不同材质锚杆体加固石窟围岩的适用性研究★

王捷 王逢睿 杨涛

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

石窟寺所在的坡体大多数处于整体稳定状态，坡体局部崩塌病害及局部存在的较多小型危岩块体是着重研究治理的对象。同时，文物的不可再生性决定了文物保护工程的特殊性，锚固工程实施时，应根据岩体的应力状态及危岩块体的破坏模式尽量选用轻型、耐久的锚固方式，减少对文物本体的扰动。近年来，由于强力胶结剂和新材料加工水平的提高、检测手段的增多使锚杆的品种发展很快，国内现有楔缝、胀壳锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚杆、木锚杆、竹锚杆、树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆等十几个系列品种［1-4］。由于各种锚杆杆体材料及构造不同，锚杆作用机理差别较大［5，6］。对于石窟围岩的加固，应从石质文物保存的特点出发［7］，对不同锚固方式进行测试，以确定其加固石窟围岩的适用性，使锚杆体锚固效果达到既能长效稳定加固，又能尽量减少对文物本体扰动的目的。因此，文中就几种轻型锚杆包括玻璃钢锚杆、中空注浆锚杆等加固石窟危岩的适用性进行研究，通过现场试验与传统螺纹钢锚杆加固进行比较，从而对锚杆体材料性能改进及设计施工过程中锚杆体材料的选用提供指导及试验依据。

1 工程试验区域概况

工程试验在世界文化遗产地——云冈石窟进行。云冈石窟属于较为典型的砂岩石窟。

在云冈石窟保护区3.6 km2的范围内，地貌类型较简单。按成因可分为两大单元:1)云冈顶部高台地与构造剥蚀低山丘陵，高程为1 163 m～1 218 m，地面坡角4°～9°，较平缓;2)十里河侵蚀堆积阶地，高程为1 124 m～1 140 m，河床两侧为河漫滩。一级阶地较发育，二、三级阶地只有部分残存，云冈镇坐落在一级阶地上，石窟开凿在三级基座阶地的砂岩透镜体中。

试验区地层岩性以粗粒长石砂岩为主，其间夹有泥岩夹层及泥岩与砂质泥岩互层。新鲜粗粒长石砂岩的颗粒密度为2.63 g/cm3、天然密度约 2.33 g/cm3～2.44 g/cm3、吸水率约 2.95% ～4.17%、单轴抗压强度介于57 MPa～68 MPa、抗拉强度介于2.7 MPa～3.3 MPa、无法向荷载时的抗剪强度为8.1 MPa、正应力为11 MPa时的抗剪强度约19 MPa、弹性模量介于1.5 GPa～3.3 GPa、泊松比0.17 ～0.19。

试验区岩层产状平缓，倾角3°～4°、倾向北西—北东向。区内以构造裂隙为主，亦发育有风化裂隙，裂隙发育方向主要有305°～355°，287°和40°～80°，其中走向40°～80°的节理裂隙较发育，倾角一般为78°～85°，有的甚至直立。风化裂隙发育不规则，多呈不规则的网状或杂乱无形的状态，裂隙面不平整。此外，受爆破震动的影响，试验区岩体表面较松动。

2 锚杆参数设计及其应用效果

2.1 玻璃钢锚杆锚固参数设计及适用性分析

2.1.1 玻璃钢锚杆结构及材质特点

全螺纹玻璃钢锚杆结构由杆体、锚尾、托板、螺母组成。材质特点是杆体的增强材料采用电绝缘性能低的中碱玻璃纤维无捻粗纱，加入阻燃剂、抗静电剂等，以满足轻质、高强、阻燃、抗静电等优点。显著特点是杆体轻(为同体积钢材重量的1/4);易于安装施工，减轻劳动强度;耐环境性强，可满足永久支护要求;比强度高;杆体通体全螺纹，握裹力强，锚固力大;易于切割，根据支护要求，可任意调整截取锚杆杆体长度。锚杆在安装后，通过拧紧螺母而具有一定的预紧力，能防止岩体的早期破坏。

2.1.2 玻璃钢锚杆锚固设计及安装

1)玻璃钢锚杆锚固参数设计。

出厂的成品玻璃钢锚杆的力学参数如表1所示。

表1 玻璃钢锚杆力学参数表

因此，针对玻璃钢锚杆以上力学参数，通过对现场小型危岩块所需的锚固力进行计算，设计玻璃钢锚杆的锚固参数如表2所示。

表2 玻璃钢锚杆锚固参数设计

2)玻璃钢锚杆施工工法。

通过现场试验，总结出玻璃钢锚杆在锚固小危岩块时适宜的施工操作方法为:

a.在危岩块附近根据其受力特点确定合理的钻孔位置。b.用电动凿岩机凿孔，孔深为2.5 m，略小于杆体长度。c.注入2支φ23×500 mm树脂锚固剂或2支快硬水泥卷锚固剂。快硬水泥卷的注入方法为:水泥卷浸水。先在水泥卷上用细铁丝刺5个～6个小孔后浸入清水中，悬置约1 min，待水泥卷上小孔无连续冒泡后将其取出。用钢筋把所需的水泥卷一个接一个分别推入孔底。d.电钻带动杆体旋转搅拌注入锚杆孔，然后继续转动拌合10 s以上，使树脂锚固剂或快硬水泥浆均匀混合。e.待锚杆锚固后安装托盘、上紧螺母，使锚杆具有预应锚固力。

2.1.3 玻璃钢锚杆锚固性能分析

在现场采用锚杆综合参数测定仪对所有试验锚杆进行了拉拔试验(见图1)。对玻璃钢锚杆的极限抗拔力和破坏失效机理进行了分析。

1)玻璃钢锚杆在云冈石窟砂岩地层中28 d龄期最大锚固力可达86.4 kN。2)玻璃钢锚杆的破坏形式大部分为杆体被扭开，发生劈裂性破坏(见图2)，以及托盘被压裂，分析杆体的构成材料及构成形式，由于各束纤维是经机械式压制而结合成杆体，纤维间粘结强度低，成为杆体抗扭强度不高的薄弱环节。

通过分析其破坏机理，后期可以从杆体纤维增强和杆体制作过程中适当改进，可以考虑采用碳纤维材料作为增强纤维，且在纤维压制过程中加入增强粘结剂，以整体提高杆体内部的结合强度及杆体本身的抗剪抗扭性能。从而在杆体轻质高强、易于安装施工且可永久支护的性能基础上更加改善其力学性能，以利于在文物保护工程中发挥出更大的作用。

2.2 中空注浆锚杆锚固参数设计及适用性分析

2.2.1 中空注浆锚杆结构及材质特点

中空注浆锚杆是集钻孔、注浆、锚固等多功能的新型高科技支护产品。其中空的杆体兼做钻杆和注浆管。注浆前可作吹尘管，即排除凿岩形成的粉尘，注浆时浆液通过中空锚杆从钻头喷出，填充锚杆周围的钻孔和地层裂隙，使锚杆与周围土质凝固成一体，起到加固的作用。

普通中空注浆锚杆结构中不包括钻头，杆体为中空，锚固段带有螺道，增大了与岩壁的摩擦作用。在端部带有螺母和垫板。自钻式中空注浆锚杆结构由钻头、中空杆体、垫板和螺母组成。钻头的大小可控制钻孔的大小，一般钻孔的尺寸约为锚杆直径的2倍。自钻式中空注浆锚杆典型的结构及各部件如图3所示。

2.2.2 中空注浆锚杆锚固设计及安装

1)中空注浆锚杆锚固参数设计如表3所示。

表3 中空注浆锚杆锚固参数设计

2)中空注浆锚杆施工安装。

中空注浆锚杆的施工选在岩质破碎、裂缝发育且部分呈软塑状态的地层中。因此，锚固成孔是关键环节。在现场试验过程中，有部分孔出现钻进到约1 m深度就严重塌孔。在这种情况下，必须选用自钻式钻进方式及将杆体本身作为注浆管从管内注浆方式，因为严重塌孔已造成无法从孔内注浆，所以中空注浆技术尤其适用于破碎地层岩体加固。

在破碎地层钻进时，若采用先打孔再锚固的方式，应采用跟管钻进工艺来完成。但有的地层的地质条件非常复杂，即便用跟管钻进也很难达到目的，易发生钻具的剧烈跳动、钻进负荷加大、塌孔、埋钻、卡钻、活动石块无法钻进等，使钻进施工无法进行。在这种情况下，应采用注浆固结破碎岩层及孔壁，注浆材料应使用快速固结、早强、流动性好的材料，注浆后，待固结达到一定强度时，方可继续钻进。

2.2.3 中空注浆锚杆锚固性能分析

图4是采用锚杆综合参数测定仪测定的拉拔过程中自钻式中空注浆锚杆的典型力—位移曲线。该锚杆的锚固形式为下倾15°锚于坡体堆积层及砂岩层中，锚入深度2.5 m，其极限拉应力可达65.38 kN。锚固体的破坏形式为杆体被拔出，浆体锚固失效。分析应力—位移曲线，上升阶段斜率较大，表明合金钢材料弹模较高。曲线下降部分较为陡峭，表明杆体脆性较大。

图5是对垂直向下锚于坡顶的堆积层及砂岩层中的自钻式中空注浆锚杆的力—位移曲线。杆体直径为30 mm，壁厚5 mm。在拉力增大至187.35 kN时，发生注浆体松动，杆体拔出破坏。试验结果表明垂直向下锚于岩层中比下倾15°锚于岩层中抗拔力明显提高，即锚固质量提高。

图6是对锚固于山坡岩质较破碎且部分呈软塑状态地层中非自钻式中空注浆锚杆的力—位移曲线。φ28 mm和φ25 mm的杆体极限锚固力分别为23.1 kN和26.8 kN，表明极限锚固力的大小与杆体的粗细没有直接关系，但是与锚固地层的性质、注浆的密实程度等有关。在现场施工中，可根据被加固岩体的体积大小选用合适的杆径。分析力—位移曲线，上升阶段斜率较低，且达到最大拉力后应变仍继续增加，该现象与所锚固地层为软塑状态的性质有关。杆体的失效是由于外露部分螺母脱丝造成，而杆体仍保持原有强度，未发生破坏。表明要改善该类型的锚杆结构和构造，必须加深头部螺丝深度和长度及加强螺母的质量。

2.3 螺纹钢锚杆锚固参数设计及适用性分析

2.3.1 螺纹钢锚杆结构及材质特点

螺纹钢锚杆是一种具有广阔应用前景的支护材料。杆体由轧制的全长连续右旋螺纹钢材料制成，具有以下特点:1)其任何一端都可以直接拧螺母而成紧固端，另一端可直接与锚固剂粘结而成锚固端;2)由于杆体全长范围内具有连续的螺纹，其锚固长度可根据实际需要确定，这种锚杆既可以作为端头锚固，也可作为全长锚固;3)锚杆的螺纹牙形为梯形，其抗剪强度略高于杆体的抗拉强度，具有杆体全长等强度、无弱面的特点。

据有关文献，砂浆与圆钢粘结强度为2.5 MPa左右，而砂浆与螺纹钢粘结强度为5.0 MPa左右。圆钢锚杆与粘结物粘结强度主要由粘聚力及摩擦力决定，而螺纹钢锚杆与粘结物之间强度不仅包括前面两部分，还包括因螺纹起伏与砂浆之间产生挤压、剪胀、剪断等作用产生的等效强度，这在总体上较大地提高了其粘结强度［8］。所以，螺纹钢锚杆的锚固力很大，锚固性能好。

通过设计螺纹钢砂浆锚杆，与玻璃钢锚杆、中空注浆锚杆等在极限抗拔力、粘结砂浆变形破坏、锚固失效等方面进行比较，以深入了解各类型锚杆工作机理及锚固效果，合理进行锚固工程设计计算。

2.3.2 螺纹钢锚杆锚固参数设计

螺纹钢锚杆锚固参数设计如表4所示。

表4 螺纹钢锚杆锚固参数设计

2.3.3 螺纹钢锚杆锚固性能分析

图7中的锚杆锚固深度为2.0 m，锚固地层为砂岩地层，其28 d龄期锚固力达到273.8 kN。图8中的锚杆锚固深度为5.4 m，地层条件同图7中的锚杆，其28 d龄期锚固力达到242.127 kN，破坏形式均为锚杆与砂浆界面滑移破坏，表明对于危岩体加固来讲，锚杆的支护作用并非是单一的，还与岩土体条件、浆体条件密切相关，必须多种作用共同协调才能发挥出高的锚固性能。螺纹钢锚杆在工作条件相同时极限锚固力大于玻璃钢锚杆及中空注浆锚杆。但由于钻孔孔径较大，对文物本体扰动较大。

3 结语

1)研究发现，对于石窟寺崖壁上小型倾倒式危岩体可采用玻璃钢锚杆加固，通过旋进托盘可施加20 kN～30 kN的预应力。但杆体抗剪及抗扭断强度不高，不宜应用于滑塌式危岩的治理。进一步努力的方向应是采用碳纤维材料作为增强纤维，且在纤维压制过程中加入增强粘结剂，从而整体提高杆体内部的结合强度及杆体整体的抗剪抗扭性能，并加强托盘和螺帽的力学强度，从而在治理石窟危岩体时发挥更全面的性能。2)在软弱围岩、断层破碎带较多及塑性流变岩层中可采用自钻式中空注浆锚杆。钻杆锚杆两者合一，钻进后不需退出，避免锚杆钻孔后出现坍孔、卡钻及插不进杆体等情况。且通过中空杆体注浆，能保证锚杆伸入范围内的岩体都得到有效加固。锚固角宜设置在20°～35°。对于坠落型危岩上部岩体的加固，可采用竖直向下打入自钻式锚杆的方法。该锚固技术能加固危岩体上部岩土层，且能发挥出较大的锚固力。3)文物的不可再生性决定了文物保护工程的特殊性，在选用合理锚固体系时应尽量减少对文物本体的扰动，并还应对特定的窟区危岩体进行锚固体系工作性能的长期观察和监测。

［1］程良奎.岩土锚固的现状与发展［J］.土木工程学报，2001，34(3):7-12.

［2］韩立军，张茂林，贺永年，等.岩土加固技术［M］.北京:中国矿业大学出版社，2005.

［3］钟 勇.岩体锚杆类型和受力特征浅析［J］.山西建筑，2009，35(16):97-98.

［4］马念杰，张 玉，陈 刚，等.新型玻璃钢锚杆研究［J］.煤矿开采，2001，46(4):45-46.

［5］陈洪凯，欧阳仲春，廖世荣.三峡库区危岩综合治理技术及应用［J］.地下空间，2002，22(2):97-101.

［6］李锡润，林韵梅，郑雨天.锚杆支护机理的探讨［J］.东北工学院学报，1981(4):21-31.

［7］李文军，王逢睿.中国石窟岩体病害治理技术［M］.兰州:兰州大学出版社，2006.

［8］荣 冠，朱焕春，周创兵.螺纹钢与圆钢锚杆工作机理对比试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004(2):469-475.