岩土锚固技术_岩土锚固技术的种类

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摘要：本文主要介绍岩土锚固工程技术的发展和现阶段的研究现状，并且根据现阶段的研究现状概括出其未来研究的发展前景。

1.引言

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支。岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆（索）（以下统称锚杆），将结构物与地层紧紧地联锁在一起，依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固，从而增强被加固岩土体的强度，来改善岩土体的应力状态，以保持结构物和岩土体的稳定性［1］。随着我国基础设施的大力兴建, 岩土锚固已在我国边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程, 坝体、航道、水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛应用。由于岩土锚固作用机理复杂，锚固效果影响因素众多，为了充分发挥岩土锚固技术在工程加固方面的应用，需要了解岩土锚固技术应用现状、存在的问题和发展趋势。

2.岩土锚固技术的发展历史

我国岩土锚固工程技术的发展现状。我国在岩土锚固工程技术方面的应用开始于20 世纪50 年代，岩土锚固工程技术在大范围推广之前，由于技术理论尚不完善，实际操作还存在许多问题，所以只是在一些小型建筑项目上试用，这种工程技术的大力推广则是在改革开放之后。岩土锚固工程技术在地基、隧道、矿井工程中得到越来越广泛的应用，并且取得了出乎意料的工程效益。（2）国外岩土锚固工程技术的发展概述。岩土锚固工程技术在加固岩体基础和调节坡结构稳定性方面具有明显的优势，所以在国内被大范围的推广使用，国外有关岩土锚固工程技术的实际应用已经达到了相当成熟的地步，这项技术早已在矿井工程和航道施工项目上得到广泛的应用。岩土锚固技术在工程中的应用可追溯到20世纪初。1910－1911 年期间，美国首先在煤矿巷道和其他岩石矿山中应用锚杆支护顶板。此后，在有一定代表性的工程中应用，1918 年在西利西安矿山开采中应用了锚索支护；1934 年在阿尔及利亚的舍尔法大坝的边坡加固工程中应用了预应力锚杆；1957 年前联邦德国鲍尔公司在深基坑中应用了土层锚杆。我国锚杆的工程应用开始于20 世纪50 年代后期，并随着地下工程中锚杆技术的逐步应用，与喷射混凝土，其后又与其他的岩土加固技术(如注浆、桩墙等)相结合，形成了一整套使用广泛的岩土锚固工程技术。如今, 国外各类锚杆已达600余种。我国的锚固工程始于20世纪50年代, 随着地下工程的发展, 锚杆技术与喷射混凝土以及其他的岩土加固技术被逐步应用[ 1]。在保证岩土工程安全和可靠的所有措施中, 岩土锚固技术在多种工程处理技术中, 无疑是最具有安全性和经济性的选择。由于岩土锚固工程技术的飞速发展, 近年来被广泛的应用于边坡加固和整治工程中, 在很大程度上取代了传统的浆砌片石式挡墙或重力挡墙结构;在相当数量的深基坑工程中取代了水平横撑式支挡结构;在几乎所有的矿山法施工的地下工程中取代了分部开挖木支撑临时支护结构。在其他方面, 如深基坑工程、抗浮结构工程、大坝加固工程、抗震工程、工程拓宽工程以及悬索桥等锚固工程中, 岩土锚固技术都发挥了很大的作用。虽然岩土锚固技术在工程中已经得到了广泛的应用, 但是由于工程介质的复杂性以及锚固方式的多样性, 国内外还未出现统一的理论。

3.岩土锚固技术的研究现状 3.1锚杆荷载传递机理研究 对锚杆荷载传递机理的研究，国内外主要从荷载由锚杆转移到灌浆体的力学机理及灌浆体与钻孔孔壁间的力学机理方面进行研究。据Lutz（1967）、Hanson（1969）、Goto（1971）［3］等研究认为，锚杆表面存在着微观粗糙皱曲，浆体围绕着锚杆形成灌浆柱，在破坏前锚杆和灌浆体之间的结合力发挥作用；当锚杆和浆体发生一定的相对位移后，两者界面部位发生破坏，这时锚索和灌浆体之间的摩擦阻力发挥主要作用，且摩擦阻力随灌浆体的剪胀而增加，增大锚杆表面的粗糙度则能够提高摩擦阻力。对于光面锚杆，锚杆和灌浆体之间的结合主要取决于滑动前的附着力和滑动后的摩擦力。对于竹节锚杆，结合力主要取决于表面突节的机械作用。锚杆荷载传递的理论研究多半是根据力的平衡关系或者位移协调建立平衡方程，从而得到位移和应力解．目前锚杆荷载传递的理论研究方法有很多种，具有代表性的主要是双曲线模型、折线模型、基于共同变形原理的计算模型、剪切位移法．

3.2锚杆摩阻力的试验研究现状 经过大量的实验研究表明，在锚固体和锚固层之间发生相对移动或是有相对移动趋势时，锚杆就会发挥其抗拔作用．不管是哪一种锚杆，荷载的传递都是由锚杆杆体传递给胶凝材料，再由胶凝材料传递给基体．在荷载较小的情况下，锚杆杆体与胶凝材料之间，胶凝材料与基体之间的荷载传递主要是靠粘结力，但是如果荷载继续增加，灌浆体和锚杆杆体之间就会产生相对错动，此时则主要靠两者之间的摩擦力来传递荷载［１－２］．尤春安［１２－１４］通过实验室分析得出：锚固体与基体界面的锚固破坏是最主要的破坏形式，根据锚固体的荷载传递效应的不同，将锚固界面力的传递分为３个阶段：弹性阶段、相对错动阶段和滑动摩擦阶段，并首次提出了锚固界面力学理论． 3.3 岩土锚固作用机理研究

从概念上讲，岩土锚固作用机理研究经历了三个阶段［3］：

（1）建立在结构工程概念之上的岩土锚固作用机理，基于“荷载-结构”模式，把岩土体中可能破坏部分的重量及其他外力作为荷载由支护承担，包括锚杆支护的悬吊理论、组合梁理论、承载拱理论等；（2）建立在岩土工程概念之上的岩土锚固作用机理，强调充分发挥围岩土体的自身强度及自稳能力，使锚杆支护由支撑概念转变为加固概念，由被动承载改变为主动加固；（3）建立在地质工程概念之上的岩土锚固作用机理，不仅充分考虑了岩土体自稳能力，还考虑环境因素与工程的相互作用。3.4岩土锚固内力计算研究

3.5锚固材料现状

为了改善锚固材料在不同工作条件下的适应性并提高其经济性，近年来使用的锚材品种不断增多，工艺不断改进。工程实践中常用的锚杆，主要包括注浆型和机械型预应力锚杆、拉力型和压力型预应力锚杆、荷载分散型锚杆、全长粘结型锚杆、可拆芯式锚杆、树脂卷和快硬水泥卷锚杆、中空注浆锚杆、摩擦型锚杆 等［7］。其中，以无缝管锚管和水胀式锚杆为主的摩擦型岩石锚杆，特别适用于软弱围岩或受爆破震动影响下的地下工程;以树脂为粘结剂的锚杆和快硬水

泥卷锚杆，在矿山及交通隧道中应用较多;让压锚杆或伸缩式锚杆，特别适用于大变形和经受动压作用的矿山巷道支护结构。近年来，尤以岩土预应力锚杆技术发展最为明显，如用于坝基稳定的预应力锚索最长可达90 m，单根锚索的极限承载力达6 000 kN［8-10］。

在锚固锚杆的粘结材料方面, 随着各种水泥和各种高效早强剂的发展, 实现了早强水泥卷的广泛应用, 这类锚杆1 h的抗压强度已达到5 MPa～ 10 MPa, 粘结型锚杆2 h的最高锚固力可达到150 kN[ 9, 10] , 能显著的提高早期限制围岩变形的能力, 且成本相对较低, 现已被广泛的应用于有特殊需要的岩土锚固工程。在预应力锚杆(锚索)材料这一方面, 许多高强、低松弛效应的预应力钢丝、钢绞线不仅可以节约钢材, 方便施工, 在减少预应力损失方面具有更突出的特点[ 11]。

4.锚固技术的发展趋势

虽然大量的岩土工作者已经取得了许多的研究成果，可由于岩土工程专业本身的特点，导致了锚固体和基体性质很难确定，给锚杆受力荷载传递的研究带来了巨大的困难和挑战．因此，目前岩土锚固技术的研究远远滞后于应用领域，存在的问题和研究趋势主要表现在几个方面． 岩土锚固技术的工程应用研究：

（1）高承载力锚杆的研发、生产及应用；应用于复杂地层的轻型、高效、快速及多功能钻机及测试设备的研发；开发锚杆新品种和新工艺。（2）加强锚杆长期工作性能与锚固工程的安全评价，研发集成的锚固质量检测仪器和监测设备，加强施工质量控制和工程可靠性检测工作；（3）加强锚杆预应力损失的控制和防腐新技术的研究；

（4）如何回收锚杆，在回收锚杆的同时，如何加固曾作为锚固段的岩土体。5.锚杆荷载传递机理的研究应考虑粘结应力非均匀分布的事实，提出切合实际的单锚承载力的计算方法；

6.研究适合于各种锚固体系的理论分析和设计计算方法； 7.锚固体系的荷载传递计算模型和分布情况有待进一步研究．

8.加强对锚固工程设计理论的研究。研究岩土工程中锚杆支护的实用设计方法；进行预应力锚杆引起岩土介质中的应力重分布及剪切传递作用机理的研究；研究各种不同类型锚索锚固体内的应力传递规律。