拉力型锚索锚固机理研究进展

侯向 郑丽娜

摘要：拉力型土层锚索(杆)已经在当今岩土工程中广泛应用，由于其锚固系统具有技术门槛较低、工艺快速简易、施工机械设备简易、经济效益好等优点，在昆明地区承载力较低的泥炭土深基坑支护及边坡支护中也起到了巨大作用。但是由于其处于不可观察的地下土层中，不同的地质条件、周围环境都会对锚固效应产生影响，人们对其锚固机理的作用规律还缺乏成熟的认识，所以仍存在许多问题需要人们去探讨研究。

关键词：拉力型锚索；锚固机理

1.1 前言

随着近现代中大城市建设的不断发展，高层、超高层的不断突破，各种地下空间的利用、高层及超高层建筑地基处理等岩土工程的问题不断出现。锚固技术也不断应用于边坡、深大基坑、隧道等岩土工程的支护问题。锚杆支护系统具有技术门槛较低、施工快速简易、施工机械设备简单、经济效益好等优点。但在锚杆实际设计与施工中由于人们对其锚固机理的认识还不成熟，存在着很多经济浪费与安全的问题，所以如何解决在设计施工中锚杆锚固问题对当前我国的经济建设有很重要的意义。

锚固技术、锚固理论的发展已经经历了将近一个多世纪的发展。在我国经济建设中广泛运用，如基坑、边坡支护等岩土工程。随着我国城市化的不断加速，建筑业成为支柱产业，高层、超高层建筑不断兴起。在解决这些建筑物的基坑问题时，锚固技术由于其经济合理、支护效果较好、广泛易用等原因，在岩土工程中被广泛的应用，例如：在基坑支护、边坡支护、地基抗浮工程中被应用在加固边坡稳定性、减少受冲击区工程中，比较常见的工程实例，如挡土墙的加固、防止出现滑坡、进行边坡加固、确保斜坡稳定等；在结构的抗倾覆工程中应用在确保高架桥及高塔不发生倒塌、增加挡土墙的稳定性等。

建国后，特别是改革开放后我国的锚固技术经历了十几年的发展应用，为了更好的与发达国家相接轨及促进锚固技术在我国的发展，我国为各行业制定了设计施工规范，如表1-1所示。20世纪90年代中国发布了《土层锚索设计与施工规范》(CECS22-1990)，这是针对锚索设计的第一部行业规范，2001年，中华人民共和国建设厅和国家质量监督检验总局共同编制和协商之后发布了《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)，我国在颁布了相关的锚杆加固技术规范后又对《土层锚索设计与施工规范》(CECS22-1990)进行了修订，这本90规范也是现在广泛应用规范《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22-2005)的基础。

随着锚固技术工艺的不断改进，锚固理论也在日益的创新与发展。但是目前的锚固理论却远落后于锚固技术的发展，虽然锚固技术的发展有一百年的历史，但人们对于锚固理论的研究却在20世纪后期才逐渐开始。目前相关的研究人员提出了许多有创新的锚杆锚固理论，有的理论还可以在一定程度上反映了锚杆的应力分布规律，但是还没有一种确定的锚固理论可以得到大家的一致认可，这些理论模型中存在着许多明显的不足、不完美之处，锚杆实际的受力状况与理论分析还有一定的差距，这就需要人们对锚杆锚固理论做进一步的研究分析。

1.2 岩土锚固技术、锚固理论发展现状及应用现状

1.2.1 锚固技术的发展及应用

（1）国外岩土锚固技术的发展

锚固技术在国外岩土工程中的使用已经有100年的历史。十九世纪初，美国在矿山巷道支护中首先采用锚固技术。1957年，法国百优尔公司首先采用土层锚杆进行支护。德国宝峨公司利用锚杆结构对深基坑进行支护。至1965年，澳大利亚的矿山巷道采用锚索对土体进行加固。日本在50年代从西欧引进了锚固技术，并在70年代隧道支护工程中广泛应用。20世纪80年代后期，澳大利亚通过对锚固系统及其施工工艺进行改进，使锚杆技术的支护能力提高了一个层次，同期并引起西欧国家的最新技术并进行再学习，促进了当时锚杆支护技术的发展。进入90年代，通过国际间的不断学术交流，再次推进了岩土锚固的理论研究、技术创新和工程应用的进一步发展，关于地层锚固和锚固技术的国际学术会议在95-97连续三年先后在奥地利、中国和英国举办，广泛交流了当时最新、最先进的岩土锚固理论、设计、材料、施工、腐蚀、防护、试验、蠕变、荷载传递和界面上的粘结规律等成果。

总之，在20世纪末以来，西欧及许多发达国家的锚杆支护技术无论在理论研究、技术研发及工程实际应用中都取得了快速的创新与进步。目前国内外锚杆种类已达600多种，且全球岩土工程中锚固技术的使用范围和资金投入仍在不断地扩大。

（2）国内岩土锚固技术的发展

从20世纪50年代后期开始，我国首先在矿山巷道支护中使用锚固技术。一直到70年代前期我国对锚固技术还处于摸索试验阶段，其中1964年我国在梅山水库连拱坝左、右坝肩加固中，首次使用了锚杆进行支护。90年代我国又向澳大利亚学习、引进了当时先进的整套锚杆机械及锚固技术。漫湾水电站大坝锚固工程是我国大规模使用锚固技术的开始，漫湾水电站的左边堤岸存在潜在土体滑坡，在1990~1992年通过对左边堤岸布设了2000余根3000kN的预应力锚索，取得了良好的效果，通过锚固系统对漫湾水电站的成功应用促进了中国岩土锚固技术的发展，在三峡工程中，在库岸边坡的锚杆使用量就十分巨大，长约1600m的船闸边坡共分为5级，最高边坡达170m，工程规模为世界第一。截止到目前，锚杆支护体系已广泛应用于我国的深大基坑、公路滑坡及边坡支护工程中。

1.2.2 锚固理论方法的研究现状

西欧发达国家德国、美国、法国、英国及澳大利亚等国对锚杆锚固系统的试验研究一直处于国际领先地位。其研究的主要内容是端头所受拉力荷载从锚杆（索）转移到注浆体的力学规律研究及注浆体与周围界面土体间力学规律的研究，国外主要有代表性的成果如下：

我国的一些学者对于锚固系统的研究方法有实验室试验、计算机数值模拟以及现场观测法，并进行了很多研究，取得了不少有创新的观点与理论，如下：

张季如、唐保付^[1]通过假定锚固段胶结材料与界面土层之间的剪应力与剪切位移呈线性直线的关系，获得了锚杆摩阻力及剪切位移沿锚固段杆体长度上的分布规律及其影响因素，并建立了锚杆锚固段荷载传递的双曲线函数模型。

尤春安^[2]采用岩土体—锚固体协调变形原理，该论文基于Mindlin问题的位移解，推导出了全长粘结式锚杆剪应力沿锚固段杆体分布的弹性解公式。

1.2.3 岩土锚固存在的问题

岩土锚固技术出现的时间很早，但人们对锚固理论的研究起步却很晚。所以人们对于锚固体系变形机理的认识还不足，对锚固体系的作用机理及杆体受力规律的认知还不够精确，且由于锚杆种类的多样性和周围界面土层的复杂性，至今对于锚固力的计算方法还没有统一。对于锚固理论的研究人们还存以下问题：

虽然最近几十年来人们对锚索（杆）支护体系锚固机理的研究取得了许多优秀的成果，且最新的锚固理论研究成果有许多对锚固机理的相关阐释。但这些结论许多是在一些特定的局限条件下得出的，或者一些理论的解释只适用于某些特殊地质土层下的，在其他不同的土层中，锚索（杆）支护系统会起到怎样的支护作用也没有办法明确，特别是锚索（杆）的锚固段与周围土体界面间的相互作用的规律也没有跟实际观测很吻合的理论，因此在实际锚固体系设计中也缺少成熟的设计方法。

[1] 张季如，唐保付. 锚杆荷载传递机理分析的双曲线模型[J]．岩土工程学报，2002，24（2）:188-192

[2] 尤春安. 锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D]. 山东科技大学，2004