巖土錨固新技術與發(fā)展趨勢

秦帥　丁涯

摘要：巖土工程是一門幾乎和人類一樣古老的學科，并伴隨著人類的進步而不停的發(fā)展。近代以來，巖土工程技術發(fā)生了天翻地覆的變化，而其中，巖土錨固技術以其新穎的理念和巨大的優(yōu)勢，當之無愧的成為其中最具有革命意義的一項技術革新。本文將在總結(jié)今日的巖土錨固技術的最新突破的基礎上，試指出該技術所面臨的問題和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：巖土工程 錨固 新技術 發(fā)展趨勢

一，巖土錨固的概念和歷史

巖土錨固技術是指埋設于巖土體中的受拉桿件，用以將結(jié)構(gòu)物的拉應力傳遞給深部的穩(wěn)定地層或加固不穩(wěn)定的巖土體，形成拉桿與巖土相互作用，共同工作的體系。巖土錨固是巖土工程領域的重要分支。在巖土工程中采用錨固技術，不同于傳統(tǒng)的巖土工程加固手段，它不僅能充分調(diào)用和提高巖土體自身的穩(wěn)定性和強度，還可以大大節(jié)約結(jié)構(gòu)物體積和自重，減小造價，并有利于施工安全和施工進度。錨固技術現(xiàn)已經(jīng)成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復雜的巖土工程最經(jīng)濟最有效的方法之一。巖土錨固已在我國邊坡、基坑、礦井、隧洞、地下工程，壩體、航道、水庫、機場及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設中獲得了廣泛的應用。

隨著我國大力興建基礎設施，特別是對交通、能源、水利和城市基礎設施建設力度的加大，巖土錨固將展示出十分廣闊的應用前景。

二，巖土錨固工程技術的現(xiàn)狀

2.1錨桿的分類

目前工程中使用的錨桿有很多種，根據(jù)不同的標準可以有不同分類。按照錨桿和巖體的錨固方式，可分為黏結(jié)性錨桿、機械式錨桿和基地擴張式錨桿。根據(jù)一個鉆孔內(nèi)安裝錨桿單元的數(shù)量，可分為單孔單一錨和單孔復合錨。按照是否預先施加張力可以分為預應力錨桿和非預應力錨桿。按照錨桿受荷后錨固段內(nèi)的灌漿體的受力狀態(tài)可分為拉力型錨桿和壓力型錨桿。

2.2錨固系統(tǒng)可能的失效方式

錨桿在發(fā)揮作用時，荷載通過錨桿與灌漿體、灌漿體與巖體的相互作用傳遞到深層巖體中，根據(jù)錨固系統(tǒng)的組成與特點，錨固系統(tǒng)在承受荷載時可能以下列一種或幾種形式發(fā)生破壞：

（1） 錨桿的強度破壞：發(fā)生這種破壞的可能原因是錨桿的設計或材料選用不當；

（2） 灌漿體被壓碎或破裂：錨桿與砂漿的機械咬合作用導致砂漿中產(chǎn)生橫向和軸向開裂，砂漿強度不足時易發(fā)生此種破壞；

（3） 周圍巖土體破壞：可能由于巖土體強度太低或錨固段長度不夠；

（4） 灌漿體與錨桿接觸面破壞：是拉力型錨桿失效的主要形式之一，多數(shù)情況下是錨固長度不足導致的，也可能是因為注漿體強度較低。

（5） 巖土體與灌漿體接觸面破壞：這種破壞多發(fā)生在軟巖和土層，主要原因是圍巖較軟，接觸面附近抗剪強度低。

2.3錨桿荷載傳遞機制的改善

大量的實驗研究和實測結(jié)果證實，傳統(tǒng)的拉力（集中）型或壓力（集中）型錨桿受力時，其錨固長度上粘結(jié)應力分布是很不均勻的，當采用長錨固段時，粘結(jié)應力分布長度是有限的，粘結(jié)效應會呈現(xiàn)漸進性破壞現(xiàn)象。隨著錨桿上荷載的增大，在荷載傳至固定長度最遠端之前，在桿體與灌漿體或灌漿體與地層界面上就會發(fā)生粘結(jié)效應逐步弱化或脫開的現(xiàn)象

為了從根本上改變拉力型錨固方法的弊端，冶金部建筑研究總院等單位成功研制了單孔復合錨固方法。該方法時在同一鉆孔中安裝幾個單元錨桿，而每個單元錨桿有自己的桿體，自由長度和固定長度，而且承受的荷載也是通過各自的張拉千斤頂施加的，并通過預先補償張拉，而使所有單元始終承受相同的荷載，承載力可提高30%——200%。

2.4軟土錨固取得重大突破

軟土主要由細粒土組成，一般具有松軟、含水率高、孔隙率大、壓縮性高和強度低的特點，主要分布在沿海一帶。改革開放以來，沿海地區(qū)高層建筑蓬勃興起，并要求快速經(jīng)濟地建造一大批深基坑工程，它為軟土錨固的發(fā)展提供了契機。

我國的軟土錨固技術進步主要體現(xiàn)在三個方面：

1）采用可重復灌漿技術，大幅度提高了軟土中錨桿的承載力。

2）基本掌握了軟土中錨桿蠕變變形和預應力值變化的規(guī)律。對塑性指數(shù)大于17的軟土（不包括淤泥）在錨桿荷載作用下的蠕變變形及錨桿荷載隨時間的變化特性進行了較深入的研究，提出了一些基本認識。

3）在實踐中，找到了控制軟土基坑周邊位移的若干有效方法，主要有：

①在地下水位較高的軟土地層中開挖基坑，應設可靠的止水帷幕，組織坑邊地下水的流失。

②適當加大樁墻結(jié)構(gòu)尺寸和加密錨桿，以提高支護結(jié)構(gòu)剛度。

③錨桿成孔采取“跳鉆”，即在水平方向上每隔2——4個錨桿孔位鉆孔，并隨即完成扦筋、注漿作業(yè)，使單位時間內(nèi)對單位體積土體的擾動范圍降低到最小程度。

④土方開挖要分層實施，使荷載作用的應力調(diào)整緩慢發(fā)生?；又苓厬S開挖，隨錨固，使無支承條件下坑邊所暴露的時間盡可能少，所敞露的時間盡可能少，所敞露的面積盡可能小。

⑤當坑邊有密集建（構(gòu)）筑物時，可在建（構(gòu)）筑物周邊設置垂直向的微型樁，以改變應力傳遞途徑，減少基坑周邊位移對建（構(gòu)）筑物的影響。

2.5錨固結(jié)構(gòu)的長期工作性能

錨桿的長期工作性能一直困擾著巖土工程師們，特別是近20年來，我國巖土錨固技術在土木、水利水電、鐵（水）路交通以及市政基礎工程建設中取得了空前的廣泛應用，其規(guī)模之大，應用量之多已躍居世界之首。因而研究巖土錨固的長期工作性能，對重大巖土錨固工程實施安全性評價，對安全度不足或出現(xiàn)病害的錨固工程采用有效的處理措施，對永久性巖土錨固工程的設計、施工、防腐以及巖土錨固工程標準制定等方面都具有重要的意義。

巖土錨固結(jié)構(gòu)的使用壽命取決于錨桿的耐久性，對壽命的主要威脅則來自于氫脆和電化學腐蝕。

清華大學、重慶交通科研設計院以示范工程渝黔公路的一段巖土錨固結(jié)構(gòu)實例進行腐蝕程度評估研究，將物元理論引入層次分析法，建立了包括錨固段（自由段）和錨頭等巖土錨固結(jié)構(gòu)腐蝕程度的多層次評估模型及其評估指標，并確定各項指標的評估標準和評估模型各部分的初始權(quán)重。

中冶建筑研究總院有限公司結(jié)合在長期荷載傳遞機制、長期性能和安全評價研究成果的基礎上，提出了錨桿鎖定荷載（初始預應力）變化量、錨桿現(xiàn)有承載力降低率、被錨固的巖土體和結(jié)構(gòu)物變形速率以及錨桿的腐蝕損傷程度為主的安全控制指標；建立了包括風險源識別、長期性能檢測、監(jiān)測項目于方法、安全評價的臨界技術指標以及安全度不足錨固工程的處治方法等項內(nèi)容的安全評價模式。并對所收集到的國內(nèi)外17項被檢驗的巖土錨固工程長期性能狀況進行了分析研究，研究結(jié)果表明：具有足夠安全度的錨桿設計、錨桿全長完善的防腐措施，采用能改善力學與化學穩(wěn)定性的錨固結(jié)構(gòu)、規(guī)范的錨桿驗收試驗、完善系統(tǒng)的長期性能檢測盒維護管理體系是提高巖土錨固的長期性能、確保錨固工程的長期安全工作的主要途徑和方法。

2.6巖土錨固的無損檢測方法

巖土錨固具有隱蔽性，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問題比較困難，而一旦發(fā)生事故處理起來怎更難。要保證錨固系統(tǒng)的質(zhì)量，除了需對其進行合理設計、施工之外，對巖土錨固工程的健康監(jiān)測也必不可少。通過對巖土錨固系統(tǒng)的檢測，在施工階段可以驗證并優(yōu)化錨桿支護參數(shù)，保障施工安全；在錨固系統(tǒng)運營期間，可以實現(xiàn)對其安全狀態(tài)的監(jiān)測，評估。

目前，我國規(guī)范中規(guī)定的及實際工程中使用的錨桿錨固質(zhì)量及受理狀態(tài)監(jiān)測方法是對其進行拉拔試驗，錨桿拉拔試驗在一定程度上可以反應其整體的抗拔性能，即可以確定錨桿的極限承載力、變形特性、設計合理性和施工質(zhì)量等，但僅靠此來對錨固系統(tǒng)進行評定還是遠遠不夠的，因為拉拔試驗本身存在著如下問題：

首先，拉拔試驗不能反映錨桿真實工作狀態(tài)下的性能，不能確定錨桿各段的錨固力。當錨桿發(fā)揮作用時，其不同部段的功能是不同的，因此，錨固質(zhì)量的好壞不但跟錨桿的整體抗拔力有關，還和各段的錨固能力有關。

其次，拉拔試驗不能對錨桿的錨固質(zhì)量作充分的肯定，如對于全長粘結(jié)式錨桿，對錨桿承載力起作用的是錨固段，而在拉拔試驗中，張拉段與錨固段共同向外受力，會導致結(jié)果偏大，給人一種滿足承載力的假象。

第三，拉拔檢測手段既費工又費時，抽檢的樣本數(shù)十分有限，難免以偏概全，不能滿足對錨桿進行大面積檢測的需要。

最重要的是，拉拔試驗是一種破壞性的檢測方法，實際操作中會對經(jīng)錨桿加固的巖體產(chǎn)生新的擾動，降低錨桿對圍巖的加固作用，這對軟巖或較破碎巖層尤為不利。

哈爾濱工業(yè)大學碩士研究生白金超提出利用計算機技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，構(gòu)造出FBG-FRP錨桿及其智能檢測系統(tǒng)，監(jiān)測分為以下幾個部分：（1）鉆孔過程監(jiān)測。通過位置和壓力等傳感器來記錄鉆入深度隨時間、工作氣壓等參數(shù)的關系，結(jié)合地質(zhì)勘探報告，可以分析圍巖的力學性能。（2）錨固力監(jiān)測。該文采用FBG傳感器，此傳感器具有耐久性好，抗侵蝕能力高等優(yōu)點，且體積小、易布置；另外它還能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個傳感器，實現(xiàn)多點線式分布測量。（3）錨固密實度監(jiān)測。通過應力波的反射和透射特點，通過特定的傳感器接收信號并傳輸進入計算機中進行分析，從而得出錨桿的長度和錨固狀態(tài)。（4）圍巖壓力的監(jiān)測。采用哈爾濱工業(yè)大學周智等基于光纖光柵傳感器原理開發(fā)出的新型的光前光柵土壓力傳感器。該傳感器具備FBG的優(yōu)點，對巖土工程有著很好的適用性，另外其還具有溫度自補償和溫度測量的功能。

三，巖土錨固的前進方向

為了適應工程建設的需要和推動本學科的發(fā)展，應緊緊圍繞以下課題，展開科學研究和技術創(chuàng)新：1）新型錨固結(jié)構(gòu)及其綜合配套技術研發(fā)；2）巖土錨固結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)傳力力學機制研究；3）地震、沖擊、交變等動荷載作用下，巖土錨固結(jié)構(gòu)力學性能及破壞機制研究；4）永久型巖土錨固工程長期性能評估及安全評價；5）巖土錨桿工廠化生產(chǎn)及其標準化建設。

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