岩土锚固技术综述

岩土锚固技术综述1 引言岩土工程研究的对象是经过漫长地质年代的复杂地质体，这些地质体在一定的时间和条件下，处于相对稳定的平衡状态。

由于自然的或人为的因素，原来的平衡状态遭到破坏，地质体变形过大而产生各种各样的地质灾害（滑坡、地表沉陷等）。

为预防和治理此类地质灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用于调动和提高岩土体自身强度和自稳能力。

这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用即为锚固。

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，其基本原理就是依靠锚杆周围的地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。

在岩土工程中采用锚固技术，能较充分地调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力，大大缩小结构物体积和减轻结构物自重，节约工程材料，并有利于施工安全，已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济最有效的方法之一。

2 锚固技术的发展历史与应用范围1911年美国首次采用岩石锚杆支护矿山巷道。

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，此后在世界其他的坝体加固中广泛应用。

1957年，法国Bauer 公司首先采用土层锚杆。

60年代，捷克斯洛伐克的Lipno电站主厂房等大型地下洞室采用高预应力长锚杆和低预应力短锚杆相结合的支护形式。

1964年，中国安徽梅山水库采用设计承载力为2400~3200kN的预应力锚杆加固坝基。

20世纪70年代，英国在普莱姆斯的核潜艇综合基地的船坞改建工程中，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。

法国、瑞士、澳大利亚先后颁布了地层锚杆的技术规范。

在瑞士、法国、捷克、美国、日本等国广泛采用岩土锚杆维护边坡稳定。

80年代，英国、日本等国研究开发了一种新型锚固技术——单孔复合锚固，改善了锚杆的传力机制，能大大提高锚杆的承载力和耐久性。

中国北京的京城大厦、王府饭店、上海太平洋饭店等大型基坑工程采用预应力土层锚杆背拉桩墙结构。

奥地利、英国、美国、国际预应力协会、日本和中国相继制定了地层锚杆的技术规范。

进入90年代，国际间岩土锚固的理论研究、技术创新和工程应用得到进一步发展。

这一期间国际间的学术交流也十分活跃，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、试验、长期性能、荷载传递和界面上的粘结特性等成果。

如今伴随矿业工程、各项岩土工程与土木建筑业的发展，锚固工程量逐年增加，其应用范围可以举例如下：（1）各种矿山采场、井巷工程；（2）铁路、公路隧道和输水涵洞工程；(3)水利、水电工程：包括主、副坝基基础与基岩之间的锚固、水库岸墙体和边坡稳定的锚固等；(4)桥梁工程；(5)建筑基坑工程；（6）地下铁路工程；(7)环境保护、地质灾害整治工程；(8)传输动力、电讯、电视线路的高大塔架工程；(9)古建筑加固、纠斜等工程；（10）围海拓地工程。

国际间岩土锚固的理论和时间已提高到一个新水平，为广泛应用岩土锚固技术打下了坚实的基础。

3 锚固技术和锚杆分类由于锚固技术的诸多优点，通过在工程实践中不断改进，新技术成果不断涌现，使得锚固技术应用多样化。

现在主要采用的锚固技术有：（1）短锚杆、配筋喷射混凝土边坡加固技术；（2）预应力锚固、短锚杆、配筋喷射混凝土边坡加固；（3）预应力锚索边坡加固；（4）自进式锚杆网喷射混凝土、砂浆锚杆网喷射混凝土加固。

工程实践中锚杆的结构形式很多，如按应用对象分为岩石锚杆、土层锚杆和海洋锚杆；按是否预先施加应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆；按锚固机理分为粘结型锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆；按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆；按锚固体形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球体型锚杆。

众多的锚杆品种，可满足在不同的岩土条件、工程对象和工作状态下的要求，应根据需要选择、设计和采用不同承载能力要求的锚杆。

4 发展现状4.1 理论研究现状工程实践表明，岩土锚固是一种有效的加固措施，但由于工程介质的复杂性以及锚固方式的多样性，至今尚未出现统一的理论。

国内外岩土锚固理论研究主要围绕以下两个方面展开：（1）地锚荷载传递机理，特别是注浆锚杆中杆体与注浆体、注浆体与围岩土体间粘结应力的分布状态几传递机理的研究；（2）从锚固体加固效果角度出发研究岩土锚固作用机理。

对地锚荷载传递机理的研究，英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国处于国际领先地位。

主要内容为荷载从锚杆（索）转移到灌浆体力学机理研究及灌浆体与钻孔孔壁间力学机理的研究。

国内外的学者都有自己的认识，例如，程良奎等对上海太平洋饭店和北京京城大厦两个深基坑工程的拉力型锚杆锚固段粘结应力的分布形态进行了测定，认为沿锚固段的粘结应力分布是很不均匀的，当锚固体长超过某值后，则长度的增加对锚杆承载力的提高就极其有限了。

而且在外力作用下，拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象。

从概念上讲，岩土锚固作用机理研究经历了三个阶段：①建立在结构工程概念之上的岩土锚固作用机理，基于“荷载——结构”模式，把岩土体中可能破坏部分的重量及其他外力作为荷载由支护承担，包括锚杆支护的悬吊理论、组合梁理论、承载拱理论等；②建立在岩土工程概念之上的岩土锚固作用机理，强调充分发挥围岩土体的自身强度及自稳能力，使锚杆支护由支撑概念转变为加固概念，由被动承载改变为主动加固；③建立在地质工程概念之上的岩土锚固作用机理，不仅充分考虑了岩土体自稳能力，还考虑环境因素与工程的相互作用。

4.2 应用现状4.2.1标准化建设为使岩土锚固技术的设计、施工等符合经济合理、技术先进、安全可靠的原则，我国相继颁发了《锚杆喷射混凝上支护技术规范》、《土层锚杆设计施工规范》、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》、《岩土锚杆(索)技术规程》等。

水利电力、建筑等部门还制定了相关行业标准，如《水工预应力锚固设计规范》、《建筑基坑支护技术规程》、《水电工程预应力锚固设计规范》、《水电水利工程锚喷支护施工规范》、《加筋水泥土桩锚支护技术规程》等。

这些规范规程使得我国锚固工程的设计施工更加科学规范，有章可循，反映了我国锚固领域的新成果与新水平。

4.2.2设计方法针对不同的工程类型，岩土锚固技术的设计分析理论和方法也存在较大差异。

如地下工程的锚固设计主要有三种方法：分析法、经验法、新奥法。

岩土边坡的锚固设计方法主要包括三个步骤：①确定潜在滑移体的位置、大小，进行滑动力的识别与计算；②对加固滑移体的锚固力进行计算；③对锚固参数与施工工艺进行优化设计。

基坑工程锚固设计程序涉及到四个环节：①非支护条件下边壁稳定性计算；②确定相应的喷、锚、网支护参数；③支护条件下边壁稳定性校核；④根据监控反馈信息进行设计优化。

因此，需要根据不同的工程类型，进行科学合理的设计。

4.2.3锚固材料近年来，为了改善锚固材料在不同工作条件下的适应性并提高其经济性，涌现出很多锚材品种。

工程实践中常用的锚杆，主要包括注浆型和机械型预应力锚杆、拉力型和压力型预应力锚杆、荷载分散型锚杆、全长粘结型锚杆、可拆芯式锚杆、树脂卷和快硬水泥卷锚杆、中空注浆锚杆、摩擦型锚杆等。

这些锚杆的使用条件不同，例如，以树脂为粘结剂的锚杆和快硬水泥卷锚杆，在矿山及交通隧道中应用较多。

4.2.4施工工艺锚固工程的施工主要包括锚孔钻造、锚盘制作、锚孔灌浆、钢筋制作、混凝上浇灌、锚筋张拉锁定和封锚等关键工作流程。

目前，工程中常用的施工工艺主要包括风动潜孔锤空气钻进、金刚石回转钻进、长螺旋钻进、振动冲击法等。

5存在问题虽然锚固理论研究工作取得了一定进展，但也存在不少问题：①理论研究滞后于工程应用，且理论计算尚无比较权威的方法，在设计中仍须运用多种方法相互印证；②设计中缺乏对锚固段受力机理的微观分析，以及对整体加固安全度、荷载安全度、材料强度安全度等的分项系数表达；③锚杆加固机理尚缺乏行之有效的计算方法；④理论分析和数值分析与实际情况出入较大，采用等效模型评论锚杆（索）的加固作用，岩体力学参数的选取往往很难准确把握。

在应用方面，主要存在问题：①锚固体存在预应力损失及受力不均匀问题；②锚固体系的耐久性、安全性检测及评价方法亟待完善；③专门性的锚固体系防腐研究工作开展较少；④地下水问题有待于进一步解决。

6发展趋势基于以上锚固工程设计和应用方面存在的问题，可以总结出岩土锚固技术的发展趋势。

在理论研究方面，可从以下几方面进行研究：①锚杆荷载传递机理的研究应考虑粘结应力非均匀分布的事实，提出切合实际的单锚承载力的计算方法；②根据半理论半经验的设计原则，提出虑及群锚效应的系统锚杆支护的实用计算方法；③进一步加强锚固机理研究，包括锚杆预应力对岩土体应力重分布及岩土体力学性能的影响，锚固体对岩土体物理力学性质的影响和锚杆与岩土体之间的相互作用；④研究和提出模拟锚杆作用的合理计算模型，以及拉力型、压力型、剪力型锚固体内应力传递规律；⑤研究数值分析中锚杆锚固效应与力学作用的模拟方法；⑥研究复合土钉墙工作机理及设计方法；⑦研究适合于各种锚固体系的理论分析和设计计算方法；⑧研究各类地层中锚杆锚固段粘结应力特性与固定长度有效因子，研究影响锚固效应的主控因素；⑨研究锚杆预应力对岩土体应力重分布及其力学性能的影响；⑩研究地震、冲击、交变荷载、冰冻、高温等特殊条件下锚杆的性能及设计方法。

在工程应用方面，锚固技术的研究改善可从以下方面着手：①高承载力锚杆的研发、生产及应用；②应用于复杂地层的轻型、高效、快速及多功能钻机及测试设备的研发；③开发锚杆新品种和新工艺，加强锚杆及其配套设备的工厂化生产；④加强锚杆长期工作性能与锚固工程的安全评价，研发集成的锚固质量检测仪器和监测设备，加强施工质量控制和工程可靠性检测工作；⑤加强锚杆预应力损失的控制和防腐新技术的研究；⑥开发各种地质条件下喷锚支护设计的专家系统；⑦如何回收锚杆，在回收锚杆的同时，如何加固曾作为锚固段的岩土体。

7结语回顾岩土锚固技术的发展历史可以看出，无论是锚固技术的理论研究还是工程应用，都取得了长足的进步。

锚杆品种不断增减，锚固技术的应用领域也不断扩大。

但是，随着工程建设的迅速发展，锚固技术还不能满足工程实践的要求。

因此，应在国内外已有成果的基础上，大力推进理论研究和工程应用的发展和创新，更好的为工程服务。

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