武佳琦

(西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

引言

我國中西部地形復(fù)雜、崇山峻嶺、溝谷縱橫，鐵路、公路大部分都處在隧道內(nèi)、橋梁上、邊坡處，復(fù)雜多變的巖土工程問題層出不窮，一些位于穩(wěn)定性差、存在結(jié)構(gòu)面或者軟弱夾層巖土體區(qū)域?qū)ν饨鐢_動(dòng)極為敏感，因此極易觸發(fā)邊坡巖土體和隧道圍巖的失穩(wěn)破壞，以及山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。如果沒有合理的防護(hù)加固措施，將會(huì)引起大量的人員傷亡問題，并造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。為了防止此類變形破壞并確保工程安全，應(yīng)在巖土體中運(yùn)用加固措施，并對加固技術(shù)進(jìn)行深入全面的研究與開發(fā)。而錨桿錨固技術(shù)正是一種有效的防護(hù)加固措施，它能協(xié)助巖土體控制圍巖變形，利用巖土體本身的強(qiáng)度，激發(fā)本身所具備的能量，提高巖土體的自穩(wěn)能力，因此在工程中有著廣泛的應(yīng)用，用其解決復(fù)雜地質(zhì)工程問題十分經(jīng)濟(jì)、有效。

一、研究現(xiàn)狀

在巖土體開挖和施工的過程中，由于卸載巖土體內(nèi)部將發(fā)生內(nèi)部應(yīng)力重分布，這是應(yīng)力場變化后內(nèi)力達(dá)到重新平衡的過程，結(jié)果是引起巖土體的變形，或者是由于重分布后土體單元的應(yīng)力圓達(dá)到破壞線而導(dǎo)致坍塌。工程上產(chǎn)生的滑坡、巖崩、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害均是由于巖土體內(nèi)力場不利分布而導(dǎo)致。為防止上述不良后果的產(chǎn)生，人們越來越多的采用錨固技術(shù)，主要是錨桿的使用。為防止土體變形，人們常用鋼筋或鋼絞線來作為抗拉材料，將其一端固定在巖層深部，一端錨固在巖體表面，來抵抗土體的變形，維持土體穩(wěn)定。這些用來加強(qiáng)土體的抗拉桿體稱為錨桿。

(一)我國錨桿技術(shù)的發(fā)展簡史。我國的錨桿錨固技術(shù)最先應(yīng)用于20世紀(jì)50年代后期，主要應(yīng)用于礦山巷道中，之后隨著技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的熟練，1964年，安徽梅山水庫開始采用能夠承載很高預(yù)應(yīng)力的錨桿加固壩基。之后的20世紀(jì)80年代，我國的巖土錨固技術(shù)達(dá)到了全盛時(shí)期，在此期間修建的李家峽水電站、小浪底水利樞紐、二灘水電站、中國石泉大壩預(yù)應(yīng)力錨桿加固工程等，最大單錨承載力達(dá)8MN。之后巖土錨固技術(shù)還應(yīng)用于基坑工程中，北京LG大廈基坑工程、北京京城大廈基坑工程、中國銀行總行基坑工程、天津萬科中心基坑、首都機(jī)場擴(kuò)建工程等。1993～1999 年，中國在深基坑和邊坡工程中的預(yù)應(yīng)力錨桿用量，每年約為2000～3 500 km。在錨固技術(shù)的創(chuàng)新與工程應(yīng)用方面，中國的成就是特別令人注目的[1]。

(二)錨桿的組成。錨桿主要由錨頭、自由段、錨固段及配套配件組成[2]。(1)錨頭:是錨桿最前邊的部分，主要用于鎖定錨桿所承受的拉力;(2)自由段:指錨頭與錨固段間的桿體長度，其有一定的自由彈性，能夠承受整個(gè)錨桿帶來的拉力，并能成功地將拉力傳遞給錨頭遠(yuǎn)端的錨固段，起到了緩沖和傳遞錨桿所受的力的作用;(3)錨固段:處于錨桿遠(yuǎn)端，和周圍的穩(wěn)定地層緊緊地鎖在一起，主要作用是將來自錨固自由段傳來的拉力傳遞到周圍的穩(wěn)定地層中;(4)配套配件:主要是為了施工方便而設(shè)置的部件，如注漿塞、架線環(huán)、定位支架等配件。

(三)錨桿的分類。錨桿技術(shù)的發(fā)明至今已有一百多年，這一百多年的發(fā)展出現(xiàn)了多種多樣的錨桿類型，可以做出簡單的分類。(1)按應(yīng)用對象分，錨桿可分為土層錨桿和巖層錨桿。(2)按錨固體傳力方式分，錨桿可分為拉力型錨桿、壓力型錨桿和拉壓型錨桿，其中最常用的是拉力型錨桿，壓力型錨桿在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)。(3)按是否施加預(yù)應(yīng)力分，錨桿可分為預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿，顧名思義，施加預(yù)應(yīng)力的即為預(yù)應(yīng)力錨桿，否則為非預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿是一種主動(dòng)加固措施，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。

(四)錨桿的荷載傳遞機(jī)理。錨桿錨固技術(shù)實(shí)現(xiàn)對巖土體的加固作用主要是通過錨桿和注漿體以及注漿體和周圍巖土體的結(jié)合力、摩阻力實(shí)現(xiàn)的。對于錨桿的荷載傳遞機(jī)理，國內(nèi)外的學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。

Lutz&Geeley[3],Hanson[4],Goto[5]等都研究了荷載從錨桿轉(zhuǎn)到灌漿體的力學(xué)機(jī)制，他們的研究表明：錨索本身強(qiáng)度很高且其表面粗糙性很好的話,力的傳遞由錨桿到灌漿體,再由灌漿體到圍巖體的過程中,漿體和錨桿界面的性質(zhì)不是研究的重點(diǎn),研究重點(diǎn)應(yīng)放在漿體自身的性質(zhì)以及漿體與圍巖體界面的性質(zhì)上。

何思明等[6]通過對大量研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié),指出在錨桿受荷時(shí),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。

尤春安[7]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。戰(zhàn)玉寶等[8]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。

(五)破壞模式。錨桿的破壞模式主要有四種：(1)錨拉拉斷：鋼筋直接被拉斷，導(dǎo)致整個(gè)錨固系統(tǒng)破壞。(2)鋼筋與注漿體粘結(jié)界面破壞。(3)注漿體與巖土體粘結(jié)界面破壞。(4)錨固體同周圍巖土體整體破壞。

其中，第一種破壞模式是最不常見的，因?yàn)殄^桿中的鋼筋在使用前都經(jīng)過嚴(yán)格檢測，其抗拉強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需承受的外部荷載的，所以這種破壞模式往往都是因?yàn)殇摻畋桓g而引起的。

二、存在問題和發(fā)展展望

(一)存在問題。(1)雖說錨桿錨固技術(shù)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可,但隨著越來越多高、大、難、新工程大規(guī)模增加并進(jìn)入環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)和丘陵地帶，理論研究仍存在滯后現(xiàn)象,對錨桿錨固技術(shù)的研究并未得出統(tǒng)一的認(rèn)識與理論,且理論計(jì)算尚無比較權(quán)威的方法，在設(shè)計(jì)中仍存在著“經(jīng)驗(yàn)方法”。(2)錨固系統(tǒng)的耐久性、安全性檢測及評價(jià)方法急需完善。(3)地震、沖擊荷載等動(dòng)荷載條件下錨固體受力性能研究不足。(4)錨桿的腐蝕問題。腐蝕的存在都會(huì)使錨桿鋼筋斷裂，以及錨頭的保護(hù)層的龜裂從而導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕，錨桿失去其穩(wěn)定性。

(二)發(fā)展展望。(1)進(jìn)一步加強(qiáng)錨固機(jī)理研究，包括錨桿預(yù)應(yīng)力對巖土體應(yīng)力重分布及巖土體力學(xué)性能的影響，錨固體對巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響和錨桿與巖土體之間的相互作用。(2)加強(qiáng)錨桿預(yù)應(yīng)力損失的控制和防腐新技術(shù)的研究。(3)研究適合于各種錨固體系的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。(4)研究地震、沖擊荷載、冰凍、高溫等特殊條件下錨桿的性能及設(shè)計(jì)方法。