作編制的ISO/DIS 22477-5《巖土工程勘察與試驗——巖土工程結(jié)構(gòu)試驗——第5部分：錨桿試驗》[17]及中國的GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》[18]。其中美國、歐洲、日本從2種角度對錨桿結(jié)構(gòu)進行細致劃分。美國標準對于錨桿材料、設計使用年限、技術和管理水平要求較高，歐洲的錨桿設計采用不同于傳統(tǒng)理論的新設計理念（將傳統(tǒng)的總安全系數(shù)分為多個分項系數(shù)），日本注重于錨桿的應力腐蝕與防護以及后期的維護管理[13]。中國《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》是在原GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》的基礎上修訂完善，主要針對預應力錨桿的類型、設計、施工、防腐、驗收、實驗等作了詳細補充完善。

不同地區(qū)預應力錨桿設計規(guī)范對比見表1，不同地區(qū)預應力錨桿防腐等級與腐蝕判斷對比見表2，將美國、歐洲、日本及中國的一些較典型的規(guī)范標準作對比。不難發(fā)現(xiàn)，國外的一些標準確實有值得借鑒的地方，如細化預應力錨桿的設計使用年限、增加探究性錨桿試驗（探究錨固體的蠕變特性和與地層的黏結(jié)強度），增加對地層環(huán)境腐蝕判斷。在防腐設計中，要綜合考慮各種因素，分析判斷腐蝕環(huán)境，針對不同的腐蝕情況做出詳細的防腐處理。

表1 不同地區(qū)預應力錨桿設計規(guī)范對比Table 1 Comparison of design codes for prestressed anchors in different regions

表2 不同地區(qū)預應力錨桿防腐等級與腐蝕判斷對比Table 2 Comparison of anti-corrosion grade and corrosion judgment of prestressed anchor rods in different regions

1.2 理論研究現(xiàn)狀與存在問題

從20世紀中期開始，國內(nèi)外就致力于預應力錨桿技術理論的研究，其圍繞錨固體系和被加固的巖土體2個方面，主要研究錨固體預應力的傳遞機理、作用機理與錨固效果[19]。

1.2.1 預應力錨固作用機理與錨固效果

深埋預應力錨桿錨固巖體能夠達到加固不穩(wěn)定巖體的效果，國內(nèi)外學者通過實驗模擬、數(shù)值計算、現(xiàn)場試驗等方法對預應力錨桿作用機理與加固效果展開多方面研究，總結(jié)出預應力在巖土錨固中的3方面作用機理[19-21]：①通過預應力的上提作用和錨索的抗剪作用來限制邊坡的潛在滑動和滑面上塑性區(qū)的發(fā)展，以維持邊坡的深層穩(wěn)定；②通過預應力對坡體表面的壓縮加固作用和外錨頭的支承作用來保證邊坡的淺層穩(wěn)定；③通過施加的預應力改善圍巖力學參數(shù)，改變巖體受力狀態(tài)以及應力場分布，從而提高圍巖的承載能力。由此看出預應力錨固使巖體錨固范圍內(nèi)的峰值強度、殘余強度、彈性模量、黏聚力、泊松比等力學性質(zhì)均發(fā)生了改變，同時不少學者也研究了錨桿長度、直徑、傾角、錨固間距、預應力大小對錨固效果的影響，通過改變上述某一變量分析其與巖體力學性能的關系，獲得了一些定性結(jié)論和經(jīng)驗公式，但這些研究相對簡單，對于巖體的節(jié)理、裂隙、構(gòu)造等未做深入的考慮，因此在研究預應力錨固效果時有些理想和片面。

1.2.2 預應力錨固體傳力機理

預應力錨固傳力機理主要研究灌漿體和桿體的黏結(jié)特性、錨固體與巖土體之間的荷載傳遞問題以及預應力的傳遞規(guī)律[22]。由于涉及到三相介質(zhì)和2個界面的力學特性[23]，同時面臨著預應力問題，使其研究異常復雜，因此，預應力錨固體傳力機理的理論研究遠遠滯后于實際工程應用。盡管如此，錨桿傳力機理的研究仍然取得不少成果，指數(shù)函數(shù)模型、雙曲線函數(shù)模型、改進的剪滯模型等多種模型的建立，使巖土體與灌漿體這種非均質(zhì)、非線性的界面條件下荷載傳遞規(guī)律愈來愈明顯。除此之外，斷裂力學和損傷力學也先后引入巖體錨固性能研究中，均取得了顯著的效果。針對不同巖性如何選取合理的錨固力學傳遞計算模型，剪應力與預應力的定量計算也需要更深入的研究。將彈塑性力學、黏彈性力學、斷裂力學與損傷理論等同時結(jié)合考慮的相關研究至今沒有[1]。另外，關于新型預應力錨桿，如拉力分散型、壓力分散型、擴體型錨桿等的傳力機制研究有待進一步開展研究。

1.3 應力腐蝕與防護及存在問題

預應力錨桿的腐蝕因素眾多，任何外部因素（如地層中存在的雜散電流以及地層和地下水中的腐蝕介質(zhì)作用）、內(nèi)部因素（預應力錨桿防護系統(tǒng)的失效和雙金屬作用）以及時間因素都會導致不同程度的腐蝕破壞[24-25]。同時預應力狀態(tài)下的鋼材腐蝕要比普通受力狀態(tài)下的鋼材腐蝕速度快很多，且以應力腐蝕和氫脆破壞為主，嚴重影響錨固體系的服役壽命。雖然我國在預應力錨固技術方面的應用較晚，但因應力腐蝕和氫脆破壞導致錨固結(jié)構(gòu)失效的案例屢見不鮮，如廣州海印大橋預應力斜拉索斷裂、安徽梅山水庫的預應力錨索鋼絲斷裂等。宏觀來看，人們對應力腐蝕的機理認識達成一致，認為預應力錨桿受到高拉應力作用，使鋼筋表面產(chǎn)生微裂縫，更易于腐蝕性介質(zhì)進入從而產(chǎn)生破壞；微觀上由于眾多因素的影響使其對于應力腐蝕的解釋不盡相同。盡管如此應力腐蝕的理論研究日趨成熟，滑移溶解機理、沿晶界擇優(yōu)溶解機理、腐蝕產(chǎn)物的楔入理論、應力吸附開裂理論[26]等詳細解釋了應力腐蝕的作用機理，但每個理論都有其適用的范圍，難以形成統(tǒng)一的理論體系。同時現(xiàn)有的實驗研究也多圍繞普通錨桿的腐蝕機理、腐蝕速率及腐蝕損失率開展，對預應力錨索腐蝕問題的研究重視程度還不夠，不同酸性、堿性環(huán)境條件的復雜工程中對預應力錨桿的腐蝕規(guī)律也需要進一步研究。另外，我國錨固規(guī)范中對錨桿長期性能的要求相對國外較低，缺乏對地層腐蝕性介質(zhì)的判斷，對環(huán)境因素如地下水、土中的侵蝕性介質(zhì)影響下的耐久性要求也考慮較少。

錨固體系中金屬構(gòu)件的防腐是整個錨固工程安全的核心，不同的工程環(huán)境應采取綜合保護措施，以提高錨固體系的防腐能力和服役壽命。建立有效的錨桿防護體系至關重要，使用防腐性能好的預應力鋼筋，同時錨固段進行雙層防護，并對防腐系統(tǒng)的完整性進行試驗；減少拉力分散型錨桿的使用，多采用壓力分散型錨桿；大噸位預應力錨桿鎖定荷載不宜超過筋體抗拉強度標準值的60%；時刻保證一期和二期注漿灌注密實，提高預應力錨固質(zhì)量。

1.4 錨固材料與施工工具現(xiàn)狀與存在問題

在錨桿筋材方面，我國預應力鋼材正在向高強度、大直徑方向[27]發(fā)展，應用較多的鋼絞線強度為1 860 MPa，最大直徑為17.88 mm，少數(shù)鋼絞線強度已達到2 000 MPa，以及環(huán)氧涂層鋼絞線的應用改善了預應力錨桿的耐久性能，為提高預應力錨桿的承載力創(chuàng)造了良好條件。在錨桿黏結(jié)材料方面，各種新型復合早強劑如甲酸鈣-晶胚、甲基丙烯酸-晶胚[28]的出現(xiàn)，大大縮短了凝結(jié)時間，顯著提高了水泥砂漿的強度，使早強預應力錨桿的應用成為現(xiàn)實。在錨桿施工機具方面，錨桿鉆機正向多功能，集成化的機載式方向發(fā)展，具有液壓、氣動、電動三大系列[29]，澳大利亞喬伊公司的支腿式氣動錨桿鉆機、澳大利亞POBAM型液壓鉆機、我國新型鉆機等相應錨固機具配套設備的應用，提高了預應力錨桿的工作效率。需要注意的是，在預應力錨桿和相匹配的錨具發(fā)生變形破壞時保證鋼材先斷裂，而目前往往是錨具先發(fā)生破壞，其原因可能是廠家提供的預應力鋼材的實際抗拉強度過高，這就需要一定的施工工藝來減小誤差并相應的提高錨具強度，完善錨固工具的配套設施。因此預應力錨桿鋼材與錨具夾片以及施工機具之間的最優(yōu)匹配問題值得關注，對于未來更高強度的鋼材來說，生產(chǎn)出匹配性能更好的張拉錨夾具和適應性更強的鉆機設備至關重要，使其能夠減少一部分預應力損失。

1.5 預應力損失的研究與存在問題

預應力損失是預應力錨桿支護失效的關鍵因素，其大致可分為3個損失階段：錨桿張拉期間、鎖定階段和鎖定后期[10-17]。具體表現(xiàn)為在進行錨桿張拉時實際鎖定值遠小于施加的壓力值，據(jù)相關某基坑支護工程中的數(shù)據(jù)表明，最大損失率高達41.1%，遠達不到設計荷載，嚴重降低了錨桿支護作用；在錨桿鎖定過程中，由于錨固體系自身收縮、施工機具以及施工工藝都會引起相應的預應力損失；在錨桿工作期間，自身鋼材的松弛、混凝土的徐變加上所受到得群錨效應、巖體蠕變、周圍溫度濕度變化等影響，使得預應力再次損失，并且難以準確計算錨桿具體的損失量[30-31]。針對不同階段的預應力損失，不少學者通過實驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方法探究各種影響因素對預應力損失的敏感程度，陳安敏等[32]通過實驗模擬給出錨索預應力在張拉期隨時間損失的計算方法，張發(fā)明等[33]、陳沅江等[34]、王渭明等[35]、羅基偉等[36]、范一平[37]通過利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出工作期間預應力損失的經(jīng)驗計算公式。在不同工程中如基坑支護、擋土墻加固、煤礦巷道等也都對預應力損失機理、補償措施以及預測模型都有所研究[38-41]，除使用低松弛鋼材、采取多次張拉技術和保持適宜的荷載比外，后期預應力損失的監(jiān)測工作也是必不可少。目前，對于預應力損失的研究已從單一因素轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁蛩伛詈闲瑥亩唐趽p失到研究長期損失規(guī)律。吳愛祥等[42]、王清標等[43]、王賀平[44]、王國富等[45]、李濤等[46]、馮忠居等[47]通過建立多因素耦合效應的流變模型，從理論上分析和預測預應力損失大小；朱晗迓等[48]、徐毅青等[49]系統(tǒng)總結(jié)了錨索預應力長期損失規(guī)律。但是錨索預應力損失影響因素眾多，損失機理未形成統(tǒng)一，各種因素的敏感程度需要量化處理。不僅如此，對于沖擊、疲勞荷載、地震作用等特殊因素引起的預應力損失量遠大于長期靜荷載作用[50-53]，但與此相關的研究很少。綜上，關于預應力損失的機理和規(guī)律應進入更深層次的研究，各種影響因素之間的關系還有待商討；針對每個階段預應力損失都應制定有效的對策，目前對此沒有詳細的解決措施來降低各階段錨桿應力損失；對錨桿工作期間監(jiān)測重視程度不夠，特別是對錨桿應力損失的長期監(jiān)測；另外，需要加強對突發(fā)性因素如爆破、地震等影響的預應力損失研究，可在錨桿支護前提前進行軟件模擬計算。

2 未來發(fā)展方向

2.1 新型灌漿材料的研究與應用

為了更好的改善預應力錨桿的錨固性能和力學性能，單純提高水泥和砂漿標號已經(jīng)不能滿足實際工程要求，需要開發(fā)研制出新型膠結(jié)體材料。灌漿料中摻入纖維能夠顯著提高錨桿的錨固能力，但纖維種類繁多，如玄武巖纖維、鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維及合成纖維等都具有各自的優(yōu)缺點。現(xiàn)階段還沒有綜合性能很高的纖維應用到錨桿灌漿材料上，目前關于混合纖維在改善混凝土性能方面的研究過多。研究表明，鋼-碳混合纖維所產(chǎn)生的正混合效應遠遠大于其單一纖維的作用，大大提高了混凝土的抗壓強度、抗沖擊性能以及耐久性，同時在混凝土基體中摻加鋼-玄武巖混合纖維也能顯著提高混凝土的密實度。因此可將這些混合纖維如鋼-玄武巖混合纖維、鋼-碳混合纖維等運用到預應力錨桿灌漿材料中，利用多種纖維之間的正混合效應來彌補單一纖維的局限性，使不同纖維優(yōu)勢互補，更好改善灌漿料的性能，提高灌漿體與桿體及巖土體之間的黏結(jié)強度。與此同時，使用平均粒徑小于3~4μm的超細水泥和早強型環(huán)氧黏結(jié)劑以及復合早強劑來提高灌漿料的密實度，也可提高預應力錨桿的強度。但這種高性能預應力錨固體系的研究又將與傳統(tǒng)預應力錨固體系不同，其受力效應、作用機理、破壞機制和長期性能的影響因素等都發(fā)生了改變，隨著新型灌漿材料的應用，這些問題都需要探討。

2.2 特殊環(huán)境條件下的預應力錨固性能研究

現(xiàn)有錨固性能的研究多是在靜態(tài)條件下完成，很少涉及到關于爆破沖擊、凍融循環(huán)、疲勞荷載、高溫高壓、地震作用等動載狀態(tài)下預應力錨桿錨固性能的研究及設計方法。如礦山巷道的開挖常采用爆破方式，錨桿在多次爆破沖擊下處于多應力耦合狀態(tài)，此時錨桿的應力分布、應變規(guī)律以及巖體損傷累積效應需進一步研究，相應的評價標準也需要進一步討論，爆破沖擊下圍巖與錨桿的關系也尚不明確；凍融循環(huán)下預應力錨固結(jié)構(gòu)的有效黏結(jié)強度、損傷機理及相關影響因素，疲勞荷載下預應力錨桿錨固段的微觀變化與破壞機理，高溫環(huán)境下預應力錨桿的荷載傳遞機理及高溫對其力學性質(zhì)的影響，地震作用下預應力錨桿的受力形式、作用機理及破壞機制，以及它們的耦合作用都將是該領域重點研究的內(nèi)容之一，這些研究可在靜力研究的基礎上進一步深化和完善。

2.3 預應力錨桿的群錨效應

一般情況下不同的圍巖強度錨桿所設置的數(shù)量和間距有所不同，產(chǎn)生的群錨效應也就不一樣，為了減少群錨效應提高預應力的利用率和效果，針對不同的地層巖性，需要探索合理的錨索間距，現(xiàn)有的規(guī)范并不能準確定性地分析出群錨效應與錨固長度、錨固數(shù)量、錨桿埋深、錨桿傾角之間的具體關系，僅靠經(jīng)驗進行預應力群錨設計是非常不可取的；單根錨桿預應力損失的公式是否同樣可以運用到群錨體系中任意1根錨桿預應力損失值的計算、群錨效應對錨桿極限承載力損失程度的相關計算仍需要進一步商榷，群錨效應的理論研究仍是發(fā)展的一大趨勢；關于群錨的實驗研究受設備、技術條件及專業(yè)人員等多重因素的限制，因而很難開展試驗，缺乏實驗數(shù)據(jù)的支撐，未來關于群錨效應試驗研究可能是1個熱門方向；不同的工程地質(zhì)環(huán)境，產(chǎn)生群錨效應會有所不同，需要具體問題具體分析，如何將其系統(tǒng)化、規(guī)范化需要進一步深化研究。加強對群錨效應的理論認識、實驗研究，繼續(xù)探索群錨效應理論、完善預應力錨索設計、提出相應的計算模型，對最大限度地發(fā)揮預應力錨桿十分有意義。

2.4 提高現(xiàn)有的預應力錨桿檢測技術水平

作為錨桿預應力檢測最熱門最有潛力的無損檢測法，現(xiàn)在仍處于不成熟時期。還需要對預應力錨桿錨固質(zhì)量檢測理論進入更深的研究，雖然彈性波法、應力波法在國內(nèi)外錨桿檢測應用廣泛，但仍有些問題要克服，如聲彈性系數(shù)選取、波傳播中干擾因素的分析等，總之需要對超聲應力波的正反演理論機理不斷完善，使現(xiàn)代檢測技術理論研究更完備、科學、實用；進一步深化模型試驗研究，加強室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合，研究波的相關參數(shù)與錨桿質(zhì)量、荷載等之間的對應關系；利用智能檢測儀器，結(jié)合先進的信號分析方法如小波分析、譜分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、傅里葉和希爾伯特-黃變換（HHT）分析等，進行有效的數(shù)值分析和函數(shù)模擬，對預應力錨桿的局部及整體性能進行全面檢測分析，使檢測智能化；由于檢測數(shù)據(jù)冗雜人為處理相對困難，因此需要建立自動化計算體系，從而達到更高的預測精度，使預應力錨桿檢測技術進入現(xiàn)代化先進水，同時為保證錨桿質(zhì)量評估更準確還因結(jié)合不同專家進行評價，盡管各種無損檢測技術的檢測方法、理論、技術、設備等都并非成熟，實際應用效果可能差強人意，相信隨著檢測技術理論的完善和智能化體系的建立，這些問題都將得到解決。

2.5 合理進行大數(shù)據(jù)整合及信息化監(jiān)測

對預應力錨桿的力學性能如軸力、應力、應變等關鍵部位同時進行監(jiān)測，借助大數(shù)據(jù)平臺，將這些數(shù)據(jù)進行實時、快速處理整合到計算機上，通過整理的數(shù)據(jù)時刻掌握錨桿的動態(tài)信息，觀察其受力狀態(tài)，以便在其達到極限狀態(tài)前及時補救，確保工程安全；對監(jiān)測范圍大的巷道圍巖，可利用三維激光掃描技術對變形進行監(jiān)測，由掃描得到水平和豎向變形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，利用計算機將不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，同時正確處理監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性，這種定性與定量的時測分析更好地實現(xiàn)了巷道失穩(wěn)的超前監(jiān)測預警；預應力錨桿監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有復雜性、多變性、和離散性特點，難以對錨桿錨固質(zhì)量做出正確的評價，評價精度與大數(shù)據(jù)融合處理之間的問題亟待解決，因此建立以云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為基礎的評價體系，不僅能夠提高數(shù)據(jù)處理效率而且解決了評價結(jié)果的可靠性問題。利用大數(shù)據(jù)融合和信息化監(jiān)測技術，根據(jù)安全監(jiān)測的反饋信息，不斷優(yōu)化錨固體系設計從而保證巖土工程安全穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

應用預應力錨桿加固巖土，不僅可以提供足夠的抗滑力，對巖土潛在滑移面的抗剪強度也有所提高，這是一般支檔結(jié)構(gòu)所不具備的力學作用。巖土預應力錨固技術發(fā)展至今，為更好適應現(xiàn)代化建設，仍需在以下幾個方面進行完善和創(chuàng)新：①關于預應力錨固技術的理論如錨固理論、傳力機理等和耦合模型的研究；②改善預應力錨桿結(jié)構(gòu)類型，開發(fā)研制新品種和施工工藝，同時加強配套設備的裝配式生產(chǎn)；③加強錨桿的全壽命周期監(jiān)測和安全性評價，提高檢測技術；④加強對特殊環(huán)境下預應力錨桿的性能研究，注重預應力損失和群錨效應問題研究；⑤依托于計算機技術，加強大數(shù)據(jù)融合技術在實際工程的應用與發(fā)展。