岩土锚固理论研究现状与发展

杜佶峥，苗子臻，邱浩然

（1. 中国石油天然气管道局第一工程分公司，河北廊坊，065000；

2. 北方工业大学土木工程学院，北京，100144）

岩土锚固理论研究现状与发展

杜佶峥1，苗子臻2，邱浩然2

（1. 中国石油天然气管道局第一工程分公司，河北廊坊，065000；

2. 北方工业大学土木工程学院，北京，100144）

岩土锚固作为岩土加固和结构稳定的经济而有效的方法，在我国边坡、基坑、矿井、隧洞、坝体及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛应用。本文首先从锚杆锚固力、锚固效果等方面对岩土锚固理论研究现状进行简要论述，然后针对研究中存在的问题及研究发展方向提出一些合理化建议。

岩土锚固；锚固力；锚固效果

引言

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，在岩土工程中采用锚固技术，能充分地调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力，有效保证施工安全［1，2］。因此，岩土锚固作为解决岩土工程稳定性问题的经济、有效方法，在边坡、基坑、矿井、隧洞、坝体及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得了广泛应用。另外，随着我国水利、能源、交通和城市基础设施的大力兴建，特别是对交通基础建设力度的加大，岩土锚固的应用前景十分广阔。

1 理论研究现状

由于锚杆的广泛应用，国内外学者对锚杆的支护理论进行了诸多研究。目前对岩土锚固机制的研究主要围绕以下两方面进行：

（1） 从锚固段荷载传递机理出发，对锚固段荷载分布规律以及其它诸多因素对锚固力影响进行研究，研究如何获得更大锚固力；

（2） 从锚固体系作用机理出发，研究锚固效应的发挥。

1.1锚固力研究

所谓锚固力研究，就是众多学者通过理论推导、现场试验以及数值模拟等方法对锚固体荷载传递及影响因素进行大量研究，而后归纳得到具有普适性的锚杆承载力的过程。大量研究结果表明，锚固体系荷载传递规律、锚固体系参数决定了锚固体系失效形式，锚固体系失效形式又决定了锚固体系极限承载力的大小。

程良奎、何思明等通过对大量研究结果进行总结，指出在锚杆受荷时，锚固体通过锚杆杆体、灌浆材料、外界围岩间相互作用依次将荷载分散至外界稳定岩体，且随着荷载的增加，沿锚固段应力以渐进方式移向锚固段远端［3-4］。尤春安通过理论推导得出锚固体应力分布弹性解，得出锚固段剪应力并非均匀分布，而是沿锚固段从零急剧地变化到最大值，最后逐渐减小并趋向于零的结论［5］。战玉宝等通过数值模拟分析，同样得出沿锚固段剪应力呈非均匀分布，且随着荷载的加大，剪应力分布逐渐下移的结论［6］。沈俊等通过现场拉拔试验，得出在岩质边坡条件下，无论是拉力型还是压力型，沿锚固段长度自锚固段靠近孔口端向内的注浆体与围岩间剪应力总是先迅速增至最大，然后按负指数函数衰减。其中拉力型锚索与注浆体界面剪应力沿锚固段长度从锚固段靠近孔口端向内按负指数函数分布，且随着荷载则增加，注浆体与围岩间峰值剪应力及有效长度均增加。拉力型有效长度增加较明显，而压力型峰值剪应力增加较明显［7］。张友葩等基于预应力锚杆在相同荷载作用下，锚固段的切向位移越小，锚杆的承载性能越好这一特性，根据工程实际，对锚固长度进行较系统地分析，得出锚固力与锚固长度并不成正比的结论：锚固长度超过一定值之后，锚杆承载力的提高不大。这与程良奎等人研究结果一致［8］。张洁等采用理想弹塑性荷载传递函数，对锚固长度与极限承载力关系进行分析，推导出临界锚固长度的解析算式，并建议锚固段设计长度应小于临界锚固长度［9］。

杨庆等采用理想弹塑性载荷传递模型，根据压力型锚索锚固段的受力平衡，推导出压力型锚索锚固段的应力分布函数，并通过分析得知：在锚固体受力容许范围内，施加的预应力越大，锚固效果越好；锚固体直径及锚固段的弹性模量的提高有助于锚固效果的提高［10］。战玉宝等通过有限元数值模拟对拉力型预应力锚索锚固段应力分布规律，以及围岩性质、锚固体直径、锚固段长度对锚固段应力分布规律的影响进行了研究。研究结果表明：岩体越软，剪应力分布范围越大、越均匀；剪应力峰值越小，岩体越硬，剪应力分布越集中，剪应力峰值越大。同样地，锚固体直径越小，剪应力分布越集中，峰值越大；直径越大，剪应力峰值越小，分布越均匀［6］。肖世国等［11］从锚索桩受力的角度，采用横向变形约束弹性地基梁法，结合工程实例，研究了锚索自由段长度对锚索桩系统受力的影响，指出锚索拉力随着锚索自由段长度减小而增大，桩身剪力、弯矩的减小有助于锚固体系承载性能发挥。

在实际工程中，锚固体系失效形式主要有杆体（钢绞线）断裂、杆体与注浆体界面滑移、注浆体破坏、注浆体与外部岩土体界面滑移、外部岩土体破坏等5种。鉴于杆体（钢绞线）性质较易掌握，目前对于破坏形式的研究主要围绕其他4种形式展开。

尤春安［5］通过室内拉拔试验对锚固段界面力学特性进行了研究，试验结果表明锚固系统的失效的主要形式为注浆体与岩土体界面滑移破坏，并且在正常设计荷载作用下，预应力锚索锚固段侧阻力一般由处于脱黏变形阶段的水平直线部分、处于塑性阶段的曲线部分和处于弹性阶段的曲线部分3部分组成，并基于界面力学剪滞模型推导出预应力锚索极限承载力计算方法。范宇洁等［12］考虑预应力锚索几何形状对锚索与注浆体界面的影响，采用解析方法分析锚索与砂浆界面的应力状态和破坏机理，建立新的极限承载力计算公式。李术才等［13］采用Hoek-Brown 强度准则，分别考虑锚固体发生界面滑脱破坏与锚固段周围岩体破坏两种情况，根据塑性力学中的上限分析定理，推导出锚索极限抗拔力的计算方法。何思明等［14］以众多试验资料为研究基础，提出了一个可包含多种破裂面形式的方程，然后根据Hoek-Brown强度准则及极限平衡原理对预应力锚索的极限承载力进行了研究，并运用极值思想提出了预应力锚索锚固力计算方法。李铀等［15］采用块体极限平衡法，对锚固体注浆材料块体之间的分离破坏模式及破坏时锚固力传递规律进行了研究，推导出该模式下锚固力传递递推公式。目前，规范主要从杆体与注浆体界面滑移破坏、注浆体与外部岩土体界面滑移破坏两个方面对锚固段长度设计进行限定，锚固段设计长度取设计长度的较大值，计算公式如式（1）和式（2）所示：

式中具体参数含义及取值同现行《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》第4.6.10条规定。

1.2锚固效果研究

岩土锚固的效果是指由于锚固体的存在，锚固体系充分发挥锚杆及岩土层自身强度及自稳能力，从而使得不稳定地层保持稳定的力学效应。对岩土锚固加固效应的普遍认识可概括为以下五大方面：

①悬吊理论。悬吊理论是指通过锚杆的固定作用，把外部的不稳定岩层以类似悬吊的方式固定在深部相对稳定的岩层上。此理论认为，抵消不稳定岩层重量带来的坍塌、倾覆的力就是锚杆提供锚固效应。

②组合梁理论。组合梁理论是指通过锚杆的作用，将数层岩层连在一起，形成一个较厚的岩层。一方面锚杆的存在增加各岩层间的黏结力及摩擦力，限制了岩层面间的相对错动；另一方面锚杆的存在增加岩层间的抗剪强度，从而将数个叠合岩层转化为组合梁结构，使岩层受力性能显著提高。

③承载拱理论。承载拱理论是指由于锚杆预紧力的存在，位于锚固体两端的岩体中将形成圆锥形分布的压应力区，当在洞室中以较小的间距布置预应力锚杆时，锚固体两端的压应力区相互交错，在洞室围岩中形成一个均匀压缩带，即承压拱。承压拱的存在使处于二维应力状态的外部岩土体保持三维应力状态，极大增加了围岩承载能力。

④松动圈理论。围岩松动圈理论认为巷道支护的对象主要是松动圈围岩的碎胀变形，支护的作用主要是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。

⑤中性点理论。中性点理论认为在靠近硐室空间的围岩体部分，围岩体阻止锚杆向围岩体内部移动，锚固体与围岩体界面剪应力方向指向硐室空间，在远离硐室的围岩体深部，围岩阻止锚杆向硐室方向移动，锚固体和围岩体界面剪应力方向指向围岩体深部，两个剪应力方向相反，因此锚固体上必存在剪应力零点，即为中性点。从中性点至硐室方向间的锚杆部分称为“拉拔段”，从中性点至围岩体深部的锚杆部分称为“锚固段”，此理论清晰地描述了锚杆在围岩体内的实际受力过程和情形，可较明确地确定锚杆的锚固段有效长度等设计参数。

2 存在问题及发展方向

虽然近些年来，众多国内外学者通过大量室内模型试验、现场拉拔试验、有限元数值模拟等手段不断地对岩土锚固理论进行研究，对岩土锚固荷载传递规律及加固机理有了较为深入的认识，各种新型锚固体系纷纷涌现，其应用领域、应用规模也越来越大，然而，对整个岩土锚固学科而言，岩土锚固理论研究仍存在一些问题：理论研究滞后于工程应用；缺乏切合实际的精准的计算模型；地震、冲击荷载等动荷载条件下锚固体受力性能研究不足；对于某些新型锚固体系的加固机理的研究不足。因此，对岩土锚固理论的研究可从以下几方面展开：

（1） 加强锚固机理研究，加强深部裂隙岩体、地震、冲击荷载等条件下锚固体受力性能的研究；

（2） 进行锚固段荷载传递规律系统研究，提出精准合理计算模型；

（3） 加强新型锚固体系的研究，研发承载性能更优的锚固形式。

3 结语

综本文所述，自上世纪以来，岩土锚固的理论研究取得了很大进步，国内外学者在锚固段剪应力呈非均匀分布，以及锚固段存在临界长度等方面取得了统一认识，但由于地质条件等因素的复杂性，在锚固力、锚固效果计算等方面仍存在一定不足，很多研究成果与实际情况有所出入，理论研究仍滞后于工程应用研究。因此，在国内外已有研究基础上，进一步进行深入细致理论研究，十分必要。

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杜佶峥，男，助理工程师，现工作于中国石油天然气管道局第一工程分公司项目管理中心，主要从事管道及场站建设。E-mail: 150514821@qq.com

苗子臻（通信作者），男，硕士研究生，主要从事岩土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Research Status and Development of Anchorage Theory of Rock and Soil

Jizheng Du1， Zizhen Miao2， Haoran Qiu2（1. China Petroleum Pipeline Bureau NO.1 Construction Company， Langfang， Hebei， 065000， China；2. College of Civil Engineering， North China University of Technology， Beijing， 100144， China）

Geotechnical anchorage， as an economical and effective rocky reinforcement and structural stability measure， is widely applied in slope， foundation ditch， mine， anti-overturning structure and other engineering construction fields. First of all， geotechnical anchoring theory research status is described briefly from aspects of the anchoring force of anchor bolt and anchor effect， and then， aiming at existing problems in research and research direction of development， we put forward some feasible advices.

Geotechnical Anchorage； Anchoring Force； Reinforcement Effect

TU473

A

2095-8412 （2016） 04-635-04

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.014