岩土锚固要素分析

陈晓东+李学忠

摘要：本文分析了岩土锚固结构及其组成要素，并通过锚固力的计算，提出锚固力为多个载荷中的最小值观点，在锚固设计中需根据锚固岩土强度进行锚固剂、锚杆以及方式的选择，并分析了各个要素对岩土锚固载荷的影响。

Abstract： In this paper， the geotechnical anchoring structure and its constituent elements are analyzed. Through the calculation of anchoring force， the anchoring force is proposed as the minimum value among multiple loads. In anchorage design， the anchorage agent， anchor and anchoring method need to be selected according to anchorage rock strength. And the influence of each element on the geotechnical anchoring load is analyzed.

关键词：锚固要素；锚固力；锚固形式；锚固设计

Key word： anchoring element；anchoring force；anchoring form；anchoring design

中图分类号：U417.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0108-03

0 引言

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，较充分地调用岩土体自身强度和自稳能力，大大缩小结构物体积和减轻结构物自重，显著节约工程材料，并有利于施工安全，已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程经济有效的方法之一。

现有岩土锚固技术的研究主要集中在以下几个方面：①荷载传递方面，进行了土层锚杆的极限抗拔力的研究。②防腐技术方面，对锚杆的防腐技术进行了研究，并对防腐制定了相应的标准。③在高承载力锚固体系的开发应用方面，主要进行了高强度钢绞线生产和深大钻孔技术的研究。④锚杆的长期工作方面，近几年有所关注。然而这些研究不足以解释“为什么同一锚杆对不同岩性、不同锚固方式、不同粘接剂以及不同的托盘系统而锚固效果却差距很大”这个现象。[1][3]归根结底锚固技术是个系统问题，形成锚固力是一个锚固体系中众多要素共同作用的结果，只有对众多要素之间相互作用机理研究，才能真正地认识锚固技术。

1 岩土锚固组成

锚固是第三方将两个或两个以上的锚固对象连成统一整体，相互不分离的连接方式，双方称为锚固对象和被锚固对象，第三方称为锚固体，形成一个完整的锚固体系。[2]现有锚固技术中，岩土锚固使用最广、应用最多。

岩土锚固，准确说是一个锚固体系，由被锚固对象、锚固对象以及锚固体组成。

①被锚固对象：在人类改造自然中，岩土自然状态发生变化后造成在重力作用下或雨水浸泡后强度减弱，需借助外力才能维持自身平衡部分岩土。实际上它自身也是一个体系，主要由加固体和岩土组成，加固体是将岩土中离散型载荷形成集中载荷，通过锚固体将传递到锚固对象，形成力平衡结构，它的结构决定了锚固点位置、载荷大小需求以及密度设置；被锚固对象岩土主要表现为失稳载荷，一种是离散型，其分布不均匀，如松散的砂烁土，需采用格构结构；另一种是失稳载荷的方向，岩层方向，岩层方向角过大，导致层间摩擦载荷不足以平衡岩土失稳载荷。

②锚固对象：承载锚固力的岩石，要有形成锚固载荷的强度，同锚固体一起，形成一个整体，利用整体抗破坏的能力形成锚固力。

③锚固体：也称锚固体系，传递锚固载荷的连接体，可以是一个单独的零件，也可以由多个可承受载荷零件组成。由锚杆、锚固剂、锚栓，锚固网组成的是由多个零件组成的锚固体系。

④锚固力方式：端承力、摩擦力粘结力以及其他。不同类型的锚固，产生锚固力的方式不同。

2 岩土锚固要素分析

岩土锚固是确保松软岩土与硬岩土之间不发生相对移动，其效果主要表现为锚固对象间的紧密连接程度。其要素分为锚固力无关要素和锚固力相关要素；锚固力相关要素包括锚固段岩土强度、锚杆拉伸强度、锚杆同锚固剂粘结强度、锚固剂抗剪强度、锚固剂同岩土间的粘结强度。

①锚固力无关要素主要是被锚固岩土失稳性，主要是指岩土稳定性的内摩察角和方向性（失稳角=90°-内摩擦角）。由于岩石内摩擦角具有方向性，不同方向的内摩擦角不同，在不受外界因素的情况下，岩土坡度大于失稳角，岩土就会不稳定，需要进行锚固；实际上，岩土是受外界环境影响的，当岩土坡度大于失稳角的0.8倍左右时，岩土就需要进行锚固；同一岩土，不同方向，加固体结构以及所需锚固载荷不同，在整个岩土锚固的设计过程中，这些参数只能利用，不能改变。

②锚固段岩土强度。锚固段岩石承载着整个锚固力，强度是决定锚固力的核心，不会因为锚固技术而变化，直接决定锚固深度、孔径大小以及锚固的形式。

③锚杆拉伸强度。锚杆是连接锚固段岩土与松软岩土的桥梁，起着承上启下的作用，其强度大小直接影响锚杆直径的选择。锚杆拉伸强度的选择，不仅要考虑锚固力大小、同时还要考虑锚固剂粘结强度，在强度选择中同锚固剂粘结强度相关性比较大，在选择锚杆强度时，根据锚固粘结特点，决定其最佳粘结长度，根据最佳粘结强度确定粘结面积，从而确定锚杆直径，结合锚固力和锚杆外径，确定锚杆的拉伸强度和截面积。

④锚固剂要素，主要包括锚固剂同锚杆粘结强度、抗剪强度以及同岩土间的粘结强度。

1）锚固剂同锚杆的粘结强度，是金属同非金属物质之间的粘结，首先，粘结强度最高只有粘结界面上较弱一方强度的70%-80%，也就是只有锚固剂剪切强度的70%；其次，众多剪切作用面中面积最小；最后是其特有粘结长度特性，在长度上的应力分布不均，超出相应长度后，其粘结界面不承担剪切载荷，其作用范围是有限的。因此，它是锚固中最薄弱的环节（針对非软弱土），它的大小直接影响锚杆直径大小。endprint

2）锚固剂抗剪强度。锚固剂传递锚固力，对锚固载荷起到承上启下的作用，它对锚杆的粘结强度、岩土的粘结强度以及自身的剪切强度决定了锚固力载荷。锚固剂在有效厚度内可以达到剪切强度的最大值，超过这个厚度后会大打折扣。

3）锚固剂同岩土间的粘结强度，同锚杆的粘结特性一样，粘结强度只有粘结界面上较弱强度一方强度的70%-80%，当锚固剂强度小于岩土强度时，它是锚固剂剪切强度的70%-80%；反之，就只有岩土剪切强度的70%-80%。

总之，锚固剂的要求是很高的，同金属（锚杆）的粘结强度以及同岩土的粘结强度都要高，同时还要有高的剪切强度和优良可施工特性。

⑤锚固形式；主要是摩擦或粘接锚固以及端承锚固，不同形式的锚固，它们对锚固对象岩土强度的利用方式同，利用效果也不相同。

3 锚固力计算

锚固按形式分为摩擦（粘结）锚固和端承锚固，不同的锚固方式，其承载力的计算不同，承载的效果也不同。

3.1 摩擦（粘结）锚固

摩擦（粘结）锚固是锚固技术中最常用的一种，依靠锚固剂同孔以及锚杆的摩擦力（粘结力）形成锚固力，其主要特点是锚固段孔径等于或小于自由段孔径。其锚固载荷从锚杆拉伸载荷、粘结力或摩擦力、锚固剂抗剪承载力、锚固剂对锚固孔形成的摩擦力以及锚固对象承载剪切力依次传递，其中最弱一项即为锚固力。图1所示摩擦型锚固示意图。

①锚杆拉伸载荷F：

F=0.25*πd2σ（1）

其中：σ—锚杆的屈服强度。

②锚杆同锚固剂的粘接载荷或摩擦载荷F1：

F1=πdLk（2）

k—锚杆同锚固剂在有效长度范围内的粘接强度或摩擦强度，调整锚杆的表面形状以及粗糙度，从而调整其相应粘结强度或摩擦强度。

③锚固剂的剪切承载力T：

T=πdLκ（3）

κ—锚固剂剪切强度。

④錨固体同孔的粘接载荷或摩擦载荷F2：

F2=πDLm（4）

m—锚固剂在有效长度范围内同孔的粘接强度或摩擦强度；该系数与锚固剂的膨胀性能、孔形状以及粗糙度息息相关。

⑤锚固对象的承载能力F3：

F3=πD摩（L+l）ζ（5）

ζ—岩土的抗剪强度；主要是锚固对象岩土或岩石的抗剪强度。

⑥整个锚固点的锚固力N：

N=Min{F，F1，T，F2，F3}（6）

N—最大锚固力。

公式中可以看出，在岩土锚固中，锚固力大小是由最弱一项确定；锚固点确定的情况下，在众多锚固因素中，岩土强度是不可改变，其余的是可以进行选择的，从而在锚固力不变的情况下，达到施工效率高、成本低的目的。在摩擦锚固中，最有效的设计原则是遇强则强，遇弱则弱的选择方法，也就是岩土弱的情况下，选用粘结强度和剪切强度弱锚固剂；在岩土强度大的情况下，选用粘结强度和剪切强度高的锚固剂，从而达到最佳配合。

3.2 端承锚固

端承锚固主要以端承载荷提供锚固力，孔的摩擦力也承担部分锚固力，其最大特点是锚固段孔直径大于自由段孔径，利用大小孔形成的端面以及孔的粘结载荷承担锚固力。其最大的优点是充分利用了钢材的强度优势、岩土的强度优势以及孔径大的优势。一般都使用钢材作端承载体，具有提高端承力和降低锚固孔深度的优点。其锚固力计算如下，端承锚固原理如图2。

①锚杆拉伸载荷F：

F=0.25*πd2σ（7）

②端承载荷Q（在端承面上，剪切力最薄弱处位于锚杆相邻界面）：

Q=πd tτ（8）

③锚固对象的承载能力F端：

F端=πD端（L1+l）ζ（9）

④整个锚固点的锚固力N：

N=Min{F，Q，F端}（10）

N—最大锚固力。

从公式（10）中可以看出，在端承锚固中，直接通过端承面将锚固力转化为岩土的剪切应力，从而避免了锚固剂中的摩擦强度、粘结强度以及剪切强度弱的环节，通过改变改变端承面的变径率提高锚固力（同孔径的摩擦锚固相比），从而达到遇弱变强和遇强更强目的。

3.3 锚固力同被锚固对象的关系

岩土锚固中，被锚固对象实际上也是一个系统，加固体的目的就是被锚固岩土的松散的载荷变成一个集中载荷，便于锚固体实施锚固。不同结构、不同性能的岩土，其加固体结构不同。对于低强度的岩土，需要利用外界结构，如格构结构，将松散载荷集中；对于中等强度的岩石结构，需根据其内摩擦角的大小及其方向，确定是否需要加固体，当坡度大于内摩擦角时，岩石的纵向拉伸强度和摩擦力不足以克服重力分力和水压时，需要进行加固锚固；当坡度大于失稳角的0.7-0.8倍时，岩石的内摩擦力不足以承担重力载荷和水压，需进行点状锚固，利用岩石自身结构形成加固体。

4 结束语

①锚固是由众多元素组成的一个体系，用系统方法对锚固进行分析；

②锚固力是众多载荷中最小的一项；

③锚固设计时，需根据岩土强度来选择锚固剂类型、锚杆以及锚固形式，从而达到最佳配合；

④对锚固力进行了系统计算，得出岩土锚固中各个要素同锚固力的关系。

参考文献：

[1]孔恒，马念杰，王梦恕.锚固技术及其理论研究现状和方向[J].中国煤炭，2001（11）.

[2]李学忠.成孔技术对锚固发展的影响[J].煤矿机械，2017（06）.

[3]程良奎.岩土锚固研究与新进展[J].岩石力学与工程学报，2005，24（21）.endprint