土锚固知识.docx
《土锚固知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土锚固知识.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
土锚固知识
土锚固技术简介
锚杆（Bolt）,在欧洲称“Ground anchor”，在日本称“Earth anchor”,是指构筑在土层或岩石中的锚杆。
它是一种将支挡结构所承受的荷载（例如侧向压力、向上托浮力等）通过拉杆传递到处于稳定地层的一种结构体系，是岩土工程领域中的一个重要分支。
而岩土锚固技术是一种将受拉杆件一端固定（称锚固段）在边坡或地基的土（岩）层中，另一端与工程建筑物相连接，用以支承由于土压力、水压力或风压力所施加于建筑的推力，从而利用地层锚固力以维持建筑物稳定的技术。
使用岩土锚固技术的优点在于：
（1）锚杆施工机械及设备的作业空间不大，可以适合各种地形及场地；
（2）用锚杆代替钢模撑做侧壁支撑，可以节省大量钢材，还可以改善施工条件；（3）锚杆的设计可由抗拔试验获得，因此可保证设计有足够的安全度；（4）锚杆可采用预应力，以控制基坑等的变形；（5）施工量、噪音和振动均很小。
锚杆支护技术的理论发展至今，成果非常丰富，这可以从收集的大量的国内外岩土锚固的资料文献中看出。
1.锚固技术的发展历史及研究现状综述
自1911年美国首次采用岩石锚杆支护矿山巷道起，锚固技术便得到迅速发展，现已普及到世界各国的露天矿边坡加固、地下开采硐室支护、铁路边坡支护、水利水电工程中的坝基加固、高边坡稳定加固及土木建筑工程中的深基坑加固等各个领域。
1934年在阿尔及利亚切尔伐斯坝的加高工程中，首先采用承载力为10000KN的预应力岩石锚杆来保持加高后坝体的稳定。
1957年，法国Bauer公司首先采用土层锚杆，从此，锚固技术不仅限于硬岩，而且也用于土层、风化岩、软岩等。
1969年在墨西哥召开的第七届国际土力学和基础工程会议上，曾把土层锚杆技术作为一个专门的问题来讨论。
70年代，英国在普莱姆斯的核潜艇综合基地干船坞的改建中，广泛采用了地锚，用以抵抗地下水的上浮力。
1974年，纽约世界贸易中心深开挖工程采用锚固技术，开挖从地面以下到24m深，锚杆倾角为45°，工作荷载为3000KN。
法国、瑞士、捷克、澳大利亚先后颁布了地层锚杆的技术规范。
我国的锚杆技术从50年代后期开始在矿山巷道中使用，1964年，我国安徽梅山水库开始采用承载力很高的预应力锚杆加固坝基。
60年代，锚固技术已在我国的矿山、冶金、水电、交通、土木建筑等领域内广泛采用。
应用范围由坚硬稳定岩石发展到松软破碎岩石，由小巷道发展到大跨度硐室，由静荷条件发展到动荷条件，由基建工程发展到工程抢险和结构补强。
近一、二十年，由于我国的大型水电工程相继建成或破土动工，锚固工程量大大增加，锚固技术也得到了更广泛地采用和进一步发展。
正在建设中的三峡工程，其设计锚固工程量就非常大，仅就其双线船闸边坡而言，全长共五级，约1600m长，其坡高最高处达170m，坡角自上而下分别为45、75、90度，其高度及其工程规模之大为世界罕见，采用4000根长25～61m的3000 kN （部分为1000kN）的预应力锚杆和近100000根8～14m的高强锚杆作系统加固或局部加固，它对阻止不稳定块体的塌滑，改善边坡的应力状态，抑制塑性区的扩展，提高边坡的整体稳定性发挥了重要作用。
三峡工程是举世瞩目的水利水电工程，它的建成对我国国民经济的发展将有极为重要的作用，其成败不仅在国内也会在国际上产生重大的影响，这就使得其锚固工程显得极为重要。
国内外对锚杆支护也已作过较多的研究，理论研究主要围绕地层锚固的荷载传递机理、不同类型注浆锚杆用于不同地层时杆体与注浆体、注浆体与地层间的粘结应力及其分布状态、设计方法和施工技术展开。
英国、澳大利亚、加拿大等国的学者和工程师提出了“注浆锚杆的侧向刚度、注浆体长度及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界面特性的影响”、“有侧限状态下注浆锚杆的性质”、“粘结应力分布对地层锚杆设计的影响”和“单孔复合锚固的理论与实践”等理论研究成果，对改进锚杆设计和发展能充分利用地层强度的锚杆体系具有重要作用。
这一期间国际间的学术交流也十分活跃，如95、96、97连续三年先后在奥地利、中国和英国举办了关于地层锚固和锚固结构的国际学术会议，广泛交流了岩土锚固的理论、设计、材料、施工、腐蚀、防护、实验、荷载传递和界面上的粘结特性等成果。
在技术创新与工程应用方面，中国的成就特别令人注目，具体体现在以下方面：
1、应用领域不断拓宽；2、标准化建设正在形成；3、锚固材料与施工机具有新的发展；4、软土锚固取得重大突破。
总之，当今国际间的理论和实践已提高到了一个新的水平，为广泛应用岩土锚固技术打下了坚实的基础。
2.岩土锚固加固机理或作用机理研究进展
要弄清楚锚杆加固机理，必须先清楚锚固机理依据锚杆的类型、岩土工程形式、布置方法、地质条件等不同而不同，因此我们必须先搞清楚锚杆的分类。
土层锚杆分类如下：
⑴ 按工作机理分为：
①主动锚杆：
荷载主动地加到锚杆上，土体保持相对静止，锚杆和土体的相互作用由锚杆的拉伸和位移而引发，用于支撑上部结构的锚杆均属此类。
②被动锚杆：
埋设在土中的锚杆用作抵抗土的可能位移，它们之间的相互作用主要由土体的位移而激发，隧道支撑结构、深基坑支护、挡土墙、边坡加固等均属此类。
⑵ 按力的传递方式锚杆可分为：
①摩擦型锚杆，通常称为灌浆锚杆，其支承机理为摩擦抵抗力F大于支承抵抗力Q；②承压型锚杆，锚固体有一个支承面，锚固的一部分或大部分是局部扩大的，其支承机理为摩擦抵抗力F小于支承抵抗力Q；③摩擦组合型锚杆，其支承机理为抵抗力F约等于支承抵抗力Q。
⑶ 按受力的不同锚杆可分为：
①拉力型锚杆 ②压力型锚杆 ③剪力型锚杆 ④分散压缩型锚杆，拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或受压状态。
⑷ 按工作年限锚杆可分为：
①临时性锚杆（工作年限小于2年）；②永久性锚杆（工作年限大于或等于2年）。
⑸ 按锚固段构造形式不同锚杆可分为：
①圆柱型锚杆；②端部扩大头型锚杆；③连续球杆型锚杆。
⑹ 按粘结长度锚杆可分为：
①顶端局部锚固；②全长粘结锚杆；③部分粘结锚固。
具有自由段和锚固段的土层锚杆，锚杆由锚固体、拉杆、锚头三个基本部分组成，其各部分的功用如下述：
（1）锚头 锚头是构筑物与拉杆的连接部分。
它的功用是将来自构筑物的力有效地传给拉杆。
一方面必须保证构件本身的材料有足够的强度，相互的构件能紧密固定，另一方面又必须将集中力分散开。
为此，锚头由台座、承压板和紧固器等部件组成。
在设计时，根据锚固目的，锚头应具有能够补偿张拉、松弛的功能。
（2）拉杆 锚杆中的拉杆要求位于锚杆装置中的中心线上，其作用是将来自锚头的拉力传递给锚固体。
由于拉杆通常要承受一定荷载，所以它一般采用抗拉强度较高的钢筋制成。
（3）锚固体 锚固体在拉杆的尾部，与岩土体紧密相连。
它的功用是将来自拉杆的拉力通过摩阻抵抗力传递给稳固的地层。
在岩土锚固工程中，锚固体的可靠性直接决定着整个锚固工程的可靠程度，因此，锚固体的设计是否合理将是锚杆支护的关键，它关系到锚固工程的成败。
总之，锚杆的分类标准多种多样，不同的锚杆就有不同的锚固机理。
试验和工程经验表明，锚杆支护是一种有效的加固措施，但由于其加固机理及作用方式复杂，至今还没有统一的理论。
目前，对土层锚杆工作机理主要有以下几种观点：
（1） 摩擦作用：
锚杆在正常工作状态下，由于涉及拉杆、注浆体、土体等各部分的相互作用，受力情况复杂，所涉及的各部分材料性能差异很大，所以对锚杆体系的工作机理尚在进一步探索中。
一般认为：
主要靠锚固段的注浆与被锚固土体之间的摩擦力来维持被锚固土体的平衡和稳定。
锚杆除了本身截面积A必须承受拉力外，还必须同时满足三个条件：
①.锚固段砂浆握裹力必须能承受极限拉力；②. 锚固地层对砂浆的摩擦力必须能承受极限拉力；③. 锚固的土体在最不利条件下必须能保持整体稳定。
实践已表明：
单根锚杆的承载力除锚筋必须具有足够的截面积以承受极限拉力外，对于锚固于土层的锚杆，其抗拔力取决于锚固体与土层之间的极限摩擦阻力。
（2） 增大土体的稳定性：
由于锚杆的预应力作用，可以有效地限制被锚固土体的变形量，从而增加土体的稳定性；灌浆可大大增加锚杆和土的界面强度，也可以增加土体稳定性。
（3） 土体等效变形模量增加：
由于锚杆的弹性模量高于土体的弹性模量，当锚杆随土体变形时，这种变形特性差异造成了土体等效变形模量的增加。
（4） 土体的C、Φ值的提高：
早期的锚杆计算模型就是认为锚杆提高了土体的C、Φ值，相应加大土体的C、Φ值，然后进行计算。
对于岩石而言：
（1） 悬吊理论：
认为锚杆是将岩石表面不稳定的岩体固定悬吊在深处坚固稳定的岩层上，使破碎的岩块不至于落下，这是一种最简单的预期效果，计算上也比较简单。
（2） 组合梁（板）理论：
对于水平成层岩层，当没有锚杆时，层理面是分离的，呈薄层重合梁状态工作，当有锚杆张拉时，由于增大了层面间的摩擦，则可以承受剪力，呈整体性的组合梁工作状态。
（3） 加固理论：
打进锚杆使已破碎的地层和岩层具有整体性或近似整体性，这样的效能称为加固理论。
主要的加固机理有：
（1）围岩凝聚力的增加：
对于层理不发育，整体性能较好的围岩，轴对称圆形巷道的开挖将引起围岩螺旋型破坏，由于锚杆杆体的“销钉作用”可以增大破坏面的抗剪强度，即提高了破坏面的等效凝聚力。
（2）围岩内摩擦角增大：
锚杆的预应力将在围岩中产生一个均匀的压缩带，使围岩等效内摩擦角得到提高。
（3）围岩等效变形模量增加：
由于锚杆的弹性模量高于岩体的弹性模量，当锚杆随岩体变形时，这种变形特性差异造成了岩体等效变形模量的增加。
（4）围岩等效单轴抗压强度提高：
按照全长粘结式锚杆的中性点理论，锚杆安设后将随围岩共同变形，此时，中性点以下锚杆表面剪力将阻止巷道表面位移，锚杆的这种加固作用表现为岩体峰值抗压强度的提高。
（4） 内压理论：
主要用于研究松软岩层中的隧道稳定性，与锚杆所受张力相当的力呈内压状态作用于隧道壁，在内压作用下隧道壁呈三轴应力状态，壁面承受切向应力的能力增大，使围岩呈很好的稳定状态。
锚杆的张力则是靠联系杆或喷混凝土传递给壁面形成内压，显然这种效果是增强作用的一部分。
（5） 锚杆加固并联支护：
也就是说锚杆是与锚固岩体并联起来共同承担地压，而不是像传统支架那样，它的作用主要表现为串联作用。
以上这些支护理论，各自在特定的岩体或土体条件和锚固方式下反映了锚杆的加固作用。
实际这些作用往往不是孤立的，只是某方面起主要作用而已。
由于这些支护机理简单明了，在目前设计中仍广泛采用。
3.岩土锚固的试验研究进展
有关锚杆的试验包括室内试验和现场试验，室内试验一般是模型试验，而现场试验一般有基本试验、抗拔试验、蠕变试验、验收试验等。
室内模型试验是为理论研究锚杆锚固机理和变形提供依据，而基本试验、抗拔试验等是为工程提供设计依据。
锚杆规范规定对任何一种新型或已有锚杆品种用于未曾用过的地层时应进行基本试验。
基本试验的目的是确定锚杆的极限承载力，掌握锚杆抵抗破坏的安全程度，揭示锚杆在使用过程中可能影响其承载力的缺陷，以便在正式使用锚杆前调整锚杆结构参数或改进锚杆制作工艺；对锚固于塑性指数大于17的地层中的锚杆应进行蠕变试验；对任何一项岩土锚固工程，均应进行锚杆的验收试验；设计时对于锚杆的极限抵抗力，应进行抗拔试验。
室内模型试验大多数是模拟试验，模拟试验是当原体或实际现象还没有成立或还没有发生时，若想了解这个原体或实际现象的情况、性质，可以用模型使它遭遇着与原体相似或近似的环境，由此模拟所发生的情况，推断原体实物所发生的现象，可视为一个过程。
模型就是仿照原体实物，根据其所受的主要作用力，抽象出其主要的物理内容，按一定比例关系缩小或放大的代表物，并以一定的方式反映对象或过程在原型中的情况。
对于锚杆室内模拟试验大多数是采用相似材料的模型，得出了一系列有用的试验数据。
4.岩土锚固数值分析方法研究进展
近年来，研究和工程设计中分析和计算锚杆支护的主要手段逐渐转向数值方法，随着计算机的出现和有限元技术的发展，有限元法已被广泛用于锚杆的分析和设计中。
在有限元法中通常是将锚杆简化为单纯受拉的杆单元。
对于顶端局部锚固式锚杆，例如预应力锚杆，可以将它模拟成两节点单元，只研究其轴向的变形和力的变化；或者将自由张拉段和锚头部分处理成两节点的虚单元，而将锚根部分作为实体杆单元来研究。
还有一种所谓粘结—滑移的粘结单元，是反映全长固结式锚杆与围岩作用的数学模型，该种单元较好地模拟了当锚根与围岩间由于相对位移产生的剪应力大于其粘结力，使锚杆发生相对滑动的情况，比一般将锚杆离散成铰接于围岩单元节点处的杆单元，能较好、比较真实地反映锚杆和围岩的相互作用。
但是这种处理方法不能真实地反映锚杆的行为，特别是灌浆的作用。
为了解决这个问题，一些研究人员在锚芯和灌浆之间引入了接触单元，这无疑增加了求解问题的复杂性，锚杆问题的进一步研究是建立包含钢芯和灌浆刚度的锚杆单元。
此后，Aydan又提出了一种修正的锚杆，该单元有四个结点，其中两个结点与钢芯相连，另两个结点与灌浆相连，但未考虑钢芯与灌浆之间的剪切滑动作用。
后来雷晓燕在Aydan工作的基础上，提出了一种考虑锚芯与灌浆间剪切破坏作用的三维锚杆单元。
运用该单元对立方岩体拉拔试验进行了数值计算。
近两年来，在有限单元法的基础上出现了数值流变方法、DDA法等来研究锚杆加固。
数值流变法是利用现代数学—“流变”的有限覆盖技术建立起来的一种新的数值方法，通过采用分片光滑的覆盖函数，对连续和非连续问题建立了统一的计算格式，是一种十分适合于岩土工程分析的数值方法。
国内的王书法、朱维申等人通过引入锚杆单元研究了模拟加锚岩体变形的数值流变方法，并对块体边坡的加锚支护问题进行了模拟，取得一些有意义的结果。
DDA法是非连续变形分析的简称，是近年来发展的能分析裂隙岩体的一种较好的数值计算方法，它可作为静力、动力计算，包括正分析和反分析。
DDA模型将块体的刚体位移和变形采用统一的有限元格式求解，不仅允许块体本身有位移和变形，而且还允许块体间有滑动、转动和张开等运动形式，兼有离散元和有限元之长。
石根华教授提出的二维DDA中，锚杆被考虑为一个线弹簧元件；考虑到原DDA中的锚杆模拟只计及杆体的轴力而未计及杆体本身的抗剪作用，Te—Chih Ke进一步提出了改进的岩石锚杆模型；姜清辉提出了三维非连续变形分析方法中的锚杆的简化模型，对建立三维的DDA锚杆模拟理论作了初步尝试。
5.岩土锚固内力计算和应力分析研究进展
对于岩石锚杆而言：
① 锚杆的内力计算理论落后于实践，首先开始于岩石的锚杆计算，岩石锚杆一般是巷道锚杆支护，锚杆理论发展的最初阶段是根据一些简化假定，按材料力学的方法建立力学模型和进行计算的，如悬吊理论、组合梁理论、加固理论等。
这些理论从各个不同方面说明了锚杆作用，各自在特定的围岩条件下反映真实情况，而且计算方法简单明了，因此在实际设计中还在采用，但是，这些理论的力学模型过于粗糙，都是把锚杆加固的后围岩加固圈人为地从原岩体中脱离开来，因而与许多实际情况出入较大。
② 锚杆支护计算理论发展的第2阶段是将锚杆作用等效为围岩力学参数（E，μ，c，Φ等）的改善，从而应用弹性、弹塑性等理论将洞室围岩视为无限平面带有复合圆环的力学模型，这样计算出加固圈内的应力场和位移场，这种方法的困难在于锚杆加固圈的力学参数很难准确掌握，实验室内不可能模拟全部实际情况，利用现场实测数据反演，也只能在一定程度上解决这个问题，带有很大的局限性。
③ 锚杆支护计算理论发展的第3阶段是对锚杆上剪力分布规律进行简化假定后，运用结构力学的方法对锚杆的轴力进行计算，从而得到锚杆的极限长度与相应的直径等。
1982年王明恕提出的适用于全长锚固锚杆的锚杆中性点理论就属于这一类方法。
这一时期的论文大部分都是在讨论这一理论的可行性，从而不断完善和推广了这一理论的应用
④ 锚杆支护计算内力更为完善的方法是弹性、弹塑性和弹粘性力学的方法。
这类方法把围岩视为受外围均匀压力的带圆柱孔的无限体，单一的锚杆作用一对集中力或一连串集中力来代替，运用现有力学解答并加以叠加，得到锚杆加固圈内的应力场和位移场。
从理论上讲，这类方法较为合理，然而其计算公式繁杂，由于数学上的困难，目前解题的范围还很有限，但是随着有限元和数值计算方法的应用，今后这类方法会更加完善得以推广。
对于土层锚杆而言：
相对于岩石锚杆的内力计算分析，土层锚杆的内力计算分析发展较晚，而且要分析锚杆的内力就必须弄清楚荷载的传递机理，土层锚杆通过杆体（钢束）和灌浆形成的锚固体与锚固层之间的摩擦作用进行荷载传递，传递机理非常复杂，许多学者对此开展了研究。
20世纪70年代，Evangelista和Ostermayer等分别对粘性土和粒状土中的锚杆量测到锚固体表面摩阻力沿锚固长度呈非均匀分布，Fujita等总结了30例现场试验成果，提出了临界锚固长度概念，认为超过这个长度，极限抗拔力增加很少。
在基于锚杆荷载传递理论的分析法中，Phtllips假定摩阻力沿锚固长度按幂函数分布，但只给出适用于土层锚杆的有关参数。
王建宁按共同变形原理分析，考虑杆体、浆体和锚固层的共同作用，按照弹性力学的Mindlin解，由变形协调条件计算锚杆内力，该解析法结果可反映摩阻力分布的不均匀性。
张季如等人假定锚固体与锚固层之间的剪力与剪切位移呈线性关系，建立荷载传递的双曲线模型，得出了锚杆的内力分布。
而应用较多的也是对基坑支护的锚杆进行内力计算分析。
根据不同的分析方法，得出的锚杆内力分布规律不尽相同，尤春安等人认为锚杆剪应力在孔口处最大，锚杆轴力在孔口处为零；王明恕等人认为锚杆剪应力在中性点处为零，轴力在中性点处最大；现行的锚杆规范认为摩阻力沿锚杆均匀分布；张季如、唐保付等人认为锚固体与锚杆周围土体之间的剪力与剪切位移呈线性关系等。
所以对于锚杆的内力分析没有一个统一的理论依据，可见锚杆的理论研究还不成熟，有待于深入的研究。
6.岩土锚固体变形研究进展
纵观现有的国内外资料，详细研究岩土锚固体变形的论文比较少，但是变形分析离不开受力分析，过去，从锚杆内力计算中可得出锚杆轴向位移的计算，但是这也仅仅是基于Mindlin解求解岩石锚杆的轴向位移，对于土层中的锚杆变形计算研究很少，范景伦给出过预应力土层锚杆的刚度公式，刘俊生从土层锚杆受力方式的不同及其变形特性分析入手，导出了不同锚杆的变形计算公式。
张季如假定灌浆体与周围土体之间的剪力与剪切位移呈线性增加关系，建立了锚杆荷载传递的双曲函数模型，获得了灌浆体位移的计算公式。
锚杆的变形研究尚存在许多不足之处，突出反映在：
①没有把锚杆支护体系作为一个整体来协调考虑，也即没有建立一个锚杆、灌浆体、土体等共同作用的分析力学模型，所以，经过多种假设求出的仅仅是锚杆或灌浆体的位移，而不是锚固体的位移。
②没有考虑各种施工过程对岩土锚固体变形的影响。
7.岩土锚固技术的应用领域现状
随着岩土锚固技术的发展，锚固技术的应用领域和规模不断扩大，展示了广阔的发展前景，现在岩土锚固技术几乎遍及基本建设的各个方面，除在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程中继续保持着良好的发展势态外，重力坝加固、桥梁工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固则有着长足的进展。
概括起来岩土锚固工程主要有以下几个方面的用途：
（1）岩土锚固用于深基坑工程;
（2）边坡稳定工程;
（3）抵抗倾覆的结构工程;
（4）隧洞与地下工程;
（5）冲击区的抗浮与防护;
（6）加压装置;
（7）各种构筑物的稳定与锚固.
升级会员 