巖土錨固要素分析

陳曉東+李學忠

摘要：本文分析了巖土錨固結(jié)構(gòu)及其組成要素，并通過錨固力的計算，提出錨固力為多個載荷中的最小值觀點，在錨固設(shè)計中需根據(jù)錨固巖土強度進行錨固劑、錨桿以及方式的選擇，并分析了各個要素對巖土錨固載荷的影響。

Abstract： In this paper， the geotechnical anchoring structure and its constituent elements are analyzed. Through the calculation of anchoring force， the anchoring force is proposed as the minimum value among multiple loads. In anchorage design， the anchorage agent， anchor and anchoring method need to be selected according to anchorage rock strength. And the influence of each element on the geotechnical anchoring load is analyzed.

關(guān)鍵詞：錨固要素；錨固力；錨固形式；錨固設(shè)計

Key word： anchoring element；anchoring force；anchoring form；anchoring design

中圖分類號：U417.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）32-0108-03

0 引言

巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支，較充分地調(diào)用巖土體自身強度和自穩(wěn)能力，大大縮小結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)物自重，顯著節(jié)約工程材料，并有利于施工安全，已經(jīng)成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜的巖土工程經(jīng)濟有效的方法之一。

現(xiàn)有巖土錨固技術(shù)的研究主要集中在以下幾個方面：①荷載傳遞方面，進行了土層錨桿的極限抗拔力的研究。②防腐技術(shù)方面，對錨桿的防腐技術(shù)進行了研究，并對防腐制定了相應(yīng)的標準。③在高承載力錨固體系的開發(fā)應(yīng)用方面，主要進行了高強度鋼絞線生產(chǎn)和深大鉆孔技術(shù)的研究。④錨桿的長期工作方面，近幾年有所關(guān)注。然而這些研究不足以解釋“為什么同一錨桿對不同巖性、不同錨固方式、不同粘接劑以及不同的托盤系統(tǒng)而錨固效果卻差距很大”這個現(xiàn)象。[1][3]歸根結(jié)底錨固技術(shù)是個系統(tǒng)問題，形成錨固力是一個錨固體系中眾多要素共同作用的結(jié)果，只有對眾多要素之間相互作用機理研究，才能真正地認識錨固技術(shù)。

1 巖土錨固組成

錨固是第三方將兩個或兩個以上的錨固對象連成統(tǒng)一整體，相互不分離的連接方式，雙方稱為錨固對象和被錨固對象，第三方稱為錨固體，形成一個完整的錨固體系。[2]現(xiàn)有錨固技術(shù)中，巖土錨固使用最廣、應(yīng)用最多。

巖土錨固，準確說是一個錨固體系，由被錨固對象、錨固對象以及錨固體組成。

①被錨固對象：在人類改造自然中，巖土自然狀態(tài)發(fā)生變化后造成在重力作用下或雨水浸泡后強度減弱，需借助外力才能維持自身平衡部分巖土。實際上它自身也是一個體系，主要由加固體和巖土組成，加固體是將巖土中離散型載荷形成集中載荷，通過錨固體將傳遞到錨固對象，形成力平衡結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)決定了錨固點位置、載荷大小需求以及密度設(shè)置；被錨固對象巖土主要表現(xiàn)為失穩(wěn)載荷，一種是離散型，其分布不均勻，如松散的砂爍土，需采用格構(gòu)結(jié)構(gòu)；另一種是失穩(wěn)載荷的方向，巖層方向，巖層方向角過大，導致層間摩擦載荷不足以平衡巖土失穩(wěn)載荷。

②錨固對象：承載錨固力的巖石，要有形成錨固載荷的強度，同錨固體一起，形成一個整體，利用整體抗破壞的能力形成錨固力。

③錨固體：也稱錨固體系，傳遞錨固載荷的連接體，可以是一個單獨的零件，也可以由多個可承受載荷零件組成。由錨桿、錨固劑、錨栓，錨固網(wǎng)組成的是由多個零件組成的錨固體系。

④錨固力方式：端承力、摩擦力粘結(jié)力以及其他。不同類型的錨固，產(chǎn)生錨固力的方式不同。

2 巖土錨固要素分析

巖土錨固是確保松軟巖土與硬巖土之間不發(fā)生相對移動，其效果主要表現(xiàn)為錨固對象間的緊密連接程度。其要素分為錨固力無關(guān)要素和錨固力相關(guān)要素；錨固力相關(guān)要素包括錨固段巖土強度、錨桿拉伸強度、錨桿同錨固劑粘結(jié)強度、錨固劑抗剪強度、錨固劑同巖土間的粘結(jié)強度。

①錨固力無關(guān)要素主要是被錨固巖土失穩(wěn)性，主要是指巖土穩(wěn)定性的內(nèi)摩察角和方向性（失穩(wěn)角=90°-內(nèi)摩擦角）。由于巖石內(nèi)摩擦角具有方向性，不同方向的內(nèi)摩擦角不同，在不受外界因素的情況下，巖土坡度大于失穩(wěn)角，巖土就會不穩(wěn)定，需要進行錨固；實際上，巖土是受外界環(huán)境影響的，當巖土坡度大于失穩(wěn)角的0.8倍左右時，巖土就需要進行錨固；同一巖土，不同方向，加固體結(jié)構(gòu)以及所需錨固載荷不同，在整個巖土錨固的設(shè)計過程中，這些參數(shù)只能利用，不能改變。

②錨固段巖土強度。錨固段巖石承載著整個錨固力，強度是決定錨固力的核心，不會因為錨固技術(shù)而變化，直接決定錨固深度、孔徑大小以及錨固的形式。

③錨桿拉伸強度。錨桿是連接錨固段巖土與松軟巖土的橋梁，起著承上啟下的作用，其強度大小直接影響錨桿直徑的選擇。錨桿拉伸強度的選擇，不僅要考慮錨固力大小、同時還要考慮錨固劑粘結(jié)強度，在強度選擇中同錨固劑粘結(jié)強度相關(guān)性比較大，在選擇錨桿強度時，根據(jù)錨固粘結(jié)特點，決定其最佳粘結(jié)長度，根據(jù)最佳粘結(jié)強度確定粘結(jié)面積，從而確定錨桿直徑，結(jié)合錨固力和錨桿外徑，確定錨桿的拉伸強度和截面積。

④錨固劑要素，主要包括錨固劑同錨桿粘結(jié)強度、抗剪強度以及同巖土間的粘結(jié)強度。

1）錨固劑同錨桿的粘結(jié)強度，是金屬同非金屬物質(zhì)之間的粘結(jié)，首先，粘結(jié)強度最高只有粘結(jié)界面上較弱一方強度的70%-80%，也就是只有錨固劑剪切強度的70%；其次，眾多剪切作用面中面積最小；最后是其特有粘結(jié)長度特性，在長度上的應(yīng)力分布不均，超出相應(yīng)長度后，其粘結(jié)界面不承擔剪切載荷，其作用范圍是有限的。因此，它是錨固中最薄弱的環(huán)節(jié)（針對非軟弱土），它的大小直接影響錨桿直徑大小。endprint

2）錨固劑抗剪強度。錨固劑傳遞錨固力，對錨固載荷起到承上啟下的作用，它對錨桿的粘結(jié)強度、巖土的粘結(jié)強度以及自身的剪切強度決定了錨固力載荷。錨固劑在有效厚度內(nèi)可以達到剪切強度的最大值，超過這個厚度后會大打折扣。

3）錨固劑同巖土間的粘結(jié)強度，同錨桿的粘結(jié)特性一樣，粘結(jié)強度只有粘結(jié)界面上較弱強度一方強度的70%-80%，當錨固劑強度小于巖土強度時，它是錨固劑剪切強度的70%-80%；反之，就只有巖土剪切強度的70%-80%。

總之，錨固劑的要求是很高的，同金屬（錨桿）的粘結(jié)強度以及同巖土的粘結(jié)強度都要高，同時還要有高的剪切強度和優(yōu)良可施工特性。

⑤錨固形式；主要是摩擦或粘接錨固以及端承錨固，不同形式的錨固，它們對錨固對象巖土強度的利用方式同，利用效果也不相同。

3 錨固力計算

錨固按形式分為摩擦（粘結(jié)）錨固和端承錨固，不同的錨固方式，其承載力的計算不同，承載的效果也不同。

3.1 摩擦（粘結(jié)）錨固

摩擦（粘結(jié)）錨固是錨固技術(shù)中最常用的一種，依靠錨固劑同孔以及錨桿的摩擦力（粘結(jié)力）形成錨固力，其主要特點是錨固段孔徑等于或小于自由段孔徑。其錨固載荷從錨桿拉伸載荷、粘結(jié)力或摩擦力、錨固劑抗剪承載力、錨固劑對錨固孔形成的摩擦力以及錨固對象承載剪切力依次傳遞，其中最弱一項即為錨固力。圖1所示摩擦型錨固示意圖。

①錨桿拉伸載荷F：

F=0.25*πd2σ（1）

其中：σ—錨桿的屈服強度。

②錨桿同錨固劑的粘接載荷或摩擦載荷F1：

F1=πdLk（2）

k—錨桿同錨固劑在有效長度范圍內(nèi)的粘接強度或摩擦強度，調(diào)整錨桿的表面形狀以及粗糙度，從而調(diào)整其相應(yīng)粘結(jié)強度或摩擦強度。

③錨固劑的剪切承載力T：

T=πdLκ（3）

κ—錨固劑剪切強度。

④錨固體同孔的粘接載荷或摩擦載荷F2：

F2=πDLm（4）

m—錨固劑在有效長度范圍內(nèi)同孔的粘接強度或摩擦強度；該系數(shù)與錨固劑的膨脹性能、孔形狀以及粗糙度息息相關(guān)。

⑤錨固對象的承載能力F3：

F3=πD摩（L+l）ζ（5）

ζ—巖土的抗剪強度；主要是錨固對象巖土或巖石的抗剪強度。

⑥整個錨固點的錨固力N：

N=Min{F，F(xiàn)1，T，F(xiàn)2，F(xiàn)3}（6）

N—最大錨固力。

公式中可以看出，在巖土錨固中，錨固力大小是由最弱一項確定；錨固點確定的情況下，在眾多錨固因素中，巖土強度是不可改變，其余的是可以進行選擇的，從而在錨固力不變的情況下，達到施工效率高、成本低的目的。在摩擦錨固中，最有效的設(shè)計原則是遇強則強，遇弱則弱的選擇方法，也就是巖土弱的情況下，選用粘結(jié)強度和剪切強度弱錨固劑；在巖土強度大的情況下，選用粘結(jié)強度和剪切強度高的錨固劑，從而達到最佳配合。

3.2 端承錨固

端承錨固主要以端承載荷提供錨固力，孔的摩擦力也承擔部分錨固力，其最大特點是錨固段孔直徑大于自由段孔徑，利用大小孔形成的端面以及孔的粘結(jié)載荷承擔錨固力。其最大的優(yōu)點是充分利用了鋼材的強度優(yōu)勢、巖土的強度優(yōu)勢以及孔徑大的優(yōu)勢。一般都使用鋼材作端承載體，具有提高端承力和降低錨固孔深度的優(yōu)點。其錨固力計算如下，端承錨固原理如圖2。

①錨桿拉伸載荷F：

F=0.25*πd2σ（7）

②端承載荷Q（在端承面上，剪切力最薄弱處位于錨桿相鄰界面）：

Q=πd tτ（8）

③錨固對象的承載能力F端：

F端=πD端（L1+l）ζ（9）

④整個錨固點的錨固力N：

N=Min{F，Q，F(xiàn)端}（10）

N—最大錨固力。

從公式（10）中可以看出，在端承錨固中，直接通過端承面將錨固力轉(zhuǎn)化為巖土的剪切應(yīng)力，從而避免了錨固劑中的摩擦強度、粘結(jié)強度以及剪切強度弱的環(huán)節(jié)，通過改變改變端承面的變徑率提高錨固力（同孔徑的摩擦錨固相比），從而達到遇弱變強和遇強更強目的。

3.3 錨固力同被錨固對象的關(guān)系

巖土錨固中，被錨固對象實際上也是一個系統(tǒng)，加固體的目的就是被錨固巖土的松散的載荷變成一個集中載荷，便于錨固體實施錨固。不同結(jié)構(gòu)、不同性能的巖土，其加固體結(jié)構(gòu)不同。對于低強度的巖土，需要利用外界結(jié)構(gòu)，如格構(gòu)結(jié)構(gòu)，將松散載荷集中；對于中等強度的巖石結(jié)構(gòu)，需根據(jù)其內(nèi)摩擦角的大小及其方向，確定是否需要加固體，當坡度大于內(nèi)摩擦角時，巖石的縱向拉伸強度和摩擦力不足以克服重力分力和水壓時，需要進行加固錨固；當坡度大于失穩(wěn)角的0.7-0.8倍時，巖石的內(nèi)摩擦力不足以承擔重力載荷和水壓，需進行點狀錨固，利用巖石自身結(jié)構(gòu)形成加固體。

4 結(jié)束語

①錨固是由眾多元素組成的一個體系，用系統(tǒng)方法對錨固進行分析；

②錨固力是眾多載荷中最小的一項；

③錨固設(shè)計時，需根據(jù)巖土強度來選擇錨固劑類型、錨桿以及錨固形式，從而達到最佳配合；

④對錨固力進行了系統(tǒng)計算，得出巖土錨固中各個要素同錨固力的關(guān)系。

參考文獻：

[1]孔恒，馬念杰，王夢恕.錨固技術(shù)及其理論研究現(xiàn)狀和方向[J].中國煤炭，2001（11）.

[2]李學忠.成孔技術(shù)對錨固發(fā)展的影響[J].煤礦機械，2017（06）.

[3]程良奎.巖土錨固研究與新進展[J].巖石力學與工程學報，2005，24（21）.endprint