地质体锚杆加固技术研究现状、发展和存在的问题

——苏叶春

 

1       锚杆起源

1872年首批锚杆在英国北威尔士的一家板岩采石场中投入使用。经历了五十多年后，锚杆已成为一种支护手段而被人们所采纳。1950年至1955年，锚杆支护使美国一大批采矿企业发生巨大变革。1951年，锚杆支护在美国的采矿企业中取代了坑道支撑。随着时间的发展，锚杆支护手段也已在厂房、隧道、公路和铁路的路堑以及水坝基础等领域得到了应用。

在各种支护体系中，有一部分属于永久性支护，且为保护锚杆不至锈蚀和维持预先施加的张拉力，通常对锚杆进行灌浆；另一部分是采用锚杆作为快速临时性支护，然后再用其他支护措施予以补强。

锚杆技术至今已经有100多年的发展历史，随着时间的发展，锚杆支护已在厂房、隧道、公路和铁路的路堑以及水坝基础等领域得到了应用。

 

2 锚杆发展及现状

随着我国经济的迅速发展，国家加大了基础设施的建设力度，由于我国幅员辽阔，在工程的建设过程中会遇到各种工程地质问题，特别是西部，工程地质问题显得格外突出和复杂。因此，为解决这些工程中的地质问题，我们必须采取一些工程措施加以解决，锚杆支护就是我们常常采用的一项行之有效的工程措施。因此，了解和掌握锚杆支护技术的发展现状、加固机理及当前研究的动态对我们这些从事工程地质的人员显得格外必要。

我国锚杆支护的应用与发展，大致经历了以下3个阶段：

1）单体锚杆群阶段。这一阶段主要是锚杆支护技术的刚刚引入我国的初级应用阶段，也就是上世纪50~60年代。这一阶段的锚杆以钢丝绳、水泥砂浆锚杆为代表，锚杆无托板，锚杆之间无相互联系。锚杆实际只起悬吊作用，锚杆被动承载，不与围岩共同作用。此阶段相应的支护理论悬吊理论和原始楔形剪切理论等。

2）组合锚杆支护阶段。在这一阶段，锚杆支护技术有了很大的发展，出现了一大批新型锚杆，如水泥、钢筋锚杆，树脂卷钢筋锚杆及其他类的金属锚杆。

该类锚杆在尾部均有托板、螺帽，有时还增加了金属网、砼喷层及钢带、钢筋梯、钢架等。逐渐形成组合式支护体系。该结构体系又成平面组合发展到空间组合，形成稳定的结构体系。此阶段相应的支护理论为组合理论—组合拱、组合梁等。

3）预应力锚杆体系阶段。进入90年代，随着锚杆支护在松软岩体和大跨度中的推广应用，人们注意到绷紧锚杆网、带，采用有横向预应力管缝式锚杆和锚杆桁架，能显著改善支护效果。实践和理论都证明，保证锚杆体系有足够的横向和纵向预应力，才能真正发挥锚杆支护的作用，充分发挥围岩与支护体系的最大支护力。

 

3 预应力锚杆加固的机理

作为一种支护手段的锚杆支护与传统的木架支撑及其他形式的现浇砼等在支撑方法上有着根本性的区别。传统式支撑往往是一种被动式支撑，当岩石开始变形时才开始支撑荷载。然而，预应力锚杆这种支撑手段，因为我们安装在钻孔里、因而能成为与岩石结为一体，能承受所发生的力及变形，并阻止力与变形的发生，是一种主动式支撑。

当锚杆被张拉后就成为主动式支撑了，即预应力锚杆，因此成安装后它就产出功效。岩石的变形就可以减少或防止，裂缝受到遏制。作用在岩石裂缝面上的正压力一加大，自然摩擦力就可被利用来产生巨大的效果。无论哪一种锚杆，都存在着锚杆与岩石两者之间的相互作用。这一特性对哪些悬臂面必须受到支撑，而且撑柱沉陷量也很大的对洞室带来了特有的好处。因为就地维持悬臂面稳定不动只需要相对较小的力量，但撑柱的挤压力却常会超荷并导致支撑的破坏。

在工程实践中，不同的工程地质问题所采用的加固理论有所不同，例如：如果洞室埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，就适合采用悬吊理论和组合梁（加固岩梁）理论；而当洞室以受水平应力影响为主，一般而言，就适合采用加固拱（挤压支撑拱）理论。

众所周知，岩体的抗拉强度很低，弹性变形能力很小，一当发生较大的变形，岩石必将开裂，而钢材的弹性变形能力很大。特别是围岩抗拉强度低，同时还被层理等弱面所切割（弱面的抗拉强度几乎为零），此时围岩抗拉强度更低。如果在安装锚杆构件时给围岩一定的预压应力，对于受拉截面，可以抵消一部分受拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于预应力产生的摩擦力，大大提高加固体的抗剪能力。同时由于避免过早的出现张裂缝，从而可以减缓围岩的弱化过程，保证洞室的长期稳定。

 

4 预应力锚杆加固产生的效果

1）保证围岩与锚杆构件共同作用，避免围岩与锚杆“被各个击破”，从而提高加固体的抗拉、抗弯、抗剪力；

2）防止围岩过早出现裂缝和滑移，避免围岩迅速弱化，从而保证洞室长期处于良好状态，保证洞室长期稳定；

3）提高围岩加固体强度与刚度，减少洞室围岩的位移量，从而提高洞室断面利用率，避免人为地加大开挖断面的预留量。

 

5 存在的问题及建议

我国岩土锚固规范中对锚杆（索）耐久性的要求很低，且操作性较差，结构的安全性重点放在各种强度要求上，而对环境要素（如工程周围水、土中有害化学介质侵蚀等）下的耐久性要求则考虑较少。随着我国基本建设的发展，作为土建结构重要组成部分的岩土预应力锚杆（索）工程的耐久性应引起相关研究、设计、施工单位的高度重视。岩土锚杆（索）所在的特定介质环境和高位应力特点，使未经防腐或防腐不当的锚杆（索）发生腐蚀，甚至导致破坏。根据钢筋腐蚀的不同机理，一部分为应力腐蚀、氢脆、化学腐蚀和电化学腐蚀。

锚杆破坏的主要原因分析：

1）锚固段问题：由于锚固段内灌浆不足所致，导致钢绞线受含硫酸盐和氯化物的地下水侵蚀，灌浆施工缺少压水检查和施工不当会导致锚固段灌浆不足。

2）自由段问题：①地层运动造成拉筋超应力，使其产生裂纹；②在有氯化物的情况下，水泥浆包裹不足或无水泥浆；③由于耐久性差导致沥青包裹层破坏；④保护材料选择不当，如化学材料中含有硝酸根离子和吸湿玛碲脂；⑤所有拉筋在无保护情况下存放很长时间。

3）锚头问题：主要是缺乏防腐措施或工作期间保护剂充填不完全或塌落。

通常岩石变形总可以分解为沿锚杆钻孔轴向与径向两个分量。而我们往往只分析锚杆的轴向力。事实上发挥径向抗力的作用，阻止围岩径向的剪切错动变形，对防止围堰松动，保障洞室稳定有更为重要的意义。无论胶结式或机械式的端点锚固锚杆都不具备阻止岩石初期的或较小的径向剪切破坏的能力。在这一点上，快凝全长胶结锚杆是较好的。普通砂浆锚杆由于需要较长的固结过程，也不能有效的抵抗围岩变形作用。

针对锚杆（索）破坏的原因分析，提出建议如下：

1）  结构上选择有较大横向预应力的锚杆体系；

2）  材质上选择具有高强度、高屈服极限的钢材制作锚杆、杆体螺母；

3）  为提高预应力值，必须研制大扭矩安装机具，减少螺母与托板之间的摩擦力；

4）  积极开展对预应力锚杆体系的研究，对其加固机理和实际效果进行系统的研究与

测定。针对不同的围岩和产生条件，研究选取最优预应力值和最佳预应力锚杆体系。

 

6 当前研究热点

6.1  光纤传感技术在预应力锚杆应力测试中应用

砂浆预应力锚杆对岩土介质加固的有效性，已为广泛的工程实践所证实，但锚杆受有砂浆作用的粘结力，杆体受压拉力作用后的轴向应力分布状况一直不清楚。鉴于锚杆受力后所处的力学状态对锚杆加固机理的了解、加固作用的可靠性评价、锚杆设计参数的合理选择，特别对锚杆长度的选择，均具有重大的工程意义和经济意义，故工程力学界一直希望能对砂浆预应力锚杆的力学状态进行现场实测。由于传统的传感测试技术难以提供有效手段，如传统的电磁法传感器难于在岩土的潮湿环境下保持长期稳定，难以经受施工过程的干扰与破坏，并且探头的尺寸通常较大，难于在锚杆上固定并在锚杆受力后稳定与锚杆协调工作，所以这方面的试验研究，直到目前为止除曾有过某些室外模拟试验外，现场实测一直未取得有效的进展。上个世纪80年代伴随着光纤通讯发展而产生的光纤传感技术，已有可能对诸如岩土工程与土建工程等许多工程领域的工程安全与质量监控提供有效的实测手段。

 

6.2  新型锚杆的研究

就目前而言，国外锚杆技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近100%，其锚杆技术水平居于世界前列。

目前主要有以下两种新型锚杆（索）：

玻璃纤维锚杆（索）：除了具有相同甚至更高承载张力以外，玻璃纤维锚索重量轻，可提高安装速度。

砂固结内锚头预应力锚杆：这种新型的锚杆有着优越的性能，不仅施工工艺简单，操作方便，而且在安装后数分钟内既可以将预应力施加上去。因此，它可以用在抢险救灾工程或要求加快施工进度的大型工程。

 

7 结束语

当前，预应力锚杆技术已广泛运用于各种工程地质问题当中，预应力锚杆技术也进入高速发展的阶段。关于预应力锚杆加固机理的研究愈发深入，同时，随着材料科学的长足发展，关于预应力锚杆的锚杆材料研究逐渐成为大家研究的热点。

 

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