拉剪应力下岩锚结构稳定性分析

刘翔 伍文

【摘要】针对岩锚结构的组成特点和节理岩体的工程特性，得到按水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定锚固段长度。结合岩锚基坑工程算例得到安全系数计算式和受力分布特征，所得结论对岩锚工程实践提供理论指导和技术支持。

【关键词】岩锚结构；节理岩体；拉剪应力；稳定性

岩体是最为广泛的工程材料之一，大量应用于建筑、矿山、交通、地下结构、水利水电等工程的建设。岩体材料固有的物理力学属性、力学性能、形变特征、破坏机理和岩体锚固结构的耐久性、稳定性及适用性问题是岩体力学与工程的基本理论和工程防灾减灾的重要研究领域，对拉剪应力条件下岩锚结构的蠕变-断裂力学与变形特性、岩锚结构耐久性和岩体工程灾害的评估尤为如此。岩锚结构主要由锚杆杆体、砂浆和围岩层组成，杆体的轴力通过砂浆握裹力传递给砂浆，再通过剪力传递给周围岩层，其具有承载力大、施工方便、计算参数易取等特点，已在工程界大量应用。

因此，研究施工开挖、持续降雨复杂自然环境和拉剪应力条件下岩锚结构的蠕变-断裂的力学特性、形变特征、失效机理、时效特性和该条件下受锚结构的稳定性等问题，对岩体力学与工程的基本理论和灾害预测预报具有重要的理论意义和工程应用价值，也是土木工程界学者和工程技术人员值得深入和亟待解决的问题。

1 节理岩体拉剪应力特性

节理面是岩石中没有或具有低抗拉强度的不连续面，它是在成岩过程、地壳运动和外营力作用下形成的，且普遍存在于岩体中，是影响岩体强度的决定性条件。其中蠕变、渗透性是岩体材料固有的属性，节理面往往控制着节理岩体的蠕变变形和渗透破坏，已引起了学界广泛关注，尤其是节理面流变特性的分析较为少见，从而限制了岩体流变理论的发展及其在工程中的应用。

节理岩体工程的形变特征和失稳破坏是一个时间相依的过程，通常由应力重分布或环境的恶化，使岩体和岩体结构中的节理裂隙产生蠕变、损伤、扩展、贯通，进而产生宏观断裂。自Griffith（1925年）提出脆性材料裂纹扩展的能量准则以来，人们对粘弹性材料的流变断裂进行了大量的研究：Knauss提出了粘弹性体中裂纹失稳扩展的临界裂纹速度转变判据，并对裂纹稳定扩展进行追踪，但是没有得到裂纹加速扩展的判据；Christerse （1979年） 将Griffith能量判据推广到时间相依的裂纹扩展判据，得到了岩体裂隙的扩展规律，但对于宏观的节理面却无能为力；Larson M K（2003年）分析了煤矿顶板节理岩体变形的时效性，得出了间接顶板弹性变形与节理几何形态的分布具有规律性，但对于影响巷道的塑性变形区却没有实现。国内学者关于岩体蠕变的研究虽然只有近四十多年的历史，但是取得了很多研究成果。

2 岩锚结构

预应力锚固技术的最大特点，是尽可能少地扰动被锚固的土体或岩体，即不能破坏原有结构，并通过锚固措施合理地提高可利用岩体或土体的强度。所以预应力锚固技木是最为高效和经济的加固技术，因此受到工程界的高度重视并得到迅速的发展。拉力型锚索结构简单，施工方便，造价低，但锚固段受力机制不合理。在锚索张拉时，在张拉段处的界面出现最大的黏结摩阻力，在锚固段附近岩体中产生拉应力，且应力集中，使锚固段产生较大的拉应力，浆体容易拉裂，影响抗拔力。其结构如图1所示。采用预应力锚索治理滑坡时，锚索提供的作用力主要有沿滑动面产生的抗滑力，及锚索在滑动面产生的法向阻力，对加固厚度较大的岩质边坡，锚索在滑动面产生的法向阻力应进行折减，折减系数λ按0.6考虑，且锚索布置在坑壁边坡滑坡前缘，以满足整体稳定性要求。根据每孔锚索设计锚固力Pt和所选用的钢绞线强度，计算整治每延米滑坡所需锚索钢绞线的根数n，文中取安全系数Fs1=1.8。

图1 拉力型锚索结构图

锚固段长度的计算主要是确定锚固段长度和孔径大小。

按水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定锚固段长度 ：

（1）

式中， —安全系数；

—设计锚固力， ；

—每束锚索钢绞线根数；

3 岩锚稳定性分析

预应力锚杆柔性支护技术作为基坑支护结构的一种新型支护形式，与其它支护方法相比，该方法具有支护结构简单、支护结构轻便、、施工速度快、受力性能好、可靠、变形小、支护深度大等优越性，在我国基坑、边坡、库坝、挡土等结构中得到了广泛的应用。预应力锚杆柔性支护体系是由预应力锚杆（索）、混凝土钢筋网面层和锚下承载结构组成与基坑土体形成整体工程结构，支护结构见图2示。

`

图2 锚固结构受力简图

根据极限平衡法得基坑整体的安全系数K：

（2）

其中，

，

经上述计算表明，为提高锚固基坑边坡整体稳定性的要求务必减轻坑壁边坡面层的自重、选取合理的锚杆安设倾角和提高锚固结构的预應力等有效措施非常关键。

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项目编号：湖南省教育厅科研资助项目（14C0201）

作者简介：刘翔（1974-），男，湖南湘潭人，硕士，高级工程师，主要从事土木工程的教学与设计工作。