吉星剛

中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)

巖土錨固工程的力學(xué)概念分析

吉星剛

中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)

目前我國一些巖土錨固工程沒有明確的力學(xué)概念，運(yùn)用了不合理的設(shè)計(jì)施工手段，使得錨桿無效，多次出現(xiàn)工程事故。分析了巖土錨固工程的力學(xué)概念，目的是為了獲得高水平的錨固工程的設(shè)計(jì)施工，指導(dǎo)錨固工程的安全進(jìn)行，帶來更大的經(jīng)濟(jì)收入。

巖土；錨固工程；力學(xué)概念

1 引言

我國地域廣闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工程建設(shè)力度逐漸加強(qiáng)，巖土錨固工程應(yīng)用更加深入。處在這種新環(huán)境中，部分巖土錨固工程力學(xué)概念并不明確，未合理設(shè)計(jì)，多次出現(xiàn)了錨桿失效等一些問題，引發(fā)了諸多錨固工程垮塌事故。綜合研究錨固工程穩(wěn)定性影響的設(shè)計(jì)施工因素并不多見。研究了與巖土錨固工程的力學(xué)概念有關(guān)的一些問題，更清晰地呈現(xiàn)錨固工程中一些干力學(xué)概念，獲得較高的巖土錨固設(shè)計(jì)施工水平，使錨固工程獲得良好的安全性，創(chuàng)收較大經(jīng)濟(jì)效益。

2 筋截面面積、錨桿錨固體、自由段與錨桿的拉承載力關(guān)系

2.1 巖土錨固工程的預(yù)應(yīng)力筋截面面積設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨桿把拉力傳至合適巖土體中，通常構(gòu)成部分包括桿體自由段、桿體錨固段、錨頭。巖土中預(yù)應(yīng)力錨桿為后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極具代表性，務(wù)必符合張控控制應(yīng)力所需?，F(xiàn)階段各國對(duì)巖土錨桿標(biāo)準(zhǔn)做出認(rèn)定，在滿足設(shè)計(jì)抗力要求過程中，相比鋼材標(biāo)準(zhǔn)極限抗拉強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力錨桿筋體的張拉應(yīng)力比其3/5較小。

2.2 巖土錨固工程的錨桿錨固段長度設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段通過機(jī)械裝置將拉力傳至周圍地層。錨固段長度不斷增加時(shí)，錨桿抗拔承載力也相應(yīng)增加，由于基坑設(shè)計(jì)程序一定要有效計(jì)算錨桿錨固段長度。錨桿錨固段長度可凸顯黏結(jié)效應(yīng)，無法使錨桿獲得較高的抗拔承載力，錨固段過長，不利成本節(jié)約，延遲了施工的進(jìn)行，錯(cuò)失施錨時(shí)機(jī)，給工程帶來負(fù)面影響。

2.3 巖土錨固工程的自由段長度設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨桿桿體自由段，這種功能借助筋體張拉時(shí)的自由彈性伸長，提供張拉力，充分傳遞拉力，至錨固體附近地層中。錨桿自由段要充足，這點(diǎn)很重要，錨桿自由段的臨界破壞面一定要超過1.5m。錨桿錨固段距離潛在破壞面的距離充足時(shí)，使錨桿抗力更好地凸顯效果。另外，自由段長度足夠后，才能更好地把錨固段布置在良好抗剪強(qiáng)度的地層中，從整體上維持錨桿自由段的穩(wěn)定。自由端長度足夠長時(shí)，可減輕錨桿初始預(yù)應(yīng)力大范圍變動(dòng)，防止底層位移增多時(shí)，影響傳遞載荷。為此。國外與我國對(duì)錨桿自由段長度做出規(guī)定，其長度位于4.5mm-5m。

3 錨桿抗拔承載力的提高方法

通過下述三種形式，可使錨固體周邊巖土體具有較大的抗剪強(qiáng)度，明顯提升了復(fù)雜巖土層中錨桿的抗拔力。

①單孔復(fù)合錨固法可提高錨桿抗拔承載力。將兩個(gè)及以上單元錨桿設(shè)置字鉆孔內(nèi)，每個(gè)單元的桿體錨固段與桿體自由段是獨(dú)立的，以張壓力施加于各單元錨桿后，讓地層間的黏結(jié)應(yīng)力與注漿體均勻分布，極大減少了應(yīng)力峰值，將錨固段周邊地層抗剪強(qiáng)度充分利用起來，通過這種方法使錨固體總長度不斷增加。

②后高壓注漿錨固法可提高錨桿抗拔承載力。將一些具有特殊裝置的錨桿桿體插入孔內(nèi)，如，密封袋與袖閥管等，通過注漿槍將水泥漿灌注在錨桿錨固段，生成圓柱狀注漿體，達(dá)至5.0 MPa強(qiáng)度后，使用的高壓注漿漿液≥2.5 MPa，將初次注漿體開啟，于錨固段周邊實(shí)施擠壓與擴(kuò)散，讓注漿體與地層間具備了良好的黏結(jié)強(qiáng)度，繼而極大提升了錨桿的極限抗拔力。

4 洞室圍巖過度變形與部分地段圍巖破壞因素

①強(qiáng)度應(yīng)力比較小圍巖位移的時(shí)效性特征。錦屏一級(jí)主廠房最大主應(yīng)力在30 MPa以上，具有較小的巖石強(qiáng)度應(yīng)力，開挖洞室，圍巖早期表現(xiàn)出較大的形變，在深度方向發(fā)展上，變形范圍寬，持續(xù)時(shí)間較長，加劇了圍巖變形。在這種圍巖條件下，被動(dòng)的普遍水泥砂漿錨桿全部應(yīng)用于初期系統(tǒng)錨桿中，并不適合應(yīng)用于洞室開挖早期變形發(fā)展中，經(jīng)過三個(gè)月，一些測點(diǎn)位移在20 mm以上，經(jīng)過一年，位移在60 mm以上，位移并未有所穩(wěn)定。

②預(yù)應(yīng)力長錨桿拉力設(shè)計(jì)值較低。洞室圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小，經(jīng)過開挖，形變量越來越大，持續(xù)相當(dāng)長一段時(shí)間，因?yàn)閲鷰r變形，導(dǎo)致錨桿拉力明顯變大，選取50%～60%錨桿拉力設(shè)計(jì)值，這是比較合適的。以極度降低初始預(yù)應(yīng)力值是行不通的，對(duì)大跨度高邊墻洞室而言，通常其預(yù)應(yīng)力錨桿的初始預(yù)應(yīng)力值在1500～2000 kN間，低強(qiáng)度巖體中的錨桿初始預(yù)應(yīng)力值則變小，數(shù)值約1000 kN，圍巖變形和支護(hù)抗力下，導(dǎo)致這種失衡現(xiàn)象更嚴(yán)重[2]。

5個(gè)月施錨，部分區(qū)段圍巖位移呈現(xiàn)等速發(fā)展趨勢。考慮到以上情況，需要多次使用增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿，以強(qiáng)化支護(hù)，穩(wěn)定圍巖變形，強(qiáng)度應(yīng)力比較小的一些巖體經(jīng)過開挖，其強(qiáng)度較小，其應(yīng)力–應(yīng)變特征的時(shí)效性較為明顯，不同時(shí)間段，這種實(shí)效性變化是不同的，在特定的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，剛度較低的支護(hù)特征和圍巖特征會(huì)存有曲線圖上的交叉點(diǎn)，表明二者能夠獲得平衡。支護(hù)具有柔性特征，使得比較低的壓力對(duì)支護(hù)體有所作用，而位移變動(dòng)較大，圍巖隨時(shí)出現(xiàn)松散的情況，為此，一定要增設(shè)剛度與抗力足夠的錨桿支護(hù)，以獲得在第三時(shí)間內(nèi)兩者新的平衡。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段巖土錨固工程事故常有發(fā)生，對(duì)度巖土錨桿設(shè)計(jì)應(yīng)用中的力學(xué)概念問題做出如上分析，對(duì)自由段、錨桿錨固體、筋體潔面設(shè)計(jì)與錨桿承受的拉承載力關(guān)系，分別從預(yù)應(yīng)力筋截面面積設(shè)計(jì)、錨桿錨固段長度設(shè)計(jì)、自由段長度設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行分析。對(duì)錨桿抗拔承載力的提高方法，從單孔復(fù)合錨固法、擴(kuò)體擴(kuò)頭錨固法、后高壓注漿錨固法進(jìn)行分析。分析洞室圍巖過度變形與局部地段圍巖破壞因素時(shí)，從強(qiáng)度應(yīng)力比較小圍巖位移的時(shí)效性特征與預(yù)應(yīng)力長錨桿拉力設(shè)計(jì)值偏低做出分析。總之，分析巖土錨固工程的力學(xué)概念，希望巖土錨固工程借助豐富的理論研究，更好地開展實(shí)踐工作。

[1]楊麗珍,張昕朗,孫鵬.巖土錨固工程的若干力學(xué)概念問題[J].中國建材科技,2016(3):153+160.

[2]程良奎,張培文,王帆.巖土錨固工程的若干力學(xué)概念問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015(4):668～682.