昔格达土质边坡锚杆技术综述

王 伟，陈 伟，汪 杰, 李林泽

(1.西华大学建筑与土木工程学院，四川成都610039; 2.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花617000)

昔格达地层是指广泛分布于攀西地区安宁河、金沙江、大渡河、雅砻江河谷的一套灰绿色、灰白色、浅黄色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉细砂岩互层。该地层形成时代较新，先期固结压力较小，没有完成沉积成岩作用，故为一套弱胶结半成岩地层。该地层表现出似土非土、似岩非岩的物理力学特征。正是这种独特的物理力学特征导致了其具有强度低、稳定性差、易滑等工程地质特征[1]。目前，在攀枝花地区，锚杆已运用到挡墙、基础、边坡治理等工程中，这种方法已得到了广泛的认同，形成了较为完善的施工工艺。随着攀西地区建设的不断发展，锚杆支护技术必将得到更广泛的应用。

1 昔格达土质边坡常用锚杆类型

目前国内外使用的锚杆种类已有数百种之多，但在攀西地区昔格达土质边坡工程中常用的锚杆种类还是有限的。通常可以按是否预先施加应力、按锚固方式以及按锚固形态进行分类。

1.1 预应力锚杆和非预应力锚杆

预应力锚杆是指锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受力状态。预应力锚杆的设计和施工比非预应力锚杆要复杂一些，目前在公路边坡中广泛采用该锚杆加固技术(图1、图2)。非预应力锚杆是指锚杆加固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态，如板肋式锚杆挡墙、锚板护坡等结构中通常采用非预应力锚杆[2]。

图1 攀枝花大道大河南路改线道路建设工程预应力锚杆结构

图2 攀枝花大道大河南路改线道路建设工程预应力锚杆施工

1.2 锚杆锚固不同的方式

顶端局部锚固式(点负荷方式)，通常的预应力锚索多采取这种锚固方式；通长全面粘结式(全长固结式)，普通砂浆锚杆即属于这一类，它在昔格土质边坡工程中应用的最为广泛(图3)；局部粘结式，介于前两种锚固方式之间的一种锚杆。

图3 攀枝花东区半山康城项目土质边坡全长粘结式锚杆施工

1.3 不同的锚固形态

按锚固形态可以分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球形锚杆，这几种锚杆在昔格达土质边坡锚固工程中应用相对较少。圆柱型锚杆是国内外早期发明的一种锚杆形式，这种锚杆的承载力主要依靠锚固体与周围岩土介质间的粘结摩阻强度提供；端部扩大头型锚杆是为了提高锚杆的承载力而在锚固段最底端设置扩大头的锚杆，锚杆的承载力由锚固体与土体间的摩阻强度和扩大头处的端承强度共同提供；连续球形锚杆是利用设置于自由段与锚固段交界处的密封袋和带有许多环圈的套管，对锚固段需二次或多次灌浆处理，使锚固段形成一连串球状体，从而提高锚固段与周围土体间的锚固强度[2]。

2 土层锚杆破坏形态分析

(1)土体和注浆体之间的粘结性破坏：当锚杆能够承受的极限拉力远远大于锚固段土层和注浆体之间的摩擦力时，就会发生注浆体和锚杆一同被拔出来的现象；土体和注浆体之间的粘结性破坏发生的频率比较高，属于常见的破坏类型[3]。

(2)注浆体与锚杆杆体之间的粘结性破坏：由于锚杆滑面处的粘结力不足，当滑面处的剪切力达到杆体与注浆体之间能够承受的最大值时，杆体与注浆体之间就会发生相对滑动，剪切力以渐进的方式向锚固段远端传递；随着锚杆承受荷载值不断的增加，结合应力沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移，最终因为锚杆不能继续承受荷载而导致破坏[4]。

(3)注浆体的拉裂和破碎：由于拉力型锚杆内锚固段的应力分布是不均匀的，因此会在滑面附近出现明显拉应力集中现象；而压力型锚杆由于锚固段末端上的注浆体出现压应力集中，锚固段下部有可能被压碎；但注浆体的抗压强度通常远大于抗拉强度，所以破坏程度相对于拉力型锚杆的拉裂破坏程度较小[3]。

(4)锚杆断裂破坏：一般是锚杆尾部发生断裂破坏；昔格达土质边坡锚杆断裂破坏通常是由于锚杆自身质量不能达到所应用的实际工程要求以及应力集中现象所造成的。

3 昔格达土质的锚杆计算理论

目前对于昔格达土质边坡锚杆计算理论的研究工作不多，文献[5]对攀枝花地区锚杆的抗剪强度、抗拔力、锚杆变形的计算进行过研究。

锚杆抗剪强度计算公式，其表达式为:

τ=λ(k0γhsin2α+yhcos2α)tgσ+c

(1)

其中：λ为修正系数，对黏土在0.4～0.6之间取值；α为锚杆外斜角，一般取13°～15°；h为土层覆盖厚度；k0为土体侧压力系数，对正常固结黏土或轻微超固结粘土可近似表达为:1-sinφ；σ为混凝土与土体间的外摩擦角，其值可表达为：0.75φ；C、φ为土的内聚力、内摩擦角。对于基础锚杆，其外斜角α=90°，其抗剪强度公式可表达为：

τ=λk0γlngδ+c

(2)

获得了锚杆的抗剪强度公式(1)后，根据锚杆的有效锚固长度可计算锚杆的抗拔力，计算公式如下：

(3)

4 加固机理

(1) 能有效地提高土体强度。土层锚杆支护通过在土体内设置一定长度与密度的锚固体，使之与土体结合成为一个整体。当向锚杆孔中进行注浆时，由于土层中有一定的孔隙和裂隙，在压力作用下，水泥砂浆(部分工程应用纯水泥浆)沿着土体中的孔隙和裂隙扩渗，形成网状胶结，从而增加了灌浆锚杆与周围土体的粘结作用并增强了土体的整体强度。

(2) 摩擦作用。单根锚杆的承载力除锚筋必须具有足够的截面积以承受极限拉力外，对于锚固于土层的锚杆，其抗拔力取决于锚固体与土层之间的极限摩擦阻力。

(3) 提高了C、φ值，增加了土体的稳定性。这是一种比较直观的认识，早期的锚杆计算模型认为锚杆提高了土体的C、φ值。锚杆的预应力作用有效限制了被锚固土体的变形量，从而增加了土体的稳定性；灌浆可显著增加锚杆和土的界面强度，也能达到增加土体稳定性的效果。

(4) 土体等效变形模量增加。由于锚杆的弹性模量远高于土体的弹性模量，当锚杆随土体变形时，这种变形特性差异造成了土体等效变形模量的增加。

(5) 悬吊作用。锚杆支护通过锚杆将软弱、松动、不稳定的土体悬吊于稳定的土体之中，防其离层滑落。起悬吊作用的锚杆主要是提供足够的拉力，用以克服滑落土体的重力或下滑力，维持工程土体的稳定。

(6) 挤压加固作用。T.A.Lang通过光弹试验证实了锚杆的挤压加固作用，当在弹性体上安装具有预应力锚杆时，发现弹性体内形成以锚杆两头为顶点的锥形压缩带，若将锚杆以适当的间距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相重叠，形成一定的连续压缩带。

综上所述，土层锚固的基本原理就是利用锚杆周围岩土体的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持开挖面的自身稳定，锚杆可以提供作用于结构物上承受的荷载的抗力；可以使锚固底层产生压应力区并对加固底层起到加筋的作用；可以增强底层强度，改善土层的力学性质，可以使结构与土层连接在一起，形成一种共同工作的结合体，使其能有效地承受拉力和剪力[2]。

5 存在的问题及研究方向

近几十年来，各类锚杆的作用机理日趋清楚，并提出一 些可实用的锚杆数学模型，它们在一定程度上反映了各类锚杆适应不同地质条件的加固机理。但应注意到，由于昔格达土的特殊性[6]，昔格达土质边坡锚杆加固机理仍是一个没有统一认识的问题，也缺乏行之有效的、合理的计算方法。事实上，昔格达土质边坡锚固理论方面的研究已经远远落后于工程实践，这种现状直接影响到锚杆技术的合理应用和发展。文献[5]虽然提出了攀枝花地区锚杆抗剪强度、抗拔力、锚杆变形的计算公式，但尚不清楚是否能准确应用在昔格达土质边坡锚杆的设计计算当中。并且目前的理论和数值分析与实际情况出入较大，因而必须进一步通过理论分析、试验和现场量测对以下问题进行研究。

(1)针对于昔格达土质边坡锚杆锚固机理的研究。包括锚固作用对昔格达土物理力学性质的影响、锚杆与灌浆体之间的相互作用、灌浆体与昔格达土体之间的相互作用。

(2)模拟昔格达土质边坡锚杆作用的合理计算模型。昔格达土质边坡常用锚杆锚固力、抗剪强度、抗拔力计算方法的提出。

(3)支护材料的研究。支护材料限制了工程实践和设计的发展，研究轻质、高强、耐腐蚀、耐久性好的支护材料具有重大意义。

(4)科学、合理、实用规范的制定。现有锚杆支护设计通常根据工程类比法或半理论半经验的方法进行，因此科学、合理、实用规范的制定是锚杆支护能否在更大的范围和不同条件下推广应用的关键。

[1] 张永治.攀西地区昔格达土综述[J].攀枝花大学学报,1995,11(2):75-78

[2] 邓新德.岩质边坡锚固技术研究与应用[D].中南大学,2007

[3] 汪班桥.土层锚杆常见病害破坏机理及防治技术研究[D].长安大学,2010

[4] 马萍.土层锚杆锚固机理试验研究[D].长江大学,2012

[5] 何思明.攀枝花地区锚杆的工作机理[J].四川建筑科学研究, 1997, 22(2):49-51

[6] 陈伟,焦涛,孙金坤, 等.昔格达生土农房抗震技术研究[J].工程抗震与加固改造,2010,32(3):77-80