岩土工程中锚固技术研究综述

这方面研究还不成熟。 （ ）按 锚 固体 传 力 方 式 划 分 ，锚 杆 可 分 为 压 力 式 锚 杆 、 ４ 拉 力 式锚 杆 、 拉 压型 锚 杆 。 维 持 土 体 应 力 场 稳 定 一 般 采 用 拉 力 型锚 杆 ，压 力 型 一 般
锚 杆技 术 从 研 究 到 应 用 有 了迅 猛 的发 展 ，并 逐 渐形 成 了 适 合 我 国地 质 的技 术 特 点 。特 别 是 ２ ０世 纪 ８ ０年 代 后 ，把 锚 杆 、 喷射 混 凝 土 支 护 和 现 场 监 控 测 量 、信 息 反 馈 技 术 相 结合 ，采 用 及 时支 护 、 分 期 施 工 全 环 封 闭等 一 整 套 发 挥 围岩 自承 能 力 的设 计 原 则 ， 已经 成 功 的应 用于 地 质 复 杂 的地 下 工 程 中 。如
发展 方 向 。
关键 词 ：锚 固技 术 ；锚 杆 ；传 力 机 理 ；力 学 模 型
中 图 分 类 号 ： Ｔ４ ２ Ｕ ７ 文 献标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １０ － ９ ３ （ ０ ２ １ ０ ４ — ２ ０ ６ ７ ７ ２ １ ）０ — ２ ０ ０
在 岩 土 体 开 挖 和 施 工 的 过 程 中 ， 由于 卸载 土体 内 部 将 发
高 地 应 力 、软 岩 大 变 形 巷 道 地 层 控 制 工 程 （ 川 矿 ） 金 、开 拓于
用于高耸结构的基础 中。 （ ）按锚 固体形态划分 ， ５ 锚杆可分为 圆柱形锚杆 、端部 扩大型锚 杆、连 续球形锚 杆。
三 、锚 杆 的 锚 固 机 理
半 胶结 的 泥 页岩 中 并 受 采 矿 动 压 影 响 的煤 矿 巷 道 工 程 ，覆 盖 岩 层厚 度 仅 ｌ ｒ 的 Ｑ３ 黄 土 质 泥 土 的隧 洞 工 程 （ 都 山隧 Ｏ ｅ 军 洞） ，这 些 有代 表 性 的锚 固工 程 的建 成 ，标 志 着 我 国岩 土 锚 固 技 术 尤 其 是 在 软 岩 中 的锚 固技 术 得 到 了 实 质 性 的 突 破 发 展
第 １ ２卷 第 １ 期
２ ０１２住
中 国
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Ｎｏ． １ ２ ０１２
１月
Ｏｈｉ ａ ａｔ Ｔｒ ｎｓ ｎ Ｗ ｅｒ ａ ｐｏｒ ｔ
岩土工程中锚 固技术研究综述
张 青 ，房 艳峰 ，胡伟 政 ，芮 红
（ １浙江 海 洋 学院 船 舶 －建 筑工 程 学 院 ， 浙江 舟 山 ３ ６ ０ ；２深 ｇ 市 筑 博 工 程设 计 有 限公 司 ，广 东 深 圳 ５ ８ ０ ； ９ １０４ ｉ ｌ １ ０ ０
粘 结 式 锚 杆 和 端 头 锚 固 式 锚 杆 有 不 同 的锚 固机 理 。锚 杆 的受 力 筒 图如 图 １ ２所示 。 、
Ｉ
由于 计 算机 的发 展 ， 土 中锚 固 的研 究可 采 用 数 值 解 法 ， 对 常 用 的有 有 限元 、边 界 元 、ＤＤ 等 。数 值 模 拟 结 果 显 示 ，当 Ａ 预 应 力逐 渐 增 大 时 ，水 泥 浆 体 因拉 剪 应 变 过 大 而 产 生剪 切 滑
３浙江 万 事 达 建 设 工 程 管 理 有 限 公 司 ，浙 江 舟 山 ３ ６百度文库０ １ ０４）
摘
要：从试 验研究到数值模拟 ，再 到精确解析 ，文 中对锚 固技术 中锚杆承载 的传力机理和力学模型进行 了详尽地
剖析 和对 比 ，对 不 同技 术 手 段 在 解 决 实 际 问题 中存 在 的优 越 性 与 局 限性 作 出评 价 ，并 指 出锚 固技 术 的 科 学 研 究 未 来
虽 然 此 类 锚 杆 的成 本 较 低 ，但 就 其 应 用 的性 价 比 而 言 ，仍 然
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 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 土 体 内力 场 不利 分布 而 导
的技 术 手 段 。
一
锚 杆 是 锚 固技 术 中主 要 使 用 的 支 护 形 式 。与 传 统 的被 动
支护相 比，具有 占用空间少 、工作 效率 高、环境影响小、社 会效益显著等优点 。锚杆可 以主动地 加固岩土体 ，有效地控
制 其 变 形 ，防 止 坍 塌 的 发 生 Ｉ。现 有 的 锚 杆 有 几 百 种 之 多 ， ８ ｌ 大体上可以分为下面几类。 （ ）按 应 用 对 象 分 ，锚 杆 可 分 为 土 层 锚 杆 和 岩 层 锚 杆 。 １ 土 锚 与 岩 锚 在 传 力 机 理 上 略有 不 同 。对 于 土 锚 ，破 坏 面 在 围岩 与 注 浆 体 之 间 。对 于 岩 锚 ，破 坏 面 可 能 发 生在 注 浆 体
影 响。刚度越大 ，锚 固体表面应力分布越均匀 ，这是 因为刚 度增 加使锚 固段整体 同步位移 的原 因。数值模拟是研究力学 问题强有力 的手 段。它的前提是介质是连续 的。对于整体性
较 好 的岩 土体 ，模 拟 效 果 较 好 。当 土 体 发 生 破 碎 时 ，结 果 与
图 ２ 端 头 锚 固式 锚 杆 的 受 力简 图
定 。影 响承 载力和应力传递的 因素较多 。任何研究都不能把
所 有 的 因素 考 虑 到 ， 因此 对 于 岩 土 中锚 固的 研 究 不 是 很充 分 。 以下 几 个 方 面 还 需 要 提 高 ，是未 来 锚 固技 术 的研 究 热 点 。
１ 锚 固体 系 的 力 学 传递 模 型 不 统 一 。由于 各 介 质 力 学 性 ．
苏联 就 已经 将 锚 杆 应 用于 井 下 隧道 支 护 ，在 煤 矿 、金属 矿 山 、 水 利 隧 道 以 及 其 它 的 地 下 工 程 中 也 广 泛 地 使 用 了锚 杆 支 护
Ｊ
。
从上个世纪 ５ Ｏ年 代 ， 国 从 前 苏 联 引进 了锚 杆 技 术 至 今 ， 我
粘结式锚杆 和摩擦 式锚杆传力机理相似 ， 使用最为普遍 。 端头锚 固式锚杆受施工条件和 土体类型限制 ，应 用不 多，且
作 者 简 介 ：张
青 ，男 ，浙 江 海 洋 学 院 船 舶 与 建 筑 工 程 学 院 。
房 艳 峰 （ ９ ６ ） 男 ，浙 江 海 洋 学 院船 建 学 院土 木 工 程 系 讲 师 。 １ ７ 一，
第 １期
张
青 等 ：岩 土 工 程 中锚 固 技 术 研 究 综 述
２１ ４
图 １ 粘 结 式 锚 杆 的 受 力 简 图
Ｉ
体 的锚 固作 用 ，承载力较大 。锚 固体产 生塑性变形后 ，应力
集 中程 度 降低 ，应 力 向 深 部 弹 性 区 转 移 ，这 使 得 深 部 锚 固体 表 面 应 力增 大 。 拉 杆 的 刚 度 对 锚 固体 表 面 应 力 的分 布 有 很 大
注浆体和杆 体看成一个单元 ，其荷载传递机理则是 ：外 荷载 使 围岩与锚 固体之 间产 生相对 位移 ，因此产 生的相 互作 用力
作 为 锚 固力 。粘 结 式锚 杆 的 受 力 简 图 如 图 １所 示 。
能 的复 杂 性 ，现 如今 还 找 不 到 一 个 既 能 反 映 客 观 情 况 ，又 能 符 合 理 论 分 析 的解 析 解 。 ２． 固体 上应 力分 布 规 律 没 有 得 到 完 全 认 识 。锚 固体 上 锚 的应 力 是 不 均 匀 的 ，其 峰值 位 置 是 变化 的 ，但 没 有 得 到 一 个
锚 杆 、 端 头锚 固 式锚 杆 。
、
锚 固 技 术 的 应 用
美 国在 １ 首 先将 锚 杆 用于 矿 山 隧道 支 护 ，如 今 ， ９１ １年 锚 杆 用广 泛 的应 用于 岩 土 工 程 的各 个 领 域 ，例 如 矿 山 、水 电 、
建筑 、国防等工程领域 。早在上个世纪 ４ 年代 ，美 国和前 ０
对于端 头锚 固式锚杆 ，以螺旋锚为例 。螺旋锚 主要 由锚 片、锚杆和 锚头组成 。在施工 中 ，螺旋锚需要外力矩 作用下
才 能 扭 入 土 体 。 在 拉 拔 荷 载 作 用 下 ，叶 片 与 岩 体 之 间 产 生 用 来 维 持 锚 固体 平 衡 的 正 压 力 ［。 此 锚 杆 不需 要 注 浆 ，旋 入 土 ９ １ 体 的锚 片 相 当于 锚 定 板 ， 外 力 作 用 下 表 面 产 生被 动 土 压 力 ， 在 作 为 与 外 力 平 衡 的 内 力 。 其 受 力 如 图 ２所 示 。
实 际偏 差 较 大 。 而 岩 土 体 结 构 往 往 是 在 局 部 破 碎 的情 况 下 工 作 ，这 并 不 整 体 稳 定 性 。
五 、存 在 的 问题 和 研 究 方 向
应 用最 为 普 遍 的 是 粘 结 式锚 杆 。 对 于 预 应 力 锚 杆 ，其 荷 载 的传 递 机 理 是 ： 当￣ ／ 荷 载 在 注 浆 体 与 锚 杆 之 间 产 生 相 互 ｂＪ ｎ
移现象 ，超 过剪 切强度的剪应力开始 向纵深转移 ，这与工程
实 际 吻 合 。 拉 力 型 锚 杆 应 力 集 中现 象 明显 ，应 力 分 布 主 要 集
中在锚 固段 上部较小的范围 内。剪力型锚杆锚 固体 中的应力
分 布 范 围 比 较 大 ，应 力 集 中小 ，较 均 匀 。能 够 充 分 利 用锚 固
不及树脂锚杆 ，其在发达 国家 的矿 山工程和地下工程 中已大
量 使 用 。对 于 树 脂 锚 杆 的研 究 和应 用 ，我 国 与 国外 还 有 一 定
的差距【 ５ 一 。 二 、 锚 杆 的 分 类
致 ＿。为防止上述 不 良后果 的产 生，人们越来越 多的采 用锚 １ Ｊ
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 。锚 固技 术 是 岩 土 工 程 中 的一 个 重 要 分 支 ，近 年 来 发 展 迅 速 ，越 来 越 受 到 学 者 和 工 程 技 术 人 员 的 重 视 。最 大 的优 点 是 能 够 使 用抗 拉材 料 来 加 强 土 体 自身 的 稳 定 性 。与 传 统 的衬 砌 结 构 相 比 ，它属 于 一 种 主 动 控 制 措 施 ，保 证 岩 土 体 内部 应 力 场 不受 干扰 ，是 一 种 先 进
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。
锚 杆 是 依 靠 一 端 稳 固 的锚 固于 深层 稳 定 土 体 来 提 供 承 载 力 的 ，锚 固机 理 指 的是 锚 固段 的抗 力构 成 和 内力 传 递 。对 于
目前 ，在 施 工 方法 上 我 国还 是 以水 泥 注 浆 的锚 杆 为 主 ，
收 稿 日期 ：２ １ — ０ ｌ ０ １ 一 ５ １
与 围岩之 间，也可能发 生在锚 杆与注浆体之 间。其原理是注
浆 体 与 围岩 的模 量 比 不 同 。 （ ）按 是 否施 加预 应 力 来 分 ， 杆 可 分 为预 应 力 锚 杆 和 ２ 锚 非 预 应 力锚 杆 。 预 应 力 锚 杆 在 土 体 位 移 之 前 提 供 锚 固力 ，有 效 地 减 少 土 体 位 移 ，维 持 土 体原 有稳 定应 力 场 。 （ ）按 锚 固机 理 划 分 ， 杆 可 分 为粘 结 式锚 杆 、摩 擦 式 ３ 锚
作用力 时 ，此作用力 由注 浆体 传递给 围岩 ，锚 固的关键 是杆
体 与 注 浆 体 、 注 浆 体 与 围 岩 之 间 力 传 递 的可 靠 性 。 对于 非 预 应 力 锚 杆 而 言 ，尤 其 是 在 软 岩 和 破 碎 岩 石 中 的锚 杆 ，通 常 把
锚杆是埋于岩 土体 中依 靠土体 的结构性来维持 自身 的稳