锚固效应长程效应研究现状概述

锚固效应长程效应研究现状概述

发表时间：2016-11-17T16:27:29.507Z 来源：《基层建设》2015年12期作者：熊明1 高菊英2 [导读] 摘要：节理裂隙的萌生、成核、扩展直至贯通，是造成岩体失稳、垮塌、滑坡的根本原因。锚杆加固技术，经过不断改进和发展，现在已经广泛应用于岩体工程，成为不可或缺的支承和加固结构，以往裂隙岩体加固机理研究着眼于被锚杆直接穿过的裂隙的加固上，最新研究表明锚杆对岩体的加固具有长程效应。

1.天津市云圣岩土工程勘察设计有限公司 300110；

2.天津市深科降水工程有限公司公司 300110

摘要：节理裂隙的萌生、成核、扩展直至贯通，是造成岩体失稳、垮塌、滑坡的根本原因。锚杆加固技术，经过不断改进和发展，现在已经广泛应用于岩体工程，成为不可或缺的支承和加固结构，以往裂隙岩体加固机理研究着眼于被锚杆直接穿过的裂隙的加固上，最新研究表明锚杆对岩体的加固具有长程效应。从非局部化理论上讲，研究尺度应大于材料的代表性体积单元（RVE）尺度，连续性假设才能成立，经典的弹塑性本构关系才能应用，而实际锚杆尺寸往往大于岩体的RVE 尺寸，这破坏了连续性假设条件，必须用非局理论来描述锚杆的锚固效应。

关键词：岩体；锚固效应；长程效应；代表性体积单元近年来，随着国民经济的持续高速增长，国家对地下硐室的开发利用的需求日益增加，越来越多的工程建设在岩体中。自然界中的岩体（Rockmass）经历过漫长的成岩与复杂构造运动，均以节理裂隙岩体的形式赋存，并处在一定的地质和应力环境中。

节理的存在及演化决定着岩体的力学特性，大量工程实践表明：在工程建设产生的二次应力场作用下，节理裂隙的萌生、成核、扩展直至贯通，是造成岩体失稳、垮塌、滑坡的根本原因。锚杆加固技术，已有近百年的历史，经过不断改进和发展，现在已经广泛应用于岩体工程，成为不可或缺的支承和加固结构，与喷砼支护、监控量测并列为“新奥法”施工的三大支柱。锚杆的加固作用十分明显，尤其在节理岩体中，但是对岩土锚固机理的研究还不够深入和完善。正如陈宗基老先生所言：“新奥法尽管已获得了许多成功，然其物理的过程还需进一步地澄清。在开挖复杂的隧道中考虑用喷浆，钢筋网，锚杆和锚注技术……迄今还没有完全掌握此法的基本原理”。

锚杆对裂隙岩体加固机理研究是当前岩石力学的热点问题，以往研究的着眼于被锚杆直接穿过的裂隙的加固上，尚缺乏对锚杆相邻区域裂隙的加固效果研究，最新研究表明锚杆对岩体的加固具有长程效应。从非局部化理论上讲，研究尺度应大于材料的代表性体积单元（RVE）尺度，连续性假设才能成立，经典的弹塑性本构关系才能应用，而实际锚杆尺寸往往大于岩体的RVE 尺寸，这破坏了连续性假设条件，必须用非局理论来描述锚杆的锚固效应。

随着锚杆技术的广泛使用，各国学者纷纷开展锚固作用机理方面的研究，五十年代末，Louis Panek，Jacob，L.V.Rabcewicz 和ng 等人相继提出的悬吊理论、组合梁理论以及组合拱理论。初步为锚杆支护技术的推广应用提供了理论基础。随着研究的深入，研究者把重点放在了锚杆受力变形及强度特征的研究上，主要是拉拔与剪切试验。Farmer在研究张拉荷载作用下锚杆的力学行为方面作了基础性工作，随后Freeman、Stillborg、杨松林等、陈妙峰等也做了类似研究，结论是锚杆的抗拔性能很大程度上受粘结材料强度和锚杆几何尺寸的影响。Bjurström、Haas和Hibino 和Motojima最早是针对锚杆抗剪切性能作系统研究工作的人，随后Egger 等，发现节理面与倾斜锚杆之间的最佳安装角度及剪力与节理面粗糙度的关系。Ludvig、Schubert、Roberts、McHugh 和Signer、Grasselli也做了卓有成效的研究。葛修润等进行了加锚节理面抗剪性能的室内模拟试验，探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响以及锚杆阻止节理面发生相对错动的销钉作用机制。

图1 锚杆支护控制作用应力等值线为分析锚固体力学效应及端锚预应力锚杆作用范围，赵国彦、刘立顺等利用弹性力学分析方法分析锚固范围，得出锚固范围与有效锚固长度和有效预应力的关系。研究表明：锚固范围随有效锚固长度和有效预应力的增加而增大；在目前矿山常用有效锚固长度和有效预应力下，最优锚固间距在0.6～1.4m之间。

韦四江，李宝富采用数值模拟方法研究了预紧力锚杆作用下锚固体的形成因素及原岩应力作用下锚固体的失稳规律。结果表明：预紧力一定时，锚杆间距越小，附加应力就越大；锚杆间排距一定时，预紧力越大，附加应力就越大，附加应力在锚固体范围岩体中呈纺锤形，压力从巷道表面处逐渐衰减，在锚固起始端呈锥形分布；锚固段越短或预紧力越大，压缩区域就越大，锚固体的范围就越大，但锚固段长度对锚固体的影响较为明显。原岩应力环境中，岩体强度、锚杆预紧力、原岩应力侧压系数、埋深、锚杆间排距等对锚固体失稳的作用依次减小。

图2 岩体中锚固体范围呈纺锤形

陈浩等开展了不同长度锚杆支护条件下的隧道超载试验，测量两种不同长度锚杆支护工况下的隧道关键部位的应变值，结果表明：支护强度的提高对围岩的峰值强度和残余强度均有着明显的提高，锚杆长度的增加会导致锚固范围的增加，加设衬砌后由于衬砌承担了部分的支护作用，导致锚杆的轴力下降。以上列举的研究表明锚杆对岩体中裂隙具有长程加固作用，锚固效果是非局部化的，而以往只注重锚固效果的局部化，忽略了非局部化，所以对裂隙岩体锚杆加固止裂过程中所呈现出的非局部化特性开展研究是十分必要的工作。

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