我國屈服錨桿現(xiàn)階段發(fā)展概述

馬 璇

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250002)

0 前 言

屈服錨桿，又被稱為讓壓錨桿或者吸能錨桿。是在錨桿支護體系的實踐應用中發(fā)展的新的支護形式，由于它深刻地反映了圍巖和錨桿的相互作用關系，并且充分發(fā)掘圍巖的自承能力，屈服錨桿對于軟巖高地應力等復雜條件下的支護具有很好的效果，并且對于支護體系的未來發(fā)展開拓了道路，明確了錨桿支護體系的發(fā)展方向。

我國對于屈服錨桿的研究起始于20世紀80年代，理論研究實踐成果自2007年開始豐富起來。對屈服錨桿自身力學性質的研究、對吸能錨桿與圍巖協(xié)調性的研究、對吸能錨桿數(shù)值模擬方法的研究、對吸能錨桿的數(shù)值模擬分析，對屈服錨桿的現(xiàn)場試驗研究等成果以及相關的發(fā)明專利都是呈現(xiàn)出雨后春筍的狀態(tài)。在這樣的背景下，就需要有人進行將這一階段的研究成果進行整理匯總，并做一個研究方向的預測。本文通過查找閱讀近年來我國關于屈服錨桿的大量的文獻資料，期望可以對近年來屈服錨桿的研究進行分類，并以此引出屈服錨桿的發(fā)展方向。

屈服錨桿的讓壓目前主要通過兩種方法來實現(xiàn)[1], 一種是直接提高錨桿桿體的延伸率, 把錨桿桿體本身做成可變形的讓壓結構, 但其讓壓參數(shù)很難控制且成本太高; 另一種方法是保持錨桿桿體本身不變, 通過增加讓壓管來進行卸壓, 以達到在一定的壓力范圍之內控制錨桿應力變化, 提高錨桿桿體延伸率的目的。第二種方法在設計與使用上具有很大的優(yōu)勢，有很大的發(fā)展空間。

1 工程概況

青島地鐵1號線線路起自黃島峨眉山路與長江路交叉口，沿長江中路、長江東路、濱海大道、跨海向北進入青島主城區(qū)，之后沿費縣路向東左轉穿過青島火車站廣場，沿即墨路北側、膠州路、和興路、人民路、回流南路、膠濟鐵路東側、倉安路、興華路、重慶路、風崗路、中城路、209省道終至東郭莊(S209和青新高速交叉處西南處)。

2 屈服錨桿支護結構的力學特性的研究

2.1 屈服錨桿的應力應變曲線

連傳杰等[2](一種新型讓壓管錨桿的變形特性及其支護作用機理分析)通過分別對普通高強錨桿與對應的讓壓錨桿進行拉拔試驗得到了讓壓錨桿的應力應變曲線(如圖1所示)及其與普通高強錨桿的對比分析。將讓壓錨桿的應力應變曲線分為5個階段：OA階段、AB階段、BC階段、CD階段、DE階段，并分別分析了各個階段的特征及其與普通錨桿彈塑性應力應變關系的差異性。

圖1 錨桿的拉拔試驗曲線

單仁亮等[3]采用能量分析法將讓壓錨桿的荷載-位移曲線劃分為彈性階段、讓壓階段和塑性強化階段，分別推出三個階段讓壓錨桿的能量本構方程以及圍巖作用下的能量方程，近似求解讓壓錨桿和普通錨桿在彈性極限荷載、承載力極限以及圍巖共同作用條件下的支護性能。這些研究成果對于對屈服錨桿的力學性質的定量具有重要的意義，對于支護結構的參數(shù)設計也有一定的啟發(fā)。

2.2 高強讓壓錨桿與高強錨桿的分析比較

高強錨桿雖然可以在支護體系中提供很強的拉力，但是在高地應力軟巖等復雜工程地質條件下，錨桿的安全系數(shù)和變形安全系數(shù)都比較小，另外，在比較小的動荷載作用下，高強錨桿就比較容易破壞，從而造成災難性的后果。而從能量的角度上，這種現(xiàn)象很容易理解：巷道等的開挖過程就是一個地應力釋放的過程，也就是一個能量釋放的過程，而錨桿支護結構就是為了維護巷道等的穩(wěn)定性而設置的耗能結構，錨桿支護結構的耗能量就等于錨桿的拉力與錨桿的位移的乘積，那么提高錨桿的強度就是提高錨桿所承受的拉力，但是如果沒有同時提高錨桿的最大變形量的話，那么錨桿支護的最大耗能量的提高就僅僅依賴于錨桿的強度的提高，而錨桿的強度的提高是有限的，并且很不經(jīng)濟。而高強讓壓錨桿可以提供一個比較大的變形量，荷載達到讓壓點后，讓壓錨桿可以有一個能夠人為控制的變形量，在這個變形空間中，圍巖與錨桿共同耗能，并且圍巖同時可以完成自身的內力重分布過程，使得應力集中區(qū)域向深部巖體移動。另外，由于讓壓點的可控制性，錨桿的受力就可以保證在彈性范圍之內，從而提高了錨桿的強度安全系數(shù)和變形讓壓安全系數(shù)，保證了支護結構的安全性[4]。

此外，在承受動荷載方面，高強讓壓錨桿具有很大的優(yōu)勢。實踐應用表明，普通高強錨桿在沖擊型巷道沖擊礦壓的作用下表現(xiàn)很差，在增加錨桿的強度和密度后，情況依然沒有明顯的改觀。而高強讓壓錨桿因為具有主動的讓壓機制，可以有效地引導控制能量的釋放和轉化，可以有效地將能量消耗，從而保證支護體系和圍巖的穩(wěn)定性[5]。

2.3 讓壓錨桿與圍巖共同作用的協(xié)調性研究

巷道等開挖后，圍巖按照其破壞程度可以分為四個區(qū)，如圖2所示[6]。

圖2 圓形巷道圍巖破壞示意圖

松動圈為完全破壞的巖體，完全喪失了結構承載能力；塑性區(qū)具有一定的變形能力，能承受一定的外部荷載；彈性區(qū)是受開挖影響較小或不受開挖影響而能承受較大外荷載的區(qū)域；最外層則為原巖應力區(qū)。

讓壓錨桿支護的目標就是要使錨桿支護系統(tǒng)適應圍巖應力和變形的特性：一方面錨桿支護系統(tǒng)應該保證圍巖基本在彈性和彈塑性范圍內，另一方面支護系統(tǒng)的變形特性必須適合圍巖變形特性的要求[7]。對于高強讓壓錨桿與圍巖的作用關系的研究比較多。高強讓壓錨桿可以改善圍巖的應力分布，使圍巖的應力集中區(qū)域向深部巖體移動，控制圍巖的松動圈和塑性區(qū)的發(fā)展，從而使巷道圍巖的變形量明顯減少，從而可以減小錨桿所承受的荷載，避免錨桿過早地進入屈服，對錨桿支護體系有很好的保護作用[2,8-9]。

以錨桿支護為核心的新奧法的基本原理就是充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力[10]。而屈服錨桿將這一基本原則又進一步應用。本文認為，圍巖應該作為主要的承力結構，而錨桿支護等應該是為配合圍巖承力到達新的平衡狀態(tài)的輔助手段，屈服錨桿就很好地表現(xiàn)了這一基本思想，在它的作用下，圍巖可以有一個較大的變形，在這個變形的過程中，圍巖可以完成自身的應力重分布，從而達到充分發(fā)揮圍巖各部分的承載能力的效果，而不是圍巖應力集中的地方就被破壞。在結構設計中，有一種思想就是利用鋼筋混凝土結構應力重分布，比較典型的是超靜定結構中的梁，當某一截面的鋼筋達到屈服后，就會產生塑性鉸，如果荷載繼續(xù)增加，那么這個截面的彎矩不再增加，而其他截面的彎矩就會相應地增加，這樣就可以使我們在梁的內部均勻布置鋼筋，并可以充分發(fā)揮材料的性能。同樣，在圍巖的支護結構中我們也可以利用這個原理，只不過不是用在支護結構上，而是用在圍巖上，因為圍巖應該作為主要的承力結構，尤其是在高地應力區(qū)域。如果我們有辦法可以改善圍巖的應力集中，將圍巖的應力集中區(qū)域后移至圍巖的彈性區(qū)域，那么整個支護結構的效果就會非常好。

2.4 屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的研究

隨著屈服錨桿的發(fā)展，對于屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的需求越來越迫切，國內有一些學者致力于屈服錨桿的數(shù)值模擬方法的研究，并取得了一些成果：連傳杰等[11]建議了一種考慮高預應力讓壓錨桿錨芯與巖石間剪切破壞作用的三維錨桿計算模型，并開發(fā)了相應的有限元程序。由于采用2節(jié)點三維桿件單元和4節(jié)點三維錨桿單元模擬高預應力讓壓錨桿，使得所建議的模擬方法適用范圍更加廣泛，可以用于錨索模擬、一般錨桿模擬和抗滑樁等樁結構模擬，且能夠很好地模擬高預應力讓壓錨桿的力學特性。江文武等[12]通過用三維快速拉格朗日法進行數(shù)值模擬并與現(xiàn)場試驗結果分析比較得出：三維快速拉格朗日法計算的結果和現(xiàn)場試驗得到的結果基本吻合, 表明采用三維快速拉格朗日法分析錨桿拉拔過程是可行的。

3 屈服錨桿的支護參數(shù)設計研究

為了滿足工程實踐的需要，使得屈服錨桿的設計具有安全性、適用性、經(jīng)濟性，屈服錨桿的參數(shù)設計研究對于將關于屈服錨桿的最新研究成果應用到工程實踐中具有至關重要的作用。所以提出一整套屈服錨桿的設計理論和設計方法用以指導工程實踐應用，是非常急迫的。

對于錨桿數(shù)量的確定，單仁亮等[3]從巷道整體能量平衡出發(fā)，提出了相應的計算公式。在求得圍巖運動釋放的能量后，便可由此公式求得錨桿的根數(shù)。另外，還提出了巷道預留空間的計算方法，提出了錨桿長度和間距的計算公式，推進了錨桿參數(shù)設計的理論研究進程。

對于讓壓點的確定，國內大部分學者都是從錨桿自身出發(fā)，將讓壓點控制在小于使錨桿發(fā)生屈服的荷載的范圍內，本文認為讓壓點的確定與圍巖具有很大的關系，應該充分研究圍巖的彈塑性力學性質，在此基礎上確定讓壓點，然后再根據(jù)讓壓點來確定錨桿的強度要求。

對于最大讓壓距離，連傳杰等[2,13]對讓壓距離與支護強度的關系以及讓壓距離對錨桿支護性能的影響做了深入地探討，為設計最大讓壓距離提供了思路。

4 總 結

經(jīng)過大量的研究與實踐，我國的屈服錨桿支護體系的支護機理有了深層次的發(fā)展，認識水平由之前的強調錨桿的高強度高剛度到現(xiàn)在的讓壓耗能，體現(xiàn)了我國學者對錨桿的認識提升到了能量這一層面上，隨著研究的進一步深入，屈服錨桿的支護參數(shù)設計的理論公式在不久的將來必將會被提出來，從而會大大地促進屈服錨桿的實踐應用和理論研究發(fā)展。

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