錨桿加固機理和其在邊坡工程的中的應(yīng)用

1、錨桿加固機理及其在邊坡工程中的應(yīng)用一、引言巖土工程中的錨固技術(shù)是應(yīng)用錨桿或錨索對巖土體進行加固，可充分地發(fā)揮巖土體自身穩(wěn)定能力，是一種對原巖擾動小、施土速度快、安全可靠以及經(jīng)濟有效的加固手段， 在水利水電、鐵路交通、城市建設(shè)、地下工程、國防建設(shè)和采礦工程等行業(yè)中得到了廣泛的 應(yīng)用，并獲得巨大的成功， 取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。錨固技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是現(xiàn)代巖土玉程的一個重要標志，目前錨固技術(shù)的發(fā)展正處于方興末艾的時期，錨固理論的深入探討和研究，對推動巖土工程領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義。巖土工程中所使用的錨桿是一種安設(shè)在巖土層中深部的受力桿件，它的一端與工程 建筑物相連，另一端錨固在巖土層中，必

2、要時對其施加預(yù)應(yīng)力，以承受土壓力、水壓力 或風(fēng)載荷所產(chǎn)生的拉力，用以有效地承受結(jié)構(gòu)載荷，防止結(jié)構(gòu)變形，從而維護結(jié)構(gòu)建筑 物的穩(wěn)定。二、邊坡工程中錨桿支護的發(fā)展目前而言，國內(nèi)外很多學(xué)者都側(cè)重于研究加錨節(jié)理巖體的模擬計算方法。英國的Pan de等人側(cè)重研究了加錨節(jié)理巖體的模擬計算方法；Egger對加錨巖體的力學(xué)性質(zhì)作過大量的實驗研究；馬來西亞的L. P. Yap在1984年利用有限單元法分析了在拉拔力作用下巖體注漿錨 桿的荷載傳遞機理，并且指出了錨桿側(cè)剪應(yīng)力的均勻分布假設(shè)是錯誤的。印度的K. G.Sharma （1988年）采用等效介質(zhì)的方法應(yīng)用粘彈塑性理論分析了錨桿在巖質(zhì)邊坡中的加固 機理。韓國

3、的T. F. Cho （1993年）提出了與節(jié)理單元配合使用的二維錨桿離散模型。加拿大的B. Benmokran （199 年）利用室內(nèi)模型實驗分析了錨桿的抗拔機理瑞典的C. Li （1999年）針對錨桿安裝在均勻變形巖體中、受拉拔力作用和節(jié)理的張開作用三種情況，分別提出了相應(yīng)的錨桿分析模型，并探討了錨桿在三種情況下的應(yīng)力分布和變形特點。GargeV. k. （1991年）對節(jié)理巖體的錨桿提出了大變形的有限元分析方法；我國浙江大學(xué)的楊延毅、中科院武 漢巖土研究所的朱維申、 李術(shù)才從斷裂力學(xué)的角度分析了錨桿對裂隙巖體的加固機制。宋宏偉等于2002年通過數(shù)值模擬和新的研究模型研究錨桿和非連續(xù)巖體的

4、相互作用，發(fā)現(xiàn)了錨桿在非連續(xù)巖塊的錨固中受到剪切時，存在錨固巖塊分離的力學(xué)現(xiàn)象，稱為“導(dǎo)軌作用”，導(dǎo)軌作用的存在，使兩巖塊分離或出現(xiàn)分離趨勢，這不但沒有增加錨固巖塊間的相互作用力，而且使相互作用力變小甚至為零，削弱節(jié)理面的抗剪強度，對錨固效果產(chǎn)生負面影響，該發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的錨桿作用提出了質(zhì)疑。北京建筑設(shè)計總院的程良奎、范景倫等人通過大量的錨桿試驗和工程實踐，提出了 “巖土錨固墻”的新概念。三、錨桿在邊坡工程中的支護機理綜合起來，錨桿在邊坡工程中的支護作用主要表現(xiàn)為對節(jié)理裂隙巖體等不連續(xù)面的加強效應(yīng)，歸納起來主要有以下一些作用1、增韌止裂機理。邊坡中的卸荷裂隙隨著側(cè)向壓應(yīng)力逐漸解除，并局部進入微拉時

5、， 經(jīng)歷張型起裂，并在斷續(xù)卸荷的自身平面內(nèi)由穩(wěn)定擴展到失穩(wěn)，巖橋擊穿而相互貫通破壞。設(shè)置錨桿主要作用可看成是對卸荷裂隙提供橋聯(lián)作用，以阻止或延緩其張裂擴展過程，進而改善邊坡巖體的變形與強度性質(zhì)。2、銷釘作用銷釘作用認為錨桿在加固軟弱結(jié)構(gòu)面時，憑借桿體自身的抗剪能力阻止結(jié)構(gòu)面的相對滑動，從而提高了結(jié)構(gòu)面的抗剪強度和粘結(jié)力。3、剪脹效應(yīng)機理當巖體中的粗糙不連續(xù)面發(fā)生剪切位移時，不連續(xù)面的兩壁因剪脹而產(chǎn)生擴容，使得貫穿不連續(xù)面的錨桿受拉產(chǎn)生附加的法向應(yīng)力，并通過不連續(xù)面的摩擦效應(yīng)提供附加的抗剪強度。4、預(yù)應(yīng)力作用預(yù)應(yīng)力作用能有效的降低或消除巖體中的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，使應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，從 而改善了

6、巖體的應(yīng)力狀態(tài)，同時，預(yù)應(yīng)力使加固區(qū)的節(jié)理裂隙閉合，使節(jié)理裂的連通率降低，從 根本上提同了巖體的抗剪強度。5、組合梁作用根據(jù)組合梁作用原理，我們將薄層狀巖體看成一種梁（簡之梁或懸臂梁），未錨固時，它們只是簡單地迭合在一起。 由于層間抗剪力不足， 在荷載或自重作用下， 單個梁均產(chǎn)生各自的彎 曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。錨固后，將形成組合梁，巖體相互擠壓，層間摩擦 阻力大大增加，內(nèi)應(yīng)力和撓度大為減小，于是增加了組合梁的抗彎強度。當將錨桿埋入巖土體時，數(shù)層巖土體組成的組合梁將大大提高巖土體的承載力。錨桿提供的錨固力愈大各巖土層間的摩擦阻力愈大，組合梁整體化程度愈高，其強度也愈大。6、擠壓加

7、固作用預(yù)應(yīng)力錨桿錨入松動巖土體后， 其兩端附近形成以錨桿兩頭為頂點的錐形壓縮區(qū)。若將錨桿以適當間距排列， 使相鄰錨桿的錐形體壓縮區(qū)相重疊，在預(yù)應(yīng)力作用下，便形成一定厚度的連續(xù)壓縮帶。同時由于預(yù)應(yīng)力的存在， 在壓縮帶中的巖土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高了巖土體強度，在較為破碎的巖土體中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，可以使沒有多大粘結(jié)力的碎石土加固成能承受較大荷載的整體“結(jié)構(gòu)”。這就是錨桿的擠壓加固作用。四、邊坡工程中錨桿支護的設(shè)計方法在邊坡工程中，錨桿支護常常用于加固不穩(wěn)定楔形體，并以充分發(fā)揮錨桿的抗剪作用為目的。其設(shè)計常采用極限平衡法和靜力平衡原則，而靜力平衡原則更強調(diào)的是不連 續(xù)面和錨桿共同承擔荷載，為了充分

8、調(diào)動不連續(xù)面的抗剪強度，允許不連續(xù)面有一定的 剪切位移。為了獲得錨桿相對于不連續(xù)面的最佳安裝角，一般對錨桿的安裝方向有一定的要求。隨著有關(guān)錨桿支護機理的研究不斷深入和現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值方法在邊坡錨桿設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐步趨于完善，在有限元法中，又分離散模型 和連續(xù)模型兩種。在錨桿數(shù)量較少、主要地質(zhì)構(gòu)造面的產(chǎn)狀和力學(xué)參數(shù)比較清楚的情況 下，可以采用離散模型對所有的錨桿一一進行模擬；當節(jié)理裂隙發(fā)育、錨桿數(shù)量又比較多時，采用等效連續(xù)模型比較適合。五、錨固技術(shù)的評價1、優(yōu)點采用錨固技術(shù)可使邊坡巖土體形成一個復(fù)合整體，從而增加邊坡的穩(wěn)定性，改善和提高滑動面的抗滑性能。 該技術(shù)即使在

9、不利的自然條件下，也能有效地保證行車安全，較之其它保護工程技術(shù)具有高效、穩(wěn)定的特點。而且整治完工后，不需大量的人力、物力來養(yǎng)護便能有效地保證其耐久性。 在對高陡邊坡的整治中， 錨固技術(shù)的優(yōu)點更為突出，在經(jīng)濟性和有效縮短工期方面有不可替代的作用，如利用預(yù)應(yīng)力錨索加固高陡邊坡與其它方案相比較，可降低造價20% 30% ，縮短工期 50%。2、缺點(1) 因采用巖土錨固技術(shù)整治高陡邊坡時易造成人員傷亡，所以需要高度的安全保障措施。(2) 雖然利用錨固技術(shù)對保護生態(tài)環(huán)境具有積極的作用，但錨固工程所采用的材料色彩單一，令人感到單調(diào)、枯燥不舒適。(3) 工程成本較大，所用的設(shè)備較多，此外在施工中的隱蔽工程

10、較多，質(zhì)量控制和檢查 難度較高。(4) 施工工藝較為復(fù)雜，特別是采用預(yù)應(yīng)力錨索加固時施工難度較大。3、錨桿自由段、錨固段的確定土層錨桿是一種埋入土層深處的受拉構(gòu)件，一端與工程構(gòu)筑物相連、另一端錨固在土層中，整根錨桿長度分為自由段和錨固段。自由段是將錨頭處的拉力傳至錨固體的區(qū)段，其功能是對錨桿施加預(yù)應(yīng)力；錨固段功能是通過錨固體與土層的粘結(jié)摩阻作用或錨固體的承壓作 用，將自由段的拉力傳至土層深部。一般來說錨桿自由段Lf是根據(jù)基坑土體滑裂面計算出來的，見圖1。圖1土層錨桿計算簡圖sin 45° Lf(ha b)sin 45° 2(1)而錨固段長度La則一般根據(jù)錨固承載力來估算La

11、=P Dq (2)式中，口為與土體粘結(jié)強度、鉆孔方法、土壤性質(zhì)、內(nèi)摩擦角B、抗剪強度、固結(jié)強度、錨桿上覆土厚度、灌漿壓力等有關(guān)的參數(shù)，一般由試驗確定，也可按規(guī)范取值；P為錨桿承載力；D為錨固段直徑。4、錨桿承載力的提高通過式(2)明顯看出，要提高錨桿承載力，可加大D La值或增大q值。工程實踐及大量實驗表明錨固長度 La并不與P成線性關(guān)系，當La大于10m后P值的增幅就很小。目前提 高P主要依靠在錨固端頭擴體和二次灌漿技術(shù)，通過擴體不僅增加了錨固段表面積，達到 增加承載力的目的，更重要的是擴大頭前端土體所給予的阻力及端承力，其力學(xué)計算簡圖見圖2。另外可用二次、三次高壓灌漿法提高錨固力，灌漿可通過滲透擠壓作用增加了錨固體 周圍土體的抗剪強度、增加了錨固段的表面積，一般可提高錨固力兩倍以上。六、結(jié)語錨桿施工作為一種方便、高效、經(jīng)濟的支護方式，在整個支打技術(shù)中占有重要地位。隨著今后信息化施工的不斷發(fā)展、大量試驗數(shù)據(jù)的收集，相信錨桿設(shè)計、施工技術(shù)將越來越成熟、越來越完善，在邊坡支護工程中發(fā)揮更大的作用。參考文獻：1 孔憲賓，余躍心土一錨桿相互作用機理的研究J工程力學(xué)，2000.2 孔瑞天土層錨桿在邊坡中的設(shè)計應(yīng)用實例J.福建建