岩石边坡锚固机理研究综述
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水利科技与经济
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岩石边坡锚固机理研究综述
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（( + 河海大学 水利水电工程学院， 南京 ［摘
山东 菏泽 !(""&*；! + 菏泽市水利局，
模型试验、 现场试验和理论分析 , 个方面对岩体边坡锚固机理研究的 要］ 从数值模拟、
发展现状进行分析总结， 指出对岩石边坡锚固机理的研究已远远落后于工程实践， 并制约其发 展， 同时提出目前研究中存在的问题和研究方向。 数值模拟； 模型试验； 理论分析； 现场试验 ［关键词］ 岩石边坡锚固机理；
［5#］ 。长江科学院与 锚索锚固机理及影响锚固效果的因素 冶金部建筑研究总院也在三峡工程永久船闸北线闸室直 立墙上进行了现场试验， 采用多点位移计、 声波及钻孔弹 模测试 # 种方法综合测试锚索施加预应力前后周边岩体 的变形、 波速及岩体弹性模量的变化。揭示了预应力锚 固改善周边岩体力学性状的规律， 提出群锚 “岩石承载 墙” 效 应， 对预应力锚索加固机理的研究起到重要作 ［5&］ 。 用 目前， 人们已经开始研究遥感岩石力学 （ ?@H7I@ 8@;8J 即 ） ， 将热红外 （ ） 热红 :;K ?7L= H@L9<;:L8 M2M, 0/M 成像仪、 外辐射 温 度 探 测 器、 红 外 线 光 谱 仪 在 M2M, 试 验 中 应 ［5F］ 。30 技术和声发射 （ 1.） 技术也广泛应用于国内外 用 岩体受力变形状态的监测， 另外还可以用 N/2 系统测得加 ［5$ ( 5%］ 锚岩体的变形模量 。传统的测试方法需要布置较 为复杂的锚固监测系统， 工作量大、 耗资多并且监测过程 中受人为因素的影响较大， 运用高科技手段能够使现场 测试技术对岩体工程重点部位受力变形状态的监测实现 自动化和智能化， 从而为岩体锚固设计提供及时可靠的 数据。
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理能够给予比较精确的模拟与描述， 且成本极其低廉， 所 以数值模拟试验研究发展迅速， 其常用的数值模型有组
锚节理面的 !、 ! 和 " 的值及岩体的 !、 ! 和 " 值可以在考 虑到锚杆的密度、 杆材性质、 预应力吨位等情况后予以适 当提高， 但加锚后， 岩体力学参数选取却是该法的难点。
［收稿日期］ !""# $ "% $ !&’ 斌 ［作者简介］ （(&)* $ ） ， 女， 山东菏泽人， 河海大学在读硕士研究生， 主要从事水工结构研究； 王 贝 山东菏泽人， 会计师， 管理、 工学双学士， 主要从事水利工程管理工作 ’
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裂隙岩体的空间损伤岩锚柱模型
的相互作用等， 如果仅仅采用模型试验或数值计算方法 来了解岩体内的实际受力变形状态， 几乎是 不 可 能 的。 因此， 岩体介质的复杂性决定了要掌握岩体工程的实际 受力变形状态， 最好的办法就是直接量测， 直接测出岩体 内和洞壁上的受力变形状态。 三峡工程中， 中科院武汉岩土力学研究所及长江科 学院大坝安全监测研究所在永久船闸高边坡一期开挖边 坡岩体中， 在 F 个重点监测断面选择 5) 孔锚索布置了测 力计， 从锚索张拉开始直至张拉结束锚索锁定后， 对整个 锚固预应力的变化过程进行了全面监测， 分析了预应力
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理论分析
西安理工大学岩土所对岩体锚固机理与加固效果进 行数值仿真试验研究的同时， 应用多种岩体理论对数值 试验验证的锚固机理进行了以下解释与分析：
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预应力对岩体应力状态的改善
在 # 向应力状态下， 施加预应力后对岩体应力状态的 ［5’］ 可用岩体单元的初始屈服函数值来表示。预应力 改善 作用使岩体中不均匀应力状态得到改善， 从而使其初始 屈服函数值降低， 被加固层面上的安全度提高。
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断层剪胀效应机理
对处于滑动临界状态的岩体， 无预应力时其抗剪强
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斌 贝
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第-期
度为!! ， 施加法向预应力后， 断层抗剪强度的增强机理
5
模型试验研究
许多学者通过模型试验对岩体 5) 世纪 ’) 年代以来， 对岩石预应力锚索的加 的锚固机理进行研究。文献 ［!#］ 固作用机理进行了系统地试验研究， 考虑了内锚固段长 度、 锚索表面粗糙度、 水灰比、 水泥砂浆养护时间等诸多 因素对加固效果的影响； 6789:;<=< 的加锚剪切试验指出 ［!&］ ； 节理面粗糙度对剪切强度的影响 ><??@A 和 B<C@?D:@EA 就内锚固段长度、 围岩刚度和水泥膨胀及含量等因素对 ［!F］ ； 锚索和注浆体界面的剪切性能影响所作的室内试验 文献 ［!$］ 对加锚混凝土及岩石进行了剪切试验， 指出影响 抗剪强度的因素有锚杆材质、 杆体尺寸及岩体类型。另 外， 国内学者温进涛对锚杆的抗剪作用机理做了大量工 ［!%］ ； 中科院武汉研究所对加锚裂隙岩体的力学作用机 作 ［!’、 !G］ 理做了系统地试验研究和理论分析 ； 文献 ［5)］ 针对 预应力锚索对岩体结构面的加固机理做了探讨。电力工 业部西北勘测设计研究院和总参工程兵科研三所进行了 大比尺地质力学模型仿真试验， 提供了需加固边坡从开 挖蠕变到失稳破坏全过程中各阶段所呈现的力学状态和 ［5! ( 55］ 。 特性， 并提出相应的预锚件各种优化参数 需要指出的是锚索加固是一个动态调整的过程， 以 往大部分锚固模型试验研究对时间、 爆破等动态效应考 虑不够充分， 有必要在这方面做深入研究以改进其仿真 效果。
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节理岩体能量损伤力学模型
该模型运用断裂损伤力学原理采用能量损伤力学的 方法能够推求出加锚节理裂隙岩体的本构关系， 并依此 ［$］ 。李术才、 朱维申等 评价该种岩体的稳定和变形行为 学者提出了此类岩体在压剪和拉剪应力状态下的本构关 系， 并用此方法对三峡工程永久船闸岩体高边坡进行了 计算分析， 通过比较发现分析结果很好地反映了加锚效 果， 即表现为有锚比无锚情况下的节理损伤演化长度及 ［%］ 。 发现区域明显减小， 计算结果较为可信
裂隙岩体加锚后， 锚杆与围岩将固结、 联合作用， 从 而增大岩体的变形刚度和抗剪强度， 提高围岩的整体稳 认为锚杆与其所加固的周围的裂隙岩 定性。文献 ［’ ( !)］ 体组成损伤岩锚柱单元， 该柱单元隐在裂隙岩体中形成 加锚损伤岩体单元， 计算时可将柱单元的刚度叠加到相 应裂隙岩体单元的刚度矩阵中去， 以此反映锚杆对围岩 变形的约束作用。 、 边界元分析法 （ -.,） 以及 此外， 有限差分法 （ *+,） 在进行岩石锚固效果的数值模拟中 离散元分析法 （+.,） 发展也较迅速， 例如由美国 /01231 公司开发的 *413 程 在岩石工程数值计算中得到 序就是运用 *+, 进行求解， ［!!］ 广泛应用 。但需要指出， 数值模拟不易反映由于介质 组构、 结构等微观、 细观构造的不同而引起的介质物理力 ［!5］ ， 因而还要借助于试验手段对岩体 学特性的变化规律 的锚固机理进行研究。
［(］
ห้องสมุดไป่ตู้
合式模型、 分离式模型、 等效整体式模型， 新提出的有节 理岩体能量损伤力学模型和裂隙岩体的空间损伤岩锚柱 模型等。
。岩体锚固技术利用深层岩体的强度
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组合式模型和分离式模型
来加固表层岩体，能充分发挥岩体自承的潜力， 调节和提 高岩体的自身强度和自稳能力， 节约工程材料， 并能保证 施工的安全与稳定， 在水电、 交通、 及矿山的岩石边坡工 程中应用广泛。 许多国内外学者在大量的室内 !" 世纪 *" 年代以来， 模型试验、 现场试验、 数值计算和理论分析工 作 的 基 础 上， 对岩石边坡锚固机理进行了深入系统地研究， 得出了 一些有益的结论。笔者将分别从以上 , 个方面对岩石边 坡锚固机理研究的发展现状进行总结分析， 并提出目前 研究中存在的问题和研究方向。
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增韧止裂机理
应用 N?:DD:I9 理论， 计算岩桥的抗剪能力 ! " !# ； !"
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现场试验
岩体是一种极为复杂的介质， 再加上它与锚索 （杆）
式中 $% 为完整岩石抗剪强 $% !（ 5 $ & !） ’ 5； $ " "( ’ $% ， 度中的凝聚力分量； # 为岩桥在剪切方向的投影长度； "( 为作用于岩桥剪切面上的法向应力。 文中指出： 仅从预应 力直接增加"( 的效果即可推出预应力对岩桥抗剪能力的 提高作用。 由进一步分析可知， 预应力将使加固区内节理 闭合， 等效于连通率降低， 将节理岩体的综合抗剪强度所 提高到一个平均路径 依赖的 “节理 ) 岩桥组合最短路径” ［5G * #)］ 。 水平， 从根本上提高了节理岩体的抗剪强度值
［%、 ,］ 出。尽管国内外学者都进行了有益的研究 ， 对节理岩
体中锚杆的抗剪作用仍需作深入研究。
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等效整体式模型
这种模型并不直观地模拟每根具体锚固件， 而只是将
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数值模拟
数值计算方法对锚固引起的主要力学响应与力学机
施加锚杆后得到改善的节理面和岩体新的力学性能反映
［#］ 到计算中去， 即在力学上模拟锚固体的作用 。如对于加
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这两种模型的计算方法和思路在文献 ［ !］ 中有详细 介绍， 本文对此予以省略。值得一提的是： 在这两种模型 的计算中， 锚杆往往采用杆单元， 这种模型只能反映锚杆 的纵向刚度而不能反映锚杆的侧向剪切刚度。因此， 杆 单元的应用在数值分析结果中反映出锚杆加固围岩的效 应也并不显著， 在模拟穿节理面的锚杆时该缺点更为突
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模型试验研究
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节理岩体能量损伤力学模型
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等效整体式模型
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数值模拟
数值计算方法对锚固引起的主要力学响应与力学机
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这两种模型的计算方法和思路在文献 ［ !］ 中有详细 介绍， 本文对此予以省略。值得一提的是： 在这两种模型 的计算中， 锚杆往往采用杆单元， 这种模型只能反映锚杆 的纵向刚度而不能反映锚杆的侧向剪切刚度。因此， 杆 单元的应用在数值分析结果中反映出锚杆加固围岩的效 应也并不显著， 在模拟穿节理面的锚杆时该缺点更为突