黄土地区框架预应力锚杆支护结构研究综述

王长荣（酒泉职业技术学院建筑工程系，甘肃 酒泉73500）

框架预应力锚杆是近几年随着支挡结构的发展而被提出的一种新型支挡结构，其利用钢筋混凝土框架、锚杆和土体的共同作用来提高边坡土体力学性能，增加边坡的整体稳定性，并可结合绿化措施，对保证公路、铁路和建筑物的使用安全，防止滑坡发生，保护周边环境具现实意义,这种结构由于受力锚杆处于土的深层,而深层黄土不易湿陷,黄土在不湿陷的状态下有很好的物理力学性能。另外,边坡附近由于受到框架和挡土板的保护,可以有效地阻止黄土湿陷,因此,框架预应力锚杆支挡结构特别适用于湿陷性黄土地区，而且其造价低廉，有着广泛的应用前景。本文将分别从锚固机理，土压力，边坡稳定性及支护结构内力分析几个方面对这一支护结构的研究现状做一些介绍。

1 黄土地区预应力锚杆锚固机理

预应力锚杆的作用机理与极限抗拔承载力研究锚杆是一种新型有效的锚固技术，是通过锚杆将结构物锚固在稳定、坚实的岩土地层或坚硬土层中，利用周围地层的抗剪强度来抵抗结构物传来的拉力[1]。目前对预应力锚杆的研究主要表现在作用机理和极限抗拔承载力的研究。陈妙峰等[2]为研究钢管岩石锚杆的锚固机理，模拟实际情况制作试验模型并进行了静载作用下模型的拉拔试验，通过对试验结果的研究与分析，得到了沿锚杆的轴力与粘结应力的分布规律。陈荣等[3]设计了一系列室内试验对砂固结预应力锚杆作了深入研究，并基于试验成果对砂固结锚固机理作了探讨。高永涛等得出预应力锚杆承载过程中的锚杆轴力及其变形、位移的计算公式，并对工程实例进行验算，和实测结果进行比较，结果表明方法较为合理。以前所采用的土锚界面模型几乎都是经验的[4]或是根据土的纯剪切结果而定[5]，孔宪宾通过试验验证了锚杆与土体之间的界面相互影响的机理，可在给定界面参数的情况下预测锚杆的特性，可在减少大量锚杆拉拔试验的情况下得到较为可靠的锚杆特性数据，另外，其还应用数学—力学方法，分析了土—锚杆界面间相互作用的机理，给出了基于锚杆与土体界面的理想弹塑性模型的数学解析解。总体看，目前关于预应力锚杆作用机理的研究较多，但是由于支护结构本身的复杂性，土—锚相互作用还有很多问题，具体包括：（1）有限元数值计算中数值模型研究虽然能够模拟基坑支护和边坡加固结构的应力应变状态，但是其计算结果的正确性却依赖于力学模型的正确性，而力学模型的正确性又依赖于所选取参数的合理性；（2）由于基坑和边坡问题的复杂性，其作用机理非常复杂，所受影响因素很多，它不仅和基坑边坡的几何形状有关，还与锚杆本身的强度、锚固参数以及施工工艺有关，因此在分析其作用机理时要综合考虑各方面的影响。

锚杆的抗拔承载力是锚杆设计的一个重要参数，这方面的研究也有不少成果。赵明华等通过对锚杆抗拔承载机理的深入分析，综合讨论了锚杆抗拔承载力的设计计算方法，并结合工程实例，对锚杆抗拔试验及承载力确定方法进行探讨，提出了基于锚杆抗拔试验资料的Qs−调整曲线预测模型。俞晓等针对土层锚杆的破坏形式，基于岩土塑性极限平衡理论，讨论了土层锚杆极限承载力的问题，并推导了相关计算公式。李玉霞等通过对不同规范提出的土层锚杆试验的四种方法的深入研究，结合土层锚杆工程检测的实践经验和大量试验数据，提出了比较合理的土层锚杆抗拔承载力试验方法。

对预应力锚杆进行变形分析是进行支护结构和锚杆协调变形分析的基础，但是这方面的内容并不是很多。刘俊生[6]从土锚受力方式及其变形特性分析入手，通过对不同受力类型锚杆的变形计算公式的推导，导出了适用于不同类型的的土锚刚度计算公式。邹金峰等[7]将锚杆拉拔位移分解成自由段的弹性变形、锚固段的拉伸变形和锚固段与土体之间的相对剪切位移。分析锚杆自由段长度、锚固段长度、锚杆体截面积、浆体强度、锚杆孔径及土层剪切模量与锚杆弹性模量的比值等因素对锚杆位移的影响，并假定锚固段与其周围土体之间的剪应力与剪切位移呈线性递增关系、锚固段所受的轴力呈抛物线分布, 建立了锚杆荷载与位移之间的关系式。张友葩等[8]通过对锚杆承载机理的分析，根据预应力锚杆在同一拉拔力作用下锚固段的切向位移越小锚杆的承载性能越好这一特性，给出了杆体切向位移的计算方法。根据工程实际，利用预应力锚杆在拉拔过程中所测试到的切向位移，对杆体的锚固段长度进行了比较系统的分析。 预应力锚杆的预应力损失主要包括两部分：一部分是，锚杆张力张拉锁定前后较短间内，由于张拉系统的摩阻力和锚杆体系的回弹变形等引起的预应力损失量；另一部分是，锚杆在长期荷载作用下，由于灌浆材料的的徐变、锚固段周围土体的蠕变、钢筋应力松弛等因素造成的预应力损失量。对于前者，工程上一般通过改进张拉锁定系统、超张拉或补偿张拉等弥补；对于后者，其损失量往往比较大，如损失后的预应力值小于设计值一定水平，则将导致锚固功能的失效。就目前而言，要精确计算具体的预应力损失量还有困难，因为在长期荷载作用下，预应力损失还与材料性质、锚固介质的力学特性、施工工艺等诸多因素有关。在现有的设计条件下，只能通过充分考虑各种影响因素后，给出预应力损的简单估算值，然后从工程安全的角度给予考虑。探讨预应力锚杆的变形与锚杆的预应力损失问题对合理确定锚杆的预应力值有重要作用。李厚恩、秦四清[9]等针对基坑侧壁为土质边坡的情况，通过基坑锚杆预应力损失变化的系统监测和分析，揭示了锚杆以及锚杆预应力在运行过程中预应力变化的三个阶段，并分析了相应的影响因素，提出了用应力损失速根据对锚杆的现场测试，发现锚杆在张拉及锁定时存在显著的预应力损失问题，并对此进行了分析，提出了减少预应力损失的几条办法。王树旺在现场测试与监测数据分析的基础上分析了基坑支护锚杆的受力状态和预应力损失情况，为深基坑工程的稳定性提供了判据，并指出应该极为重视土层锚杆张拉后的预应力损失问题，其在监测实践的基础上，提出了简单有效的土层锚杆长期监测办法。

吴璋[10]等对黄土地层锚杆的工作原理进行了试验分析，得出如下结论：（1）一般情况下，注浆体的强度都大于土体的强度，锚索的破坏在黄土层中表现为土层与注浆体之间粘结力达到极限时，粘结面上出现破裂，导致锚索的破坏失效，粘结面破裂时，呈现沿锚固段深度的递进式发展形式。（2）锚索的轴力最大值在拉力较小时出现在锚固段近端，随拉力的增大逐渐向锚固段远端偏移，轴力在距锚固段远端三分之一的锚固长度处急剧减小，而后三分之一长度的锚固段承受的拉力很小。（3）在试验锚固段长度L＜8米的情况下，锚固力与锚固段长度近似成正比。（4）粘结应力不均匀分布更能真实地反映锚索锚固段锚固力分布实际情况。Phillips公式可以真实的反映粘结应力的分布状况，而粘结应力均匀分布法在锚固长度较短时也可以较准确的计算锚索的锚固力，但锚固长度超过最佳锚固长度以后，计算结果偏大。（5）黄土成锚杆对边坡的加固主要表现为改善边坡土体的整体力学性质和结构特征。在坡体表面构筑物的作用下，主动对边坡土体产生压力，限制了边坡土体性质的进一步变形恶化。同时，注浆不仅为锚索提供了锚固里，而且充填加固了土体中的裂缝，防止了地下水对坡体的影响，改善了土体的力学性质。

陈广峰,米海珍[11]等对失陷性黄土地层中的锚杆性能进行了研究得出以下结论（1）湿陷性黄土地层锚杆的选型应优先选用压力型,施工条件许可的话,可选其改进型—分散压缩型锚杆；锚杆扩大头及采用压力灌浆能较大提高锚杆抗拔力；（2）两种型式锚杆都在临近张拉段处出现粘结摩阻力的单峰值,且随深度按指数规律递减;随着张拉力的增大峰值位置逐渐向深部移动,从受力端起至前1/3～2/5段杆长(约为14d)范围内集中了约80%的剪力,剪力按杆长的分布符合“黄金分割”原则；（3）当锚固端剪应力超过土体抗剪强度,锚杆将发生向深发展的渐进性破坏,直到最后被拔出；（4）依靠增加锚固段长度来提高拉拔力的设计思想看来不尽合理,至少不经济。 锚固体全长有时不能被有效利用。对于黄土地层来说最优锚固长度约为35～38 倍的杆径；(5)只在锚杆的最优锚固角附近才能达到最大拉拔力，最优锚固角的确定用近似公式αopt=60°-φ，对于黄土地层最优锚固角是至为关键的设计。

2 黄土地区土压力的研究

侧向土压力在深基坑及边坡支护结构设计中是一个十分重要的设计参数。挡墙和板桩墙，支撑和不支撑的开挖，隧道墙以及其它地下结构物上的土或岩石压力都需要对构件的侧向压力有定量的估算来做设计或稳定性分析。 Coulomb（1773）和Rankine（1857）分别在滑楔极限平衡的基础上和从弹性半空间应力状态出发，在土体极限平衡理论分析的基础上提出了应用最广的经典土压力理论，至今在许多深基坑和边坡工程土压力计算中仍被采用。Peck[12]和Tschebotarioff[13]也根据实测结果提出了土压力的分布图，均通过实测来总结支护结构的受力以及基坑周边土体的变化规律，确定土压力的分布图形，并用大量曲线图来描述这种分布形式。经过大量的深基坑和边坡工程实践，工程技术人员越来越清醒地认识到作用于支护结构上的土压力并不是一成不变的，而是随着基坑和边坡的开挖和支护结构的变形在不断变化。徐力勇等在有限元分析的基础上，将土体视为非线性弹塑性介质，采用Drucker-Prager模型，分析了静止土压力系数的不同取值对基坑支护结构位移及内力的影响，结果表明随着静止土压力系数的增大，挡墙的内力也随之增大，但挡墙位移却相应减小，其影响范围在20%左右。

朱元鹏[14]等对框架预应力锚杆支护黄土边坡土压力分布做了模型试验，得出一下结果（1）施加锚杆预应力的大小、位置及其顺序影响边坡应力,通过优化控制这些因素,可有效改善边坡滑移区土体应力状态。而且通过控制锚杆预应力的大小及其作用位置,可有效改善边坡内特定区域的应力状态。（2）框架预应力锚杆边坡支挡结构主动受力阶段,其上作用土压力大小与分布主要由预应力锚杆拉力的大小与分布决定,这是柔性支挡结构区别于传统刚性支挡结构的特点之一;在被动受力状态下,其上作用土压力受外部荷载的影响较小。 建议在实际工程设计中,区分框架主动受力阶段和被动受力阶段,分别进行框架设计比较合理。(4)由室内模型试验分析结果可知,利用模型试验方法研究土压力变化规律是可行的,但由于试验所用土样属于重塑土,尽管组成一样,密度和含水率也控制一样,其力学性质和原状土样也必定有所差别,在条件允许时,进行现场试验所得数据更为准确。(5)在试验过程中,有的锚杆出现了失效现象,这主要是由于拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象。 这并不意味着锚杆承载力的消失,但会加速锚杆的腐蚀,因此,建议在框架预应力锚杆支护工程中使用压力型锚杆。

3 黄土边坡稳定性分析研究

目前，工程技术人员主要采用的边坡稳定性分析方法是以条分法为基础的极限平衡法、有限元单元法、基于塑性理论的极限分析方法、可靠度法、人工智能法等安全系数通常有两种定义方法：一种是通过加大外力以达到极限平衡状态，具有超载系数的性质;另一种是通过降低材料的强度达到极限平衡状态，具有强度储备系数的性质。目前被广泛使用和讨论的方法有瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spence和Fredlund-Krahn法 等。Morgenstem(1992)认为，在通用条分法的计算理论方面进行更多的研究工作，不会对深化这一领域的认识带来实质性的影响。Whitman和Bailey(1967)认为，简 化Bishop法、简 化Janbu法、Morgenstern-Price法和Spencer法等方法的计算安全系数相差不大，而瑞典圆弧法和这些方法相差是比较明显的，甚至可达60%以上。Janbu[15](1980)等从理论的角度分析了各种方法计算的安全系数。Fredlund和Krahn[17][18](1980,1981)分析了力平衡的安全系数及力矩平衡的安全系数的关系，简洁明了的给出了不同计算方法的安全系数之间的关索。陈祖煌[16](2003)通过大量的算例和工程实例讨论了条分法数值计算中存在的问题以及简化方法的精度和局限性。在国内，邵龙潭(2001)等对该类方法进行了研究。有限元强度折减方法是Z1enC1ew1ce于1975年提出的一种边坡稳定分析方法。郑颖人等将强度折减法应用于均质土坡和岩质边坡的稳定分析，对强度折减法的计算精度和影响因素进行了分析，得到用摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统的spence法的误差在5%左右的结论。然而，由于失稳判据的不确定，该方法在工程应用上受到限制。

高建勇,党进谦,陈艳霞,吴志刚[19]等对考虑含水量的黄土高边坡稳定性预测模型进行了研究，在搜集黄土高边坡工程典型实例资料的基础上,综合考虑影响边坡稳定的因素,根据边坡的几何、物理、力学参数构建训练样本和测试样本,基于LM算法的BP神经网络建立了黄土高边坡稳定性预测模型,拟合出黄土强度参数与含水量的关系式,由此提出了利用观测含水量预测关中地区高边坡稳定性的系统模型。高建勇，陈艳霞，党进谦[20]利用基于范数灰关联的方法对黄土边坡稳定性进行了分析,利用收集到的数据进行定量分析了影响黄土边坡稳定性的因子,并获取各影响因子的权重系数。结果表明：黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角是黄土边坡稳定性影响因子中最主要的因子,其次为坡比、坡高,孔隙压力比和地震烈度也对黄土边坡的稳定性有一定的影响。权重系数的排序为边坡的治理和监测提供了重要依据,只要合理地估算黄土边坡的重度、粘聚力、内摩擦角的值,就可以比较快速、准确地确定边坡的稳定状态。周欣华，党进谦，李靖[21]等将图解法应用到黄土边坡的稳定性分析中，制成了黄土边坡稳定性分析图。郑良飞、折学森等提出了一种新的黄土边坡稳定性分析方法—特殊滑裂面快速搜索法，综合考察大量失稳黄土高边坡实例,发现其滑裂面剖面形态多呈上陡下缓的“L”形。利用传统稳定系数的概念进行分析,与实际情况出入较大。利用数学方法,将黄土路堑高边坡的滑裂面概化为"抛物线"形,推导出其稳定性分析表达式,建立特殊滑裂面快速搜索的方法。这种方法弥补了其他分析方法的不足,更符合黄土边坡的实际受力情况。王燕红[22]等将多级模糊识别模型首次应用于黄土边坡的稳定性分析中,充分地考虑了影响黄土边坡稳定性的多种影响因素,并且考虑了黄土边坡稳定性的不确定性。是一种较为实用的方法。

4 结语

从文中可以看出尽管很多学者对框架预应力锚杆支护结构的设计计算做了不懈的研究，也已经获得了大量的研究成果，但还是有很多问题亟待解决，比如框架预应力锚杆柔性支护结构的稳定性，研究框架预应力锚杆柔性支护结构的永久性设计问题，开展现场试验研究 ，框架预应力锚杆柔性支护结构中群锚效应的设计理论研究，框架预应力锚杆柔性支护结构的安全性评价等。

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