岩土锚固工程的力学概念分析

吉星刚

中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队

岩土锚固工程的力学概念分析

吉星刚

中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队

目前我国一些岩土锚固工程没有明确的力学概念，运用了不合理的设计施工手段，使得锚杆无效，多次出现工程事故。分析了岩土锚固工程的力学概念，目的是为了获得高水平的锚固工程的设计施工，指导锚固工程的安全进行，带来更大的经济收入。

岩土；锚固工程；力学概念

1 引言

我国地域广阔，地质条件复杂多变，工程建设力度逐渐加强，岩土锚固工程应用更加深入。处在这种新环境中，部分岩土锚固工程力学概念并不明确，未合理设计，多次出现了锚杆失效等一些问题，引发了诸多锚固工程垮塌事故。综合研究锚固工程稳定性影响的设计施工因素并不多见。研究了与岩土锚固工程的力学概念有关的一些问题，更清晰地呈现锚固工程中一些干力学概念，获得较高的岩土锚固设计施工水平，使锚固工程获得良好的安全性，创收较大经济效益。

2 筋截面面积、锚杆锚固体、自由段与锚杆的拉承载力关系

2.1 岩土锚固工程的预应力筋截面面积设计

预应力锚杆把拉力传至合适岩土体中，通常构成部分包括杆体自由段、杆体锚固段、锚头。岩土中预应力锚杆为后张法预应力结构，这种结构极具代表性，务必符合张控控制应力所需。现阶段各国对岩土锚杆标准做出认定，在满足设计抗力要求过程中，相比钢材标准极限抗拉强度，预应力锚杆筋体的张拉应力比其3/5较小。

2.2 岩土锚固工程的锚杆锚固段长度设计

预应力锚杆锚固段通过机械装置将拉力传至周围地层。锚固段长度不断增加时，锚杆抗拔承载力也相应增加，由于基坑设计程序一定要有效计算锚杆锚固段长度。锚杆锚固段长度可凸显黏结效应，无法使锚杆获得较高的抗拔承载力，锚固段过长，不利成本节约，延迟了施工的进行，错失施锚时机，给工程带来负面影响。

2.3 岩土锚固工程的自由段长度设计

预应力锚杆杆体自由段，这种功能借助筋体张拉时的自由弹性伸长，提供张拉力，充分传递拉力，至锚固体附近地层中。锚杆自由段要充足，这点很重要，锚杆自由段的临界破坏面一定要超过1.5m。锚杆锚固段距离潜在破坏面的距离充足时，使锚杆抗力更好地凸显效果。另外，自由段长度足够后，才能更好地把锚固段布置在良好抗剪强度的地层中，从整体上维持锚杆自由段的稳定。自由端长度足够长时，可减轻锚杆初始预应力大范围变动，防止底层位移增多时，影响传递载荷。为此。国外与我国对锚杆自由段长度做出规定，其长度位于4.5mm-5m。

3 锚杆抗拔承载力的提高方法

通过下述三种形式，可使锚固体周边岩土体具有较大的抗剪强度，明显提升了复杂岩土层中锚杆的抗拔力。

①单孔复合锚固法可提高锚杆抗拔承载力。将两个及以上单元锚杆设置字钻孔内，每个单元的杆体锚固段与杆体自由段是独立的，以张压力施加于各单元锚杆后，让地层间的黏结应力与注浆体均匀分布，极大减少了应力峰值，将锚固段周边地层抗剪强度充分利用起来，通过这种方法使锚固体总长度不断增加。

②后高压注浆锚固法可提高锚杆抗拔承载力。将一些具有特殊装置的锚杆杆体插入孔内，如，密封袋与袖阀管等，通过注浆枪将水泥浆灌注在锚杆锚固段，生成圆柱状注浆体，达至5.0 MPa强度后，使用的高压注浆浆液≥2.5 MPa，将初次注浆体开启，于锚固段周边实施挤压与扩散，让注浆体与地层间具备了良好的黏结强度，继而极大提升了锚杆的极限抗拔力。

4 洞室围岩过度变形与部分地段围岩破坏因素

①强度应力比较小围岩位移的时效性特征。锦屏一级主厂房最大主应力在30 MPa以上，具有较小的岩石强度应力，开挖洞室，围岩早期表现出较大的形变，在深度方向发展上，变形范围宽，持续时间较长，加剧了围岩变形。在这种围岩条件下，被动的普遍水泥砂浆锚杆全部应用于初期系统锚杆中，并不适合应用于洞室开挖早期变形发展中，经过三个月，一些测点位移在20 mm以上，经过一年，位移在60 mm以上，位移并未有所稳定。

②预应力长锚杆拉力设计值较低。洞室围岩强度应力比小，经过开挖，形变量越来越大，持续相当长一段时间，因为围岩变形，导致锚杆拉力明显变大，选取50%～60%锚杆拉力设计值，这是比较合适的。以极度降低初始预应力值是行不通的，对大跨度高边墙洞室而言，通常其预应力锚杆的初始预应力值在1500～2000 kN间，低强度岩体中的锚杆初始预应力值则变小，数值约1000 kN，围岩变形和支护抗力下，导致这种失衡现象更严重[2]。

5个月施锚，部分区段围岩位移呈现等速发展趋势。考虑到以上情况，需要多次使用增设预应力锚杆，以强化支护，稳定围岩变形，强度应力比较小的一些岩体经过开挖，其强度较小，其应力–应变特征的时效性较为明显，不同时间段，这种实效性变化是不同的，在特定的两个时间段内，刚度较低的支护特征和围岩特征会存有曲线图上的交叉点，表明二者能够获得平衡。支护具有柔性特征，使得比较低的压力对支护体有所作用，而位移变动较大，围岩随时出现松散的情况，为此，一定要增设刚度与抗力足够的锚杆支护，以获得在第三时间内两者新的平衡。

5 结束语

现阶段岩土锚固工程事故常有发生，对度岩土锚杆设计应用中的力学概念问题做出如上分析，对自由段、锚杆锚固体、筋体洁面设计与锚杆承受的拉承载力关系，分别从预应力筋截面面积设计、锚杆锚固段长度设计、自由段长度设计三个方面进行分析。对锚杆抗拔承载力的提高方法，从单孔复合锚固法、扩体扩头锚固法、后高压注浆锚固法进行分析。分析洞室围岩过度变形与局部地段围岩破坏因素时，从强度应力比较小围岩位移的时效性特征与预应力长锚杆拉力设计值偏低做出分析。总之，分析岩土锚固工程的力学概念，希望岩土锚固工程借助丰富的理论研究，更好地开展实践工作。

[1]杨丽珍,张昕朗,孙鹏.岩土锚固工程的若干力学概念问题[J].中国建材科技,2016(3):153+160.

[2]程良奎,张培文,王帆.岩土锚固工程的若干力学概念问题[J].岩石力学与工程学报,2015(4):668～682.