锚杆锚固技术的研究现状与展望

武佳琦

(西藏大学工学院 西藏 拉萨 850000)

引言

我国中西部地形复杂、崇山峻岭、沟谷纵横，铁路、公路大部分都处在隧道内、桥梁上、边坡处，复杂多变的岩土工程问题层出不穷，一些位于稳定性差、存在结构面或者软弱夹层岩土体区域对外界扰动极为敏感，因此极易触发边坡岩土体和隧道围岩的失稳破坏，以及山体滑坡等地质灾害。如果没有合理的防护加固措施，将会引起大量的人员伤亡问题，并造成无法挽回的经济损失。为了防止此类变形破坏并确保工程安全，应在岩土体中运用加固措施，并对加固技术进行深入全面的研究与开发。而锚杆锚固技术正是一种有效的防护加固措施，它能协助岩土体控制围岩变形，利用岩土体本身的强度，激发本身所具备的能量，提高岩土体的自稳能力，因此在工程中有着广泛的应用，用其解决复杂地质工程问题十分经济、有效。

一、研究现状

在岩土体开挖和施工的过程中，由于卸载岩土体内部将发生内部应力重分布，这是应力场变化后内力达到重新平衡的过程，结果是引起岩土体的变形，或者是由于重分布后土体单元的应力圆达到破坏线而导致坍塌。工程上产生的滑坡、岩崩、地面沉降等地质灾害均是由于岩土体内力场不利分布而导致。为防止上述不良后果的产生，人们越来越多的采用锚固技术，主要是锚杆的使用。为防止土体变形，人们常用钢筋或钢绞线来作为抗拉材料，将其一端固定在岩层深部，一端锚固在岩体表面，来抵抗土体的变形，维持土体稳定。这些用来加强土体的抗拉杆体称为锚杆。

(一)我国锚杆技术的发展简史。我国的锚杆锚固技术最先应用于20世纪50年代后期，主要应用于矿山巷道中，之后随着技术经验的熟练，1964年，安徽梅山水库开始采用能够承载很高预应力的锚杆加固坝基。之后的20世纪80年代，我国的岩土锚固技术达到了全盛时期，在此期间修建的李家峡水电站、小浪底水利枢纽、二滩水电站、中国石泉大坝预应力锚杆加固工程等，最大单锚承载力达8MN。之后岩土锚固技术还应用于基坑工程中，北京LG大厦基坑工程、北京京城大厦基坑工程、中国银行总行基坑工程、天津万科中心基坑、首都机场扩建工程等。1993～1999 年，中国在深基坑和边坡工程中的预应力锚杆用量，每年约为2000～3 500 km。在锚固技术的创新与工程应用方面，中国的成就是特别令人注目的[1]。

(二)锚杆的组成。锚杆主要由锚头、自由段、锚固段及配套配件组成[2]。(1)锚头:是锚杆最前边的部分，主要用于锁定锚杆所承受的拉力;(2)自由段:指锚头与锚固段间的杆体长度，其有一定的自由弹性，能够承受整个锚杆带来的拉力，并能成功地将拉力传递给锚头远端的锚固段，起到了缓冲和传递锚杆所受的力的作用;(3)锚固段:处于锚杆远端，和周围的稳定地层紧紧地锁在一起，主要作用是将来自锚固自由段传来的拉力传递到周围的稳定地层中;(4)配套配件:主要是为了施工方便而设置的部件，如注浆塞、架线环、定位支架等配件。

(三)锚杆的分类。锚杆技术的发明至今已有一百多年，这一百多年的发展出现了多种多样的锚杆类型，可以做出简单的分类。(1)按应用对象分，锚杆可分为土层锚杆和岩层锚杆。(2)按锚固体传力方式分，锚杆可分为拉力型锚杆、压力型锚杆和拉压型锚杆，其中最常用的是拉力型锚杆，压力型锚杆在实际工程中很难实现。(3)按是否施加预应力分，锚杆可分为预应力锚杆和非预应力锚杆，顾名思义，施加预应力的即为预应力锚杆，否则为非预应力锚杆。预应力锚杆是一种主动加固措施，在锚固体受力容许范围内,施加的预应力越大,锚固效果越好。

(四)锚杆的荷载传递机理。锚杆锚固技术实现对岩土体的加固作用主要是通过锚杆和注浆体以及注浆体和周围岩土体的结合力、摩阻力实现的。对于锚杆的荷载传递机理，国内外的学者都进行了大量的研究。

Lutz&Geeley[3],Hanson[4],Goto[5]等都研究了荷载从锚杆转到灌浆体的力学机制，他们的研究表明：锚索本身强度很高且其表面粗糙性很好的话,力的传递由锚杆到灌浆体,再由灌浆体到围岩体的过程中,浆体和锚杆界面的性质不是研究的重点,研究重点应放在浆体自身的性质以及浆体与围岩体界面的性质上。

何思明等[6]通过对大量研究结果进行总结,指出在锚杆受荷时,锚固体通过锚杆杆体、灌浆材料、外界围岩间相互作用依次将荷载分散至外界稳定岩体,且随着荷载的增加,沿锚固段应力以渐进方式移向锚固段远端。

尤春安[7]通过理论推导得出锚固体应力分布弹性解,得出锚固段剪应力并非均匀分布,而是沿锚固段从零急剧地变化到最大值,最后逐渐减小并趋向于零的结论。战玉宝等[8]通过数值模拟分析,同样得出沿锚固段剪应力呈非均匀分布,且随着荷载的加大,剪应力分布逐渐下移的结论。

(五)破坏模式。锚杆的破坏模式主要有四种：(1)锚拉拉断：钢筋直接被拉断，导致整个锚固系统破坏。(2)钢筋与注浆体粘结界面破坏。(3)注浆体与岩土体粘结界面破坏。(4)锚固体同周围岩土体整体破坏。

其中，第一种破坏模式是最不常见的，因为锚杆中的钢筋在使用前都经过严格检测，其抗拉强度是远远超过所需承受的外部荷载的，所以这种破坏模式往往都是因为钢筋被腐蚀而引起的。

二、存在问题和发展展望

(一)存在问题。(1)虽说锚杆锚固技术在实际工程中得到了广泛应用和认可,但随着越来越多高、大、难、新工程大规模增加并进入环境复杂的山区和丘陵地带，理论研究仍存在滞后现象,对锚杆锚固技术的研究并未得出统一的认识与理论,且理论计算尚无比较权威的方法，在设计中仍存在着“经验方法”。(2)锚固系统的耐久性、安全性检测及评价方法急需完善。(3)地震、冲击荷载等动荷载条件下锚固体受力性能研究不足。(4)锚杆的腐蚀问题。腐蚀的存在都会使锚杆钢筋断裂，以及锚头的保护层的龟裂从而导致严重的腐蚀，锚杆失去其稳定性。

(二)发展展望。(1)进一步加强锚固机理研究，包括锚杆预应力对岩土体应力重分布及岩土体力学性能的影响，锚固体对岩土体物理力学性质的影响和锚杆与岩土体之间的相互作用。(2)加强锚杆预应力损失的控制和防腐新技术的研究。(3)研究适合于各种锚固体系的理论分析和设计计算方法。(4)研究地震、冲击荷载、冰冻、高温等特殊条件下锚杆的性能及设计方法。