陳曉東+李學(xué)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(guò)錨固力的計(jì)算，提出錨固力為多個(gè)載荷中的最小值觀點(diǎn)，在錨固設(shè)計(jì)中需根據(jù)錨固巖土強(qiáng)度進(jìn)行錨固劑、錨桿以及方式的選擇，并分析了各個(gè)要素對(duì)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(jì)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U417.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)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(jì)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(gè)方面：①荷載傳遞方面，進(jìn)行了土層錨桿的極限抗拔力的研究。②防腐技術(shù)方面，對(duì)錨桿的防腐技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)防腐制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。③在高承載力錨固體系的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，主要進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼絞線生產(chǎn)和深大鉆孔技術(shù)的研究。④錨桿的長(zhǎng)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(duì)不同巖性、不同錨固方式、不同粘接劑以及不同的托盤(pán)系統(tǒng)而錨固效果卻差距很大”這個(gè)現(xiàn)象。[1][3]歸根結(jié)底錨固技術(shù)是個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，形成錨固力是一個(gè)錨固體系中眾多要素共同作用的結(jié)果，只有對(duì)眾多要素之間相互作用機(jī)理研究，才能真正地認(rèn)識(shí)錨固技術(shù)。

1 巖土錨固組成

錨固是第三方將兩個(gè)或兩個(gè)以上的錨固對(duì)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(duì)象和被錨固對(duì)象，第三方稱為錨固體，形成一個(gè)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(zhǔn)確說(shuō)是一個(gè)錨固體系，由被錨固對(duì)象、錨固對(duì)象以及錨固體組成。

①被錨固對(duì)象：在人類(lèi)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(qiáng)度減弱，需借助外力才能維持自身平衡部分巖土。實(shí)際上它自身也是一個(gè)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(guò)錨固體將傳遞到錨固對(duì)象，形成力平衡結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)決定了錨固點(diǎn)位置、載荷大小需求以及密度設(shè)置；被錨固對(duì)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(guò)大，導(dǎo)致層間摩擦載荷不足以平衡巖土失穩(wěn)載荷。

②錨固對(duì)象：承載錨固力的巖石，要有形成錨固載荷的強(qiáng)度，同錨固體一起，形成一個(gè)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(gè)單獨(dú)的零件，也可以由多個(gè)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(gè)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(lèi)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(duì)移動(dòng)，其效果主要表現(xiàn)為錨固對(duì)象間的緊密連接程度。其要素分為錨固力無(wú)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(qiáng)度、錨桿拉伸強(qiáng)度、錨桿同錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度、錨固劑抗剪強(qiáng)度、錨固劑同巖土間的粘結(jié)強(qiáng)度。

①錨固力無(wú)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(huì)不穩(wěn)定，需要進(jìn)行錨固；實(shí)際上，巖土是受外界環(huán)境影響的，當(dāng)巖土坡度大于失穩(wěn)角的0.8倍左右時(shí)，巖土就需要進(jìn)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(gè)巖土錨固的設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些參數(shù)只能利用，不能改變。

②錨固段巖土強(qiáng)度。錨固段巖石承載著整個(gè)錨固力，強(qiáng)度是決定錨固力的核心，不會(huì)因?yàn)殄^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(qiáng)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(qiáng)度大小直接影響錨桿直徑的選擇。錨桿拉伸強(qiáng)度的選擇，不僅要考慮錨固力大小、同時(shí)還要考慮錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度，在強(qiáng)度選擇中同錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度相關(guān)性比較大，在選擇錨桿強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)錨固粘結(jié)特點(diǎn)，決定其最佳粘結(jié)長(zhǎng)度，根據(jù)最佳粘結(jié)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及同巖土間的粘結(jié)強(qiáng)度。

1）錨固劑同錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度，是金屬同非金屬物質(zhì)之間的粘結(jié)，首先，粘結(jié)強(qiáng)度最高只有粘結(jié)界面上較弱一方強(qiáng)度的70%-80%，也就是只有錨固劑剪切強(qiáng)度的70%；其次，眾多剪切作用面中面積最??；最后是其特有粘結(jié)長(zhǎng)度特性，在長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布不均，超出相應(yīng)長(zhǎng)度后，其粘結(jié)界面不承擔(dān)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(duì)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(qiáng)度。錨固劑傳遞錨固力，對(duì)錨固載荷起到承上啟下的作用，它對(duì)錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度、巖土的粘結(jié)強(qiáng)度以及自身的剪切強(qiáng)度決定了錨固力載荷。錨固劑在有效厚度內(nèi)可以達(dá)到剪切強(qiáng)度的最大值，超過(guò)這個(gè)厚度后會(huì)大打折扣。

3）錨固劑同巖土間的粘結(jié)強(qiáng)度，同錨桿的粘結(jié)特性一樣，粘結(jié)強(qiáng)度只有粘結(jié)界面上較弱強(qiáng)度一方強(qiáng)度的70%-80%，當(dāng)錨固劑強(qiáng)度小于巖土強(qiáng)度時(shí)，它是錨固劑剪切強(qiáng)度的70%-80%；反之，就只有巖土剪切強(qiáng)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(qiáng)度以及同巖土的粘結(jié)強(qiáng)度都要高，同時(shí)還要有高的剪切強(qiáng)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(duì)錨固對(duì)象巖土強(qiáng)度的利用方式同，利用效果也不相同。

3 錨固力計(jì)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(jì)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(diǎn)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(duì)錨固孔形成的摩擦力以及錨固對(duì)象承載剪切力依次傳遞，其中最弱一項(xiàng)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(qiáng)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(zhǎng)度范圍內(nèi)的粘接強(qiáng)度或摩擦強(qiáng)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(qiáng)度或摩擦強(qiáng)度。

③錨固劑的剪切承載力T：

T=πdLκ（3）

κ—錨固劑剪切強(qiáng)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(zhǎng)度范圍內(nèi)同孔的粘接強(qiáng)度或摩擦強(qiáng)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(duì)象的承載能力F3：

F3=πD摩（L+l）ζ（5）

ζ—巖土的抗剪強(qiáng)度；主要是錨固對(duì)象巖土或巖石的抗剪強(qiáng)度。

⑥整個(gè)錨固點(diǎn)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(xiàng)確定；錨固點(diǎn)確定的情況下，在眾多錨固因素中，巖土強(qiáng)度是不可改變，其余的是可以進(jìn)行選擇的，從而在錨固力不變的情況下，達(dá)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(jì)原則是遇強(qiáng)則強(qiáng)，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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度弱錨固劑；在巖土強(qiáng)度大的情況下，選用粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高的錨固劑，從而達(dá)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(dān)部分錨固力，其最大特點(diǎn)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(dān)錨固力。其最大的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了鋼材的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)、巖土的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)以及孔徑大的優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)。其錨固力計(jì)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(duì)象的承載能力F端：

F端=πD端（L1+l）ζ（9）

④整個(gè)錨固點(diǎn)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(guò)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(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度弱的環(huán)節(jié)，通過(guò)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(dá)到遇弱變強(qiáng)和遇強(qiáng)更強(qiáng)目的。

3.3 錨固力同被錨固對(duì)象的關(guān)系

巖土錨固中，被錨固對(duì)象實(shí)際上也是一個(gè)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(gè)集中載荷，便于錨固體實(shí)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(duì)于低強(qiáng)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(duì)于中等強(qiáng)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(dāng)坡度大于內(nèi)摩擦角時(shí)，巖石的縱向拉伸強(qiáng)度和摩擦力不足以克服重力分力和水壓時(shí)，需要進(jìn)行加固錨固；當(dāng)坡度大于失穩(wěn)角的0.7-0.8倍時(shí)，巖石的內(nèi)摩擦力不足以承擔(dān)重力載荷和水壓，需進(jìn)行點(diǎn)狀錨固，利用巖石自身結(jié)構(gòu)形成加固體。

4 結(jié)束語(yǔ)

①錨固是由眾多元素組成的一個(gè)體系，用系統(tǒng)方法對(duì)錨固進(jìn)行分析；

②錨固力是眾多載荷中最小的一項(xiàng)；

③錨固設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)巖土強(qiáng)度來(lái)選擇錨固劑類(lèi)型、錨桿以及錨固形式，從而達(dá)到最佳配合；

④對(duì)錨固力進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算，得出巖土錨固中各個(gè)要素同錨固力的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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