巖土錨固理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展

杜佶崢，苗子臻，邱浩然

（1. 中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北廊坊，065000；

2. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京，100144）

巖土錨固理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展

杜佶崢1，苗子臻2，邱浩然2

（1. 中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北廊坊，065000；

2. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京，100144）

巖土錨固作為巖土加固和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)而有效的方法，在我國邊坡、基坑、礦井、隧洞、壩體及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用。本文首先從錨桿錨固力、錨固效果等方面對巖土錨固理論研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要論述，然后針對研究中存在的問題及研究發(fā)展方向提出一些合理化建議。

巖土錨固；錨固力；錨固效果

引言

巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支，在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能充分地調(diào)用和提高巖土體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，有效保證施工安全［1，2］。因此，巖土錨固作為解決巖土工程穩(wěn)定性問題的經(jīng)濟(jì)、有效方法，在邊坡、基坑、礦井、隧洞、壩體及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)中獲得了廣泛應(yīng)用。另外，隨著我國水利、能源、交通和城市基礎(chǔ)設(shè)施的大力興建，特別是對交通基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大，巖土錨固的應(yīng)用前景十分廣闊。

1 理論研究現(xiàn)狀

由于錨桿的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對錨桿的支護(hù)理論進(jìn)行了諸多研究。目前對巖土錨固機(jī)制的研究主要圍繞以下兩方面進(jìn)行：

（1） 從錨固段荷載傳遞機(jī)理出發(fā)，對錨固段荷載分布規(guī)律以及其它諸多因素對錨固力影響進(jìn)行研究，研究如何獲得更大錨固力；

（2） 從錨固體系作用機(jī)理出發(fā)，研究錨固效應(yīng)的發(fā)揮。

1.1錨固力研究

所謂錨固力研究，就是眾多學(xué)者通過理論推導(dǎo)、現(xiàn)場試驗以及數(shù)值模擬等方法對錨固體荷載傳遞及影響因素進(jìn)行大量研究，而后歸納得到具有普適性的錨桿承載力的過程。大量研究結(jié)果表明，錨固體系荷載傳遞規(guī)律、錨固體系參數(shù)決定了錨固體系失效形式，錨固體系失效形式又決定了錨固體系極限承載力的大小。

程良奎、何思明等通過對大量研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，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(wěn)定巖體，且隨著荷載的增加，沿錨固段應(yīng)力以漸進(jìn)方式移向錨固段遠(yuǎn)端［3-4］。尤春安通過理論推導(dǎo)得出錨固體應(yīng)力分布彈性解，得出錨固段剪應(yīng)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(jié)論［5］。戰(zhàn)玉寶等通過數(shù)值模擬分析，同樣得出沿錨固段剪應(yīng)力呈非均勻分布，且隨著荷載的加大，剪應(yīng)力分布逐漸下移的結(jié)論［6］。沈俊等通過現(xiàn)場拉拔試驗，得出在巖質(zhì)邊坡條件下，無論是拉力型還是壓力型，沿錨固段長度自錨固段靠近孔口端向內(nèi)的注漿體與圍巖間剪應(yīng)力總是先迅速增至最大，然后按負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減。其中拉力型錨索與注漿體界面剪應(yīng)力沿錨固段長度從錨固段靠近孔口端向內(nèi)按負(fù)指數(shù)函數(shù)分布，且隨著荷載則增加，注漿體與圍巖間峰值剪應(yīng)力及有效長度均增加。拉力型有效長度增加較明顯，而壓力型峰值剪應(yīng)力增加較明顯［7］。張友葩等基于預(yù)應(yīng)力錨桿在相同荷載作用下，錨固段的切向位移越小，錨桿的承載性能越好這一特性，根據(jù)工程實際，對錨固長度進(jìn)行較系統(tǒng)地分析，得出錨固力與錨固長度并不成正比的結(jié)論：錨固長度超過一定值之后，錨桿承載力的提高不大。這與程良奎等人研究結(jié)果一致［8］。張潔等采用理想彈塑性荷載傳遞函數(shù)，對錨固長度與極限承載力關(guān)系進(jìn)行分析，推導(dǎo)出臨界錨固長度的解析算式，并建議錨固段設(shè)計長度應(yīng)小于臨界錨固長度［9］。

楊慶等采用理想彈塑性載荷傳遞模型，根據(jù)壓力型錨索錨固段的受力平衡，推導(dǎo)出壓力型錨索錨固段的應(yīng)力分布函數(shù)，并通過分析得知：在錨固體受力容許范圍內(nèi)，施加的預(yù)應(yīng)力越大，錨固效果越好；錨固體直徑及錨固段的彈性模量的提高有助于錨固效果的提高［10］。戰(zhàn)玉寶等通過有限元數(shù)值模擬對拉力型預(yù)應(yīng)力錨索錨固段應(yīng)力分布規(guī)律，以及圍巖性質(zhì)、錨固體直徑、錨固段長度對錨固段應(yīng)力分布規(guī)律的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：巖體越軟，剪應(yīng)力分布范圍越大、越均勻；剪應(yīng)力峰值越小，巖體越硬，剪應(yīng)力分布越集中，剪應(yīng)力峰值越大。同樣地，錨固體直徑越小，剪應(yīng)力分布越集中，峰值越大；直徑越大，剪應(yīng)力峰值越小，分布越均勻［6］。肖世國等［11］從錨索樁受力的角度，采用橫向變形約束彈性地基梁法，結(jié)合工程實例，研究了錨索自由段長度對錨索樁系統(tǒng)受力的影響，指出錨索拉力隨著錨索自由段長度減小而增大，樁身剪力、彎矩的減小有助于錨固體系承載性能發(fā)揮。

在實際工程中，錨固體系失效形式主要有桿體（鋼絞線）斷裂、桿體與注漿體界面滑移、注漿體破壞、注漿體與外部巖土體界面滑移、外部巖土體破壞等5種。鑒于桿體（鋼絞線）性質(zhì)較易掌握，目前對于破壞形式的研究主要圍繞其他4種形式展開。

尤春安［5］通過室內(nèi)拉拔試驗對錨固段界面力學(xué)特性進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明錨固系統(tǒng)的失效的主要形式為注漿體與巖土體界面滑移破壞，并且在正常設(shè)計荷載作用下，預(yù)應(yīng)力錨索錨固段側(cè)阻力一般由處于脫黏變形階段的水平直線部分、處于塑性階段的曲線部分和處于彈性階段的曲線部分3部分組成，并基于界面力學(xué)剪滯模型推導(dǎo)出預(yù)應(yīng)力錨索極限承載力計算方法。范宇潔等［12］考慮預(yù)應(yīng)力錨索幾何形狀對錨索與注漿體界面的影響，采用解析方法分析錨索與砂漿界面的應(yīng)力狀態(tài)和破壞機(jī)理，建立新的極限承載力計算公式。李術(shù)才等［13］采用Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，分別考慮錨固體發(fā)生界面滑脫破壞與錨固段周圍巖體破壞兩種情況，根據(jù)塑性力學(xué)中的上限分析定理，推導(dǎo)出錨索極限抗拔力的計算方法。何思明等［14］以眾多試驗資料為研究基礎(chǔ)，提出了一個可包含多種破裂面形式的方程，然后根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及極限平衡原理對預(yù)應(yīng)力錨索的極限承載力進(jìn)行了研究，并運(yùn)用極值思想提出了預(yù)應(yīng)力錨索錨固力計算方法。李鈾等［15］采用塊體極限平衡法，對錨固體注漿材料塊體之間的分離破壞模式及破壞時錨固力傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出該模式下錨固力傳遞遞推公式。目前，規(guī)范主要從桿體與注漿體界面滑移破壞、注漿體與外部巖土體界面滑移破壞兩個方面對錨固段長度設(shè)計進(jìn)行限定，錨固段設(shè)計長度取設(shè)計長度的較大值，計算公式如式（1）和式（2）所示：

式中具體參數(shù)含義及取值同現(xiàn)行《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》第4.6.10條規(guī)定。

1.2錨固效果研究

巖土錨固的效果是指由于錨固體的存在，錨固體系充分發(fā)揮錨桿及巖土層自身強(qiáng)度及自穩(wěn)能力，從而使得不穩(wěn)定地層保持穩(wěn)定的力學(xué)效應(yīng)。對巖土錨固加固效應(yīng)的普遍認(rèn)識可概括為以下五大方面：

①懸吊理論。懸吊理論是指通過錨桿的固定作用，把外部的不穩(wěn)定巖層以類似懸吊的方式固定在深部相對穩(wěn)定的巖層上。此理論認(rèn)為，抵消不穩(wěn)定巖層重量帶來的坍塌、傾覆的力就是錨桿提供錨固效應(yīng)。

②組合梁理論。組合梁理論是指通過錨桿的作用，將數(shù)層巖層連在一起，形成一個較厚的巖層。一方面錨桿的存在增加各巖層間的黏結(jié)力及摩擦力，限制了巖層面間的相對錯動；另一方面錨桿的存在增加巖層間的抗剪強(qiáng)度，從而將數(shù)個疊合巖層轉(zhuǎn)化為組合梁結(jié)構(gòu)，使巖層受力性能顯著提高。

③承載拱理論。承載拱理論是指由于錨桿預(yù)緊力的存在，位于錨固體兩端的巖體中將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力區(qū)，當(dāng)在洞室中以較小的間距布置預(yù)應(yīng)力錨桿時，錨固體兩端的壓應(yīng)力區(qū)相互交錯，在洞室圍巖中形成一個均勻壓縮帶，即承壓拱。承壓拱的存在使處于二維應(yīng)力狀態(tài)的外部巖土體保持三維應(yīng)力狀態(tài)，極大增加了圍巖承載能力。

④松動圈理論。圍巖松動圈理論認(rèn)為巷道支護(hù)的對象主要是松動圈圍巖的碎脹變形，支護(hù)的作用主要是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。

⑤中性點理論。中性點理論認(rèn)為在靠近硐室空間的圍巖體部分，圍巖體阻止錨桿向圍巖體內(nèi)部移動，錨固體與圍巖體界面剪應(yīng)力方向指向硐室空間，在遠(yuǎn)離硐室的圍巖體深部，圍巖阻止錨桿向硐室方向移動，錨固體和圍巖體界面剪應(yīng)力方向指向圍巖體深部，兩個剪應(yīng)力方向相反，因此錨固體上必存在剪應(yīng)力零點，即為中性點。從中性點至硐室方向間的錨桿部分稱為“拉拔段”，從中性點至圍巖體深部的錨桿部分稱為“錨固段”，此理論清晰地描述了錨桿在圍巖體內(nèi)的實際受力過程和情形，可較明確地確定錨桿的錨固段有效長度等設(shè)計參數(shù)。

2 存在問題及發(fā)展方向

雖然近些年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者通過大量室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場拉拔試驗、有限元數(shù)值模擬等手段不斷地對巖土錨固理論進(jìn)行研究，對巖土錨固荷載傳遞規(guī)律及加固機(jī)理有了較為深入的認(rèn)識，各種新型錨固體系紛紛涌現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用規(guī)模也越來越大，然而，對整個巖土錨固學(xué)科而言，巖土錨固理論研究仍存在一些問題：理論研究滯后于工程應(yīng)用；缺乏切合實際的精準(zhǔn)的計算模型；地震、沖擊荷載等動荷載條件下錨固體受力性能研究不足；對于某些新型錨固體系的加固機(jī)理的研究不足。因此，對巖土錨固理論的研究可從以下幾方面展開：

（1） 加強(qiáng)錨固機(jī)理研究，加強(qiáng)深部裂隙巖體、地震、沖擊荷載等條件下錨固體受力性能的研究；

（2） 進(jìn)行錨固段荷載傳遞規(guī)律系統(tǒng)研究，提出精準(zhǔn)合理計算模型；

（3） 加強(qiáng)新型錨固體系的研究，研發(fā)承載性能更優(yōu)的錨固形式。

3 結(jié)語

綜本文所述，自上世紀(jì)以來，巖土錨固的理論研究取得了很大進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者在錨固段剪應(yīng)力呈非均勻分布，以及錨固段存在臨界長度等方面取得了統(tǒng)一認(rèn)識，但由于地質(zhì)條件等因素的復(fù)雜性，在錨固力、錨固效果計算等方面仍存在一定不足，很多研究成果與實際情況有所出入，理論研究仍滯后于工程應(yīng)用研究。因此，在國內(nèi)外已有研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行深入細(xì)致理論研究，十分必要。

［1］程良奎. 巖土錨固研究與新進(jìn)展［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005， 24（21）: 3803-3811.

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杜佶崢，男，助理工程師，現(xiàn)工作于中國石油天然氣管道局第一工程分公司項目管理中心，主要從事管道及場站建設(shè)。E-mail: 150514821@qq.com

苗子臻（通信作者），男，碩士研究生，主要從事巖土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Research Status and Development of Anchorage Theory of Rock and Soil

Jizheng Du1， Zizhen Miao2， Haoran Qiu2（1. China Petroleum Pipeline Bureau NO.1 Construction Company， Langfang， Hebei， 065000， China；2. College of Civil Engineering， North China University of Technology， Beijing， 100144， China）

Geotechnical anchorage， as an economical and effective rocky reinforcement and structural stability measure， is widely applied in slope， foundation ditch， mine， anti-overturning structure and other engineering construction fields. First of all， geotechnical anchoring theory research status is described briefly from aspects of the anchoring force of anchor bolt and anchor effect， and then， aiming at existing problems in research and research direction of development， we put forward some feasible advices.

Geotechnical Anchorage； Anchoring Force； Reinforcement Effect

TU473

A

2095-8412 （2016） 04-635-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.014