查文華　王京九　華心祝　劉造保　王澄菡　

摘要：錨桿錨固巖土體后，形成的錨固體單元能否提供足夠的錨固力是整個(gè)錨固工程的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究表明，錨固系統(tǒng)的破壞模式主要表現(xiàn)為錨桿與錨固劑界面和錨固劑與圍巖界面發(fā)生滑脫。總結(jié)了影響錨桿錨固界面力學(xué)特性的因素，分析歸納了錨固界面力學(xué)特征研究領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題。指出合理利用數(shù)值模擬與試驗(yàn)手段并結(jié)合理論分析對(duì)錨固界面的力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，有助于弄清錨桿錨固系統(tǒng)的作用機(jī)理，對(duì)提升錨固工程安全性與穩(wěn)定性有著重大意義。相關(guān)結(jié)論為今后錨桿錨固界面力學(xué)特性的研究提供了方向和參考。

關(guān)鍵詞：錨固界面; 力學(xué)特性; 黏結(jié)強(qiáng)度; 數(shù)值模擬; 理論分析

中圖法分類(lèi)號(hào)： TU476

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.027

0引 言

隨著巖土錨固工程的發(fā)展，錨桿錨固技術(shù)在工程建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色，成為主要加固手段之一。錨桿錨固技術(shù)是指利用錨桿或錨索將荷載傳遞至穩(wěn)定的巖土層中，以此來(lái)加固結(jié)構(gòu)物和地層，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)物或巖土體的穩(wěn)定[1]。巖土錨固工程涉及的工程地質(zhì)條件及工程現(xiàn)場(chǎng)等因素非常復(fù)雜，這使現(xiàn)有的錨固機(jī)制研究和設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)際相比還有很大的差距，不能很好地服務(wù)于實(shí)際工程，對(duì)錨固技術(shù)的合理應(yīng)用和發(fā)展存在不利影響[2]。以往大部分的研究成果和工程實(shí)例表明錨固系統(tǒng)的失效主要是發(fā)生在錨固界面上。因此，錨桿錨固性能研究的關(guān)鍵問(wèn)題是界面黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)該重點(diǎn)研究錨固界面的力學(xué)特性。錨固系統(tǒng)主要是由錨桿桿體、錨固劑和圍巖組成的，其中相鄰的兩類(lèi)介質(zhì)之間分別形成一個(gè)界面。為了表述簡(jiǎn)單，一般把錨桿-錨固劑間的界面稱(chēng)為“第一界面”，將錨固劑-圍巖間的界面稱(chēng)為“第二界面”（見(jiàn)圖1）。以下統(tǒng)一按照“第一界面”和“第二界面”敘述。

總結(jié)歸納國(guó)內(nèi)外研究成果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于錨固段應(yīng)力分布特性的研究多集中在錨桿體受拉拔狀態(tài)下?，F(xiàn)有諸多研究結(jié)果與工程實(shí)際還有一定的差距，主要是因?yàn)檠芯慷际怯屑俣ɑ蚣s束條件的，這也造成關(guān)于錨固體應(yīng)力特征規(guī)律的研究結(jié)論的準(zhǔn)確性以及實(shí)用性較差。因此深入系統(tǒng)研究圍巖與錨桿協(xié)同變形機(jī)理，明確二者耦合作用機(jī)制，使錨桿有效控制圍巖的運(yùn)動(dòng)，對(duì)提升錨固工程的安全穩(wěn)定有著重大意義。

本文從錨桿錨固機(jī)制出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)錨桿錨固系統(tǒng)的失效模式、錨桿錨固性能的影響因素、錨桿錨固界面力學(xué)特性試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算模型以及相關(guān)理論研究進(jìn)行總結(jié)歸納，并對(duì)錨桿錨固界面力學(xué)特征研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探討和展望。

1錨桿錨固系統(tǒng)失效形式

錨固支護(hù)系統(tǒng)是由圍巖、錨桿、錨固劑以及各構(gòu)件組成的一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。錨桿的作用是控制圍巖離層、滑動(dòng)及拉伸、裂紋等不連續(xù)、不協(xié)調(diào)擴(kuò)容變形，保持圍巖完整性和自承能力，避免圍巖強(qiáng)度降低。錨固系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對(duì)對(duì)整個(gè)錨固工程的成敗有著決定性的作用。在實(shí)際工程中，錨固性能受施工工藝和地質(zhì)條件的影響很大，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)的破壞模式很復(fù)雜。弄清錨固破壞的模式是關(guān)鍵，對(duì)于提升巖體錨固工程的安全性和穩(wěn)定性有重大意義[3]。

錨固體單元一般由多種介質(zhì)組成并能夠?yàn)殄^固結(jié)構(gòu)提供一定錨固力。錨桿錨固段的失效會(huì)影響錨固力，以下4種是錨固體破壞失效的主要模式[3-4]（見(jiàn)圖2）。

（1） 錨桿斷裂，如圖2（a）所示。主因是錨桿抗拉強(qiáng)度較低，在軸向拉拔荷載作用下，錨桿在端部出現(xiàn)斷裂。對(duì)于這種失效模式，采用高強(qiáng)度耐腐蝕的錨桿體會(huì)顯著提高錨固體的整體強(qiáng)度。

（2） 錨桿與錨固劑界面滑動(dòng)，如圖2（b）所示。造成這種破壞的主要原因是第一界面的黏結(jié)強(qiáng)度比較小，在受到拉拔荷載時(shí)，破壞首先發(fā)生在此界面上。從已有的研究成果中可發(fā)現(xiàn)第一界面屬于漸進(jìn)性破壞模式，主要表現(xiàn)為破壞最先發(fā)生在錨固段起始段，然后隨著荷載的逐漸增大，破壞慢慢向錨固段的內(nèi)部發(fā)展[5]。

（3） 圍巖體與錨固劑界面滑動(dòng)，如圖2（c）所示。發(fā)生此種破壞的原因是此時(shí)第二界面的黏結(jié)強(qiáng)度比較小，在受到拉拔荷載時(shí)，率先在此界面發(fā)生破壞。由于巖土體與錨固劑在物理化學(xué)性質(zhì)上有很大的差異，二者之間界面的黏結(jié)強(qiáng)度較低，所以巖土體與錨固劑界面是錨固系統(tǒng)中最易遭到破壞的地方，錨固系統(tǒng)的破壞通常發(fā)生在此界面。

（4） 圍巖體破壞，如圖2（d）所示。研究表明在表面錨固型錨桿中較多呈現(xiàn)這種破壞模式。若圍巖體是均質(zhì)且強(qiáng)度較低材料時(shí)，破壞模式呈現(xiàn)漏斗型。

眾多研究成果及實(shí)際工程表明，錨固系統(tǒng)易遭受破壞的是第一界面和第二界面。因此這兩個(gè)界面力學(xué)特性的研究對(duì)于巖土體錨固工程有著重大意義。

2錨固系統(tǒng)中錨桿-錨固劑界面應(yīng)力分布特征

2.1第一界面力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

曾憲明[6]、范俊奇等[7]指出，在不同圍巖強(qiáng)度下錨固界面有極限剪應(yīng)力和零值剪應(yīng)力，且第一界面剪應(yīng)力的變化會(huì)影響第二界面剪應(yīng)力的分布;圍巖強(qiáng)度的變化對(duì)錨固界面的剪應(yīng)力分布影響很大且第一界面的黏結(jié)應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，推導(dǎo)出第一界面剪應(yīng)力分布公式為

τ1x=-1.18KpP0π·d2xd0.18e-Kpxd1.18（1）

式中：x為某點(diǎn)至外荷載作用點(diǎn)的距離，m;Kp為荷載系數(shù)，與外荷載和介質(zhì)強(qiáng)度相關(guān);d為桿體直徑，m;P0為錨桿外荷載，kN。

姚國(guó)強(qiáng)[8]、匡政[9]、馮君等[10]通過(guò)試驗(yàn)得出第一界面的剪應(yīng)力隨錨固長(zhǎng)度的增加，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并提出了有效錨固長(zhǎng)度的概念，當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，界面處的剪切強(qiáng)度基本上是恒定的。

Zhu等[11]通過(guò)研究得出隨拉拔力的增大，剪切應(yīng)力逐漸增大，剪切應(yīng)力與位移呈高度非線性分布?？导t普等[12]在其研究的基礎(chǔ)上得到剪應(yīng)力在拉拔荷載下沿第一界面的分布曲線（見(jiàn)圖3）。拉應(yīng)力較小時(shí)，剪應(yīng)力值開(kāi)始減小并逐漸遠(yuǎn)離錨固起始點(diǎn)（見(jiàn)圖3曲線1）;增大荷載，剪切破壞逐漸向深部發(fā)展（見(jiàn)圖3曲線2）。

Bhargava等[13]提出在腐蝕作用下界面黏結(jié)強(qiáng)度衰減的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。李典慶等[14]利用Bhargava等[13]提出的模型分析錨桿與錨固劑界面黏結(jié)強(qiáng)度的衰減關(guān)系，得到界面黏結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間變化衰減系數(shù)函數(shù)表達(dá)式R（t）為

2.2第一界面力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬作為試驗(yàn)研究輔助手段，可提供試驗(yàn)中難以獲得的信息，有助于理解問(wèn)題的本質(zhì)。

在地震作用下，言志信等[15]指出隨著錨固角的增大，錨固界面上的峰值剪應(yīng)力減小。他利用數(shù)值模擬手段研究了地震作用下邊坡錨固界面的剪應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)今后的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。

楊俊等[16]利用數(shù)值模擬方法研究得到：在不同圍巖性質(zhì)條件下錨桿錨固性能受荷載的影響較大，受錨固長(zhǎng)度影響較小，指出隨著圍巖體彈性模量的增加剪應(yīng)力峰值增大。

趙同彬等[17]利用PFC顆粒流數(shù)值仿真模擬軟件從錨桿界面細(xì)觀力學(xué)的角度進(jìn)行試驗(yàn)。指出剪應(yīng)力在沿桿方向上隨距離的增大呈負(fù)指數(shù)函數(shù)減小;隨著黏結(jié)參數(shù)的變化，錨桿的破壞模式呈現(xiàn)不同類(lèi)型。

2.3第一界面力學(xué)特性的理論研究

宋洋[18]、Zhou[19]等指出增加錨桿長(zhǎng)度可提升錨固性能，但是當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大到一定值后，繼續(xù)增大錨桿長(zhǎng)度并不會(huì)增強(qiáng)錨固性能。錨桿的軸向應(yīng)力沿錨桿長(zhǎng)度的分布呈單峰曲線，剪切應(yīng)力的分布分為正段和負(fù)段，正應(yīng)力曲線的峰值與剪應(yīng)力曲線的零點(diǎn)重合。

Kim[20]、Tremblay[21]、Charlie[22]等指出在荷載作用下界面的黏結(jié)強(qiáng)度首先發(fā)揮作用，隨著荷載的增大，界面黏結(jié)強(qiáng)度小于拉拔荷載，此時(shí)第一界面開(kāi)始出現(xiàn)剪切滑移破壞。在前人研究的基礎(chǔ)上，陳建功等[23]建立了能反映錨桿界面黏結(jié)-軟化-滑動(dòng)力學(xué)特性的剪應(yīng)力-位移非線性本構(gòu)模型，解決了三折線軟化界面模型需要分段分析的問(wèn)題。

3錨固系統(tǒng)中錨固劑-圍巖界面應(yīng)力分布特征

3.1第二界面力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

錨桿拉拔試驗(yàn)較多地用于室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程比較接近。李懷珍[24]、吳潤(rùn)澤[25]、Blanco等[26]通過(guò)研究錨桿錨固長(zhǎng)度這一因素發(fā)現(xiàn)增加錨桿的錨固長(zhǎng)度可提高錨桿的抗拔力，沿錨固長(zhǎng)度剪應(yīng)力的分布呈單峰值曲線，隨著荷載的增大，最大值從靠近孔口處向深部傳遞。

此外，朱玉等[27]繪制了沿錨固長(zhǎng)度分布的剪應(yīng)力曲線（見(jiàn)圖4）。龍照等[28]在總結(jié)分析后推導(dǎo)出計(jì)算錨桿臨界錨固長(zhǎng)度的公式：

lc=5.6～6.2d0Eb/Es（3）

式中：d0為錨固體的半徑;Eb為錨固體的綜合彈性模量;Es為巖土體的剪切模量。

查文華等[29-30]研究了溫度和側(cè)壓兩個(gè)因素對(duì)錨固性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，最大錨固力減小，錨固界面的平均剪切應(yīng)力也減小，錨固界面由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。在?cè)壓系數(shù)變化下，錨桿-錨固層界面脫黏是錨固破壞的主體形式;在側(cè)壓系數(shù)增加到1.3之前，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，錨桿能承受最大荷載增大。

但是這里研究的側(cè)壓是穩(wěn)定加載，后來(lái)吳擁政等[31]研究了沖擊應(yīng)力對(duì)錨固性能的影響，指出在沖擊載荷與靜載聯(lián)合作用下，巷道圍巖節(jié)理、裂隙的擴(kuò)展貫通，強(qiáng)度和完整性弱化，圍巖的損傷破壞造成錨固系統(tǒng)錨固性能（錨固力、預(yù)緊力） 的降低，第二錨固界面黏結(jié)劣化失效。Mortazavi等[32]認(rèn)為在動(dòng)荷載作用下，沒(méi)有足夠的時(shí)間使應(yīng)力通過(guò)錨固界面?zhèn)鬟f到巖體。

3.2第二界面力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用到巖體錨固機(jī)制的分析中。言志信等[33-34]指出錨固劑-圍巖體界面上的剪應(yīng)力比錨桿-錨固劑界面上的剪應(yīng)力小很多，剪應(yīng)力和錨桿軸力分布很不均勻，而且在中性點(diǎn)附近都會(huì)發(fā)生突變。

龍哲等[35]采用interface接觸面單元（見(jiàn)圖5）模擬第一界面的剪切作用，探討錨固界面剪應(yīng)力在簡(jiǎn)諧波影響下的作用機(jī)理，指出錨固劑-圍巖體界面剪應(yīng)力在達(dá)到其極限黏結(jié)強(qiáng)度后出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象，剪應(yīng)力峰值從破壞面向錨桿兩端發(fā)展。

3.3第二界面力學(xué)特性的理論研究

錨固第二界面的理論分析較復(fù)雜，涉及到偶應(yīng)力理論、中性點(diǎn)理論、強(qiáng)度理論、模糊理論、有限差分法以及彈塑性力學(xué)等方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

尤春安[36]將錨固段分為彈性、塑性滑移和脫黏3個(gè)階段，推導(dǎo)出界面應(yīng)力分布的理論解。在彈性狀態(tài)下的剪應(yīng)力分布公式如下：

尤春安[37]指出在拉拔荷載下錨桿所受的峰值剪應(yīng)力是在靠近孔口的位置。剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)為從零迅速增加到峰值隨后慢慢減少并最終趨向于零。段建等[38]在其研究基礎(chǔ)上推導(dǎo)出錨桿單調(diào)荷載與松動(dòng)長(zhǎng)度的內(nèi)在關(guān)系解析式，與尤春安[37]的研究方法相比，其結(jié)果更加貼近于實(shí)際，其推導(dǎo)出的軸力及剪應(yīng)力分布函數(shù)為

吳延峰等[39]利用偶應(yīng)力理論得到拉力型錨桿錨固段界面的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變會(huì)減小，界面附近存在過(guò)渡性區(qū)域。張培勝[40]指出錨桿某一點(diǎn)處的剪應(yīng)力與位移并非一直是線性關(guān)系，而是一個(gè)變剛度的彈塑性關(guān)系，并首次提出特征作用段的概念。黃明華等[41]指出其構(gòu)建的雙指數(shù)曲線剪切滑移模型曲線（見(jiàn)圖6）具有剪應(yīng)力最大值點(diǎn)。

周炳生等[42]、谷拴成等[43]認(rèn)為對(duì)于不同錨固深度的錨固體，其界面的本構(gòu)關(guān)系是不同的，剪應(yīng)力峰值隨深度增加而增大，靠近錨固端的區(qū)域內(nèi)本構(gòu)關(guān)系曲線相差不大。Tipireddy等[44]得出不同埋置長(zhǎng)度和錨固劑厚度下的隨機(jī)剪切應(yīng)力分布機(jī)理，進(jìn)而清楚地界定了失效發(fā)生的機(jī)制。

Ren等[45]基于三線性黏結(jié)滑移模型，指出在錨桿與錨固劑界面存在殘余黏結(jié)強(qiáng)度。此后，Kumar等[46]、Fava等[47]在研究界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)黏結(jié)材料的退化會(huì)導(dǎo)致界面的剛度損失;界面黏結(jié)強(qiáng)度越高，黏結(jié)長(zhǎng)度越短，錨固劑的應(yīng)力增大越大，提出應(yīng)對(duì)可變剛度黏結(jié)界面進(jìn)行更深入的研究。

周世昌等[48]指出剪應(yīng)力的分布隨著拉拔荷載的增大呈現(xiàn)逐漸向遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移的特征，在達(dá)到極限拉拔荷載后，隨著滑移的進(jìn)行，最終穩(wěn)定下來(lái)。Ren[49]、雒億平等[50]指出當(dāng)拉拔荷載超過(guò)臨界滑移值時(shí)，錨固劑-圍巖體界面部分進(jìn)入滑移狀態(tài)，滑動(dòng)破壞先在錨固體端部界面發(fā)生，隨荷載的增大，破壞向錨固體底端發(fā)展。

伍國(guó)軍等[51-52]指出錨固界面產(chǎn)生剪切流變會(huì)致使錨桿的應(yīng)力增大，并使錨桿峰值的位置隨著時(shí)間產(chǎn)生改變并有向錨根移動(dòng)的趨勢(shì)。隨著剪切時(shí)間的增加，錨桿軸向應(yīng)變值有一定的增加，錨固力會(huì)出現(xiàn)緩慢回升的現(xiàn)象。

劉紅軍等[53]指出在最小勢(shì)能約束條件下，錨桿的p-l曲線呈類(lèi)正弦波態(tài)勢(shì)，有明顯的駐點(diǎn)。黃明華等[54]認(rèn)為錨固界面的極限狀態(tài)可分為正常使用臨界狀態(tài)和承載能力臨界狀態(tài)。周浩等[55]指出錨固體上應(yīng)力分布與中性點(diǎn)理論相符合，在該點(diǎn)處的軸向力最大，剪應(yīng)力大小為0，錨固體軸向力分布特征為單峰值曲線。

谷拴成等[56]、黃明華等[57]在研究離層對(duì)錨固性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同離層值條件下，錨桿中心處應(yīng)力最小，越靠近邊緣離層產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大，離層位置和錨固體的軸力、剪應(yīng)力呈非線性關(guān)系。錨桿軸力和界面剪應(yīng)力都表現(xiàn)出明顯的非線性特征，且兩者都隨離層的進(jìn)一步發(fā)展向兩端傳遞。

4新型錨桿錨固界面力學(xué)特性

隨著巖土錨固技術(shù)的進(jìn)展，錨桿從最為常見(jiàn)的拉力型錨桿，發(fā)展出壓力分散型錨桿、拉力分散型錨桿、拉壓分散型錨桿，這些新型錨固技術(shù)對(duì)于巖土錨固技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

4.1壓力分散型錨桿

在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，賈金青[58]推導(dǎo)了壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨桿的受力傳遞公式解析解，指出巖土體彈性模量和內(nèi)摩擦角越大，有效錨固長(zhǎng)度越小，峰值剪應(yīng)力越大，軸力衰減越快，剪應(yīng)力和軸力的分布越集中。壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨桿可以通過(guò)對(duì)各個(gè)承載體作用下的剪應(yīng)力和軸力疊加得到：

管昕昉[59]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方式，對(duì)壓力分散型錨桿進(jìn)行了研究。指出在拉拔荷載作用下，壓力分散型錨桿的剪應(yīng)力最大值分別在兩個(gè)承載體附近出現(xiàn)，其中底端承載體的剪應(yīng)力峰值比另一承載體處的要更大一些。壓力分散型錨桿的剪應(yīng)力峰值得到大幅度降低，且剪應(yīng)力更趨于均勻分布，壓力分散型錨桿越穩(wěn)定不易失效。

4.2拉力分散型錨桿

尤春安[60]認(rèn)為錨固段的剪應(yīng)力是由每一錨固段剪應(yīng)力疊加組成的，且預(yù)應(yīng)力張拉方式對(duì)拉力分散型錨桿的剪應(yīng)力分布有較大的影響。如分組（循環(huán)）張拉、單組循環(huán)張拉或整體張拉對(duì)錨固段的應(yīng)力分布有很大的影響?？偧魬?yīng)力分布等于各段剪應(yīng)力分布的疊加，而不會(huì)只是集中于錨固段前端，故拉力分散型錨桿的最大剪應(yīng)力是普通拉力型錨桿最大剪應(yīng)力的1/N（N為分散錨固段的組數(shù)）。

江賢鋒[61]以實(shí)際工程為例，分析了拉力分散型錨桿的受力機(jī)理，指出拉力分散型錨桿剪應(yīng)力分布均勻，蠕變變形量小，大大降低了應(yīng)力集中現(xiàn)象。拉力分散型錨桿承載力與錨固段長(zhǎng)度成比例增長(zhǎng)，同等錨固長(zhǎng)度，承載力比普通拉力型錨桿可提高 30%以上。

4.3拉壓分散型錨桿

何錦芳[62]通過(guò)對(duì)拉壓復(fù)合型錨桿的承載性能開(kāi)展模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及簡(jiǎn)化理論分析，指出當(dāng)錨桿受拉時(shí)，外荷載能夠通過(guò)承壓板同時(shí)向兩端傳遞，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，受拉錨固段與承壓錨固段協(xié)同承擔(dān)荷載，極限抗拔承載力明顯提高。拉壓復(fù)合型錨桿受拉錨固段上剪應(yīng)力近似呈線性減小的分布規(guī)律，且在受拉錨固段端頭處最大，并推導(dǎo)出承載比N的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

江賢鋒[61]以實(shí)際工程為例，分析了拉力分散型錨桿的受力機(jī)理，指出拉力分散型錨桿剪應(yīng)力分布均勻，蠕變變形量小，大大降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。拉力分散型錨桿承載力與錨固段長(zhǎng)度成比例增長(zhǎng)，同等錨固長(zhǎng)度，承載力比普通拉力型錨桿可提高 30%以上。

5展 望

總結(jié)概括國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于錨桿錨固界面力學(xué)特性研究所取得的成果不難發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)關(guān)于錨固界面應(yīng)力分布與變化方面的研究有了一定突破，未來(lái)有望在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

（1） 圍巖與錨桿相互作用機(jī)理目前還未完全研究清楚，深入系統(tǒng)研究圍巖與錨桿協(xié)同變形機(jī)理，明確二者耦合作用機(jī)制，對(duì)提高錨固工程安全性與穩(wěn)定性有著重大意義。

（2） 錨固界面的剪應(yīng)力與剪切位移之間關(guān)系模型的合理構(gòu)建以及相關(guān)參數(shù)的選取都對(duì)錨桿臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算有很大的影響，而現(xiàn)有的研究在模型的構(gòu)建和相關(guān)參數(shù)的選取上還比較模糊，在此方面需進(jìn)行更深層次的研究。

（3） 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)錨固界面在發(fā)生破壞時(shí)會(huì)存在剪脹效應(yīng)，但是這并沒(méi)有得到大多數(shù)研究人員的重視，已有研究并不能很好地解釋和描述這種現(xiàn)象，因此應(yīng)盡快明確此效應(yīng)的作用機(jī)理。

（4） 目前關(guān)于錨固體長(zhǎng)期力學(xué)行為的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究比較少見(jiàn)。應(yīng)多開(kāi)展考慮時(shí)間效應(yīng)的錨固性能試驗(yàn)以及錨固界面力學(xué)特征研究。

（5） 錨桿在實(shí)際工程荷載作用下會(huì)產(chǎn)生塑性強(qiáng)化。已有的研究基本都是假設(shè)錨桿為理想的彈塑性材料，顯然，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際有很大差別。如何準(zhǔn)確構(gòu)建相關(guān)本構(gòu)模型來(lái)描述錨桿塑性強(qiáng)化階段的力學(xué)特性尤為重要。

（6） 現(xiàn)有的新型錨桿的錨固性能較傳統(tǒng)錨桿有所改善，但是對(duì)于其錨固機(jī)理的研究需要進(jìn)行深入探討。

（7） 外部環(huán)境的變化如地震、山洪、水流等自然災(zāi)害的沖擊以及瓦斯爆炸、巖爆等都會(huì)對(duì)巖體錨固工程產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。而相關(guān)研究還不夠充分，開(kāi)發(fā)錨桿支護(hù)新產(chǎn)品、新材料、新工藝等是充分發(fā)揮錨桿錨固主動(dòng)作用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

（8） 錨桿錨固巖土體后，巖體的內(nèi)摩擦角、黏聚力、彈性模量以及滲透系數(shù)都會(huì)受到影響。而且在高溫、高壓、高地應(yīng)力的深部礦井，加錨物理效應(yīng)更加明顯。現(xiàn)有的對(duì)于加錨物理效應(yīng)的研究還只是停留在認(rèn)識(shí)層面，如何準(zhǔn)確定量地描述這一復(fù)雜效應(yīng)需要深入研究。

（9） 對(duì)于采礦領(lǐng)域，受地下空間、錨桿施工工藝等多因素的限制，應(yīng)力分散型錨固方式無(wú)法應(yīng)用于采礦巷道單孔錨桿錨固支護(hù)。為適應(yīng)我國(guó)煤礦復(fù)雜條件下的圍巖變形特征，減少錨固端應(yīng)力集中，提高錨固體的極限承載力，增強(qiáng)錨固體的抗剪變形能力，適應(yīng)圍巖大變形，改善錨固支護(hù)效果，相關(guān)的抗剪大變形錨桿的研制與其錨固工程力學(xué)特性的研究是未來(lái)需要解決的主要問(wèn)題。

6結(jié) 論

本文對(duì)錨桿錨固性能及界面力學(xué)特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的梳理和總結(jié)，系統(tǒng)分析了錨桿錨固系統(tǒng)的失效形式、第一界面以及第二界面上的力學(xué)特性、存在的問(wèn)題和今后的研究重點(diǎn)，結(jié)論如下。

（1） 錨桿錨固系統(tǒng)的失效形式多種多樣，其中錨桿-錨固劑和錨固劑-圍巖界面較易受到破壞，這兩個(gè)界面的力學(xué)特性是研究的重點(diǎn)。

（2） 不同圍巖強(qiáng)度條件下下，錨固界面有極限剪應(yīng)力和零值剪應(yīng)力，且第一界面剪應(yīng)力的變化會(huì)影響第二界面剪應(yīng)力的分布;圍巖強(qiáng)度的變化對(duì)錨固界面的剪應(yīng)力分布影響很大，且第一界面的黏結(jié)應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。

（3） 在地震作用下，隨著錨固角的增大，錨固界面上的峰值剪應(yīng)力減小，邊坡永久位移增大;當(dāng)錨桿在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的長(zhǎng)度相等時(shí)，錨桿界面的錨固作用最大化;當(dāng)錨桿豎向間距減小，峰值剪應(yīng)力和邊坡永久位移均減小;隨錨桿和錨孔直徑的增大，峰值剪應(yīng)力和邊坡永久位移總體呈減小的趨勢(shì)。

（4） 錨桿-錨固劑界面上的剪應(yīng)力并不是平均分布，沿錨固長(zhǎng)度單峰值曲線變化表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律;隨著錨固劑強(qiáng)度及穩(wěn)定性不斷提高，可以明顯提升錨桿的錨固力，能夠確保該界面不發(fā)生剪切破壞。

（5） 在單一荷載下，錨固系統(tǒng)存在臨界錨固長(zhǎng)度。隨著荷載的提高，最大剪應(yīng)力從孔口附近處向深部移動(dòng)。錨固界面的剪應(yīng)力在沿桿體方向和徑向上衰減，呈非平均分布。

（6） 錨固段的剪應(yīng)力是由每一錨固段剪應(yīng)力的疊加組成的，而且錨桿某一點(diǎn)處的剪應(yīng)力與位移并非一直是線性關(guān)系，而是一個(gè)變剛度的彈塑性關(guān)系，并存在特征作用段。

（7） 在相同離層值條件下，錨桿中心處應(yīng)力最小，越靠近邊緣離層產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大，離層位置和錨固體的軸力、剪應(yīng)力呈非線性關(guān)系。

（8） 目前在錨固研究中運(yùn)用比較多的是數(shù)值模擬方法。FLAC 3D、ANSYS以及ABAQUS等數(shù)值模擬軟件的不斷更新發(fā)展，為研究人員提供了更多的研究手段，可以選擇內(nèi)置的本構(gòu)模型或者根據(jù)具體研究問(wèn)題重新構(gòu)建本構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)。對(duì)于自定義本構(gòu)模型的情況，研究人員應(yīng)規(guī)范其使用的范圍，編寫(xiě)正確的接口程序。 充分利用好數(shù)值模擬方法，使其在研究錨固界面力學(xué)特性問(wèn)題中發(fā)揮最大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程良奎，范景倫.巖土錨固[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.1-10.

[2]張樂(lè)文，汪稔.巖土錨固理論研究之現(xiàn)狀[J].巖土力學(xué)，2002，23（5）：627-631.

[3]劉泉聲，雷廣峰，彭星新.深部裂隙巖體錨固機(jī)制研究進(jìn)展與思考[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（2）：312-332.

[4]尤春安，戰(zhàn)玉寶.預(yù)應(yīng)力錨索錨固段界面滑移的細(xì)觀力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，28（10）：1976-1985.

[5]何永.不同加載速率下錨固體系中砂漿巖石界面力學(xué)性能研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2018.

[6]曾憲明，范俊奇，李世民.錨固類(lèi)結(jié)構(gòu)界面剪應(yīng)力相互作用關(guān)系試驗(yàn)研究[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008（3）：22-27.

[7]范俊奇，董宏曉，高永紅，等.全長(zhǎng)注漿錨桿錨固段剪應(yīng)力分布特征試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2014，29（2）：250-256.

[8]姚國(guó)強(qiáng)，言志信，龍哲，等.巖質(zhì)邊坡錨固界面剪應(yīng)力分布的模擬試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2018，35（10）：34-41.

[9]匡政，張明義，白曉宇，等.風(fēng)化巖地基GFRP抗浮錨桿力學(xué)與變形特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（10）：1882-1892.

[10]馮君，王洋，張俞峰，等.BFRP與鋼筋錨桿錨固性能現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2019（11）：1-9.

[11]ZHU H H，YIN J H，ALBERT T，et al.Field pullout testing and performance evaluation of GFRP soil nails[J].Canadian Metallurgical Quarterly，2011，137（7）：633-642.

[12]康紅普，崔千里，胡濱，等.樹(shù)脂錨桿錨固性能及影響因素分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（1）：1-10.

[13]BHARGAVA K，GHOSH A K，MORI Y，et al.Models for corrosion-induced bond strength degradation in reinforced concrete[J].Aci Materials Journal，2007，104（6）：594-603.

[14]李典慶，蔣水華，張利民，等.考慮錨桿腐蝕作用的巖質(zhì)邊坡系統(tǒng)可靠度分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（6）：1137-1144.

[15]言志信，龍哲，周小亮，等.錨固參數(shù)對(duì)地震作用下巖質(zhì)邊坡錨固界面剪切作用影響的數(shù)值分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017，42（10）：2537-2544.

[16]楊俊，張毅，張英實(shí)，等.圍巖性質(zhì)對(duì)樹(shù)脂錨桿錨固性能影響的研究[J].煤炭技術(shù)，2018，37（4）：35-38.

[17]趙同彬，尹延春，譚云亮，等.錨桿界面力學(xué)試驗(yàn)及剪應(yīng)力傳遞規(guī)律細(xì)觀模擬分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（2）：220-224.

[18]宋洋，王賀平，許懷玉，等.全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿錨漿界面應(yīng)力的分布規(guī)律[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），2019，41（4）：44-50.

[19]ZHOU H，XIAO M，CHEN J T.Analysis of an umerical simulation method of fully grouted and anti-seismic support bolts in underground geotechnical engineering[J].Computers and Geotechnics，2016，76：61-74.

[20]KIM T S，SIM B K，LEE K S，et al.The effect of pressurized grouting on pullout resistance and the group effect of compression ground anchor[J].Journal of the Korean Geotechnical Society，2010，26（6）：5-19.

[21]TREMBLAY P，LACEYJ R W，LECONTE R.The impact of grain orientation and pebble surface roughness on the bond strength of simulated anchor ice[J].Cold Regions Science and Technology，2013，96（3）：36-44.

[22]CHARLIE C.Analysis of inflatable rock bolts[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49（1）：273-289.

[23]陳建功，陳曉東.基于小波函數(shù)的錨桿拉拔全過(guò)程分析[J].巖土力學(xué)，2019（12）：1-8.

[24]李懷珍，李學(xué)華，種照輝，等.煤巖錨固系統(tǒng)滑移脫黏試驗(yàn)研究與力學(xué)性能分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34（6）：1088-1093.

[25]BLANCO M L，HADJ-HASSEN F，TIJANI M.A new experimental and analytical study of fully grouted rockbolts[C]∥Proceedings of the 45th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium，San Francisco，2011：1-70.

[26]吳潤(rùn)澤，劉元雪，張?jiān)?，?考慮剪切-滑移剛度變化的纖維筋錨桿錨固性能的能量算法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（6）：1504-1513.

[27]朱玉，衛(wèi)軍，廖朝華.確定預(yù)應(yīng)力錨索錨固長(zhǎng)度的復(fù)合冪函數(shù)模型法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（8）：60-63.

[28]龍照，趙明華，張恩祥，等.錨桿臨界錨固長(zhǎng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].巖土力學(xué)，2010，31（9）：2991-2995.

[29]ZHA W H，LIU Z B.Experimental study of temperature effect on binding properties of resin anchors[J].Springer Series in Geomechanics and Geoengineering，2018，2（1）：1090-1093.

[30]查文華，王小坡，石崇，等.不同側(cè)壓系數(shù)下錨固力變化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（增2）：3141-3145.

[31]吳擁政，陳金宇，焦建康，等.沖擊載荷作用下錨固圍巖損傷破壞機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，43（9）：27-35.

[32]MORTAZAVI A，TABATABAEIALAVI F.A numerical study of the behavior of fully grouted rockbolts under dynamic loading[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2013，54：66-72.

[33]言志信，龍哲，屈文瑞，等.地震作用下含軟弱層巖體邊坡錨固界面剪切作用分析[J].巖土力學(xué)，2019（7）：1-9.

[34]言志信，李亞鵬，龍哲，等.地震作用下含軟弱層錨固巖質(zhì)邊坡界面剪切作用[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（11）：910-916.

[35]龍哲，言志信，周小亮.地震作用下巖體邊坡錨固界面剪切作用數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2017，47（10）：1049-1056.

[36]尤春安，戰(zhàn)玉寶，劉秋媛，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的剪滯-脫黏模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（4）：800-806.

[37]尤春安.全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿的受力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（3）：339-339.

[38]段建，言志信，郭銳劍，等.土層錨桿拉拔界面松動(dòng)破壞分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（5）：936-941.

[39]吳延峰，張敦福，張波，等.拉力型錨桿錨固界面剪應(yīng)力分布偶應(yīng)力理論分析[J].巖土力學(xué)，2013，34（增1）：187-191，227.

[40]張培勝，陰可.拉力型錨桿錨固段傳力機(jī)理的全過(guò)程分析方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（4）：716-723.

[41]黃明華，李嘉成，趙明華，等.巖體離層作用下錨桿受力特性全歷程分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（9）：2177-2184.

[42]周炳生，王保田，梁傳揚(yáng)，等.全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿錨固段荷載傳遞特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（2）：3774-3780.

[43]谷拴成，陳弦，葉根飛.考慮孔壁界面剪切滑移錨桿錨固段應(yīng)力分布[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2010，30（2）：34-36，93.

[44]TIPIREDDY R，KUMAR S.Spatially-degraded adhesive anchors under material uncertainty[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2017，76：61-69.

[45]REN F F，YANG Z J，CHEN J F，et al.An analytical analysis of the full-range behavior of grouted rock bolts based on a tri-linear bond-slip model[J].Construction and Building Materials，2010，24（2）：361-370.

[46]KUMAR S，KHAN M A.A Shear-lag model for functionally graded adhesive anchors[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2016，68：317-325.

[47]FAVA G，CARVELLI V，PISANI M A.Remarks on bond of GFRP rebars and concrete[J].Composites Part B Engineering，2016，93：210-220.

[48]周世昌，朱萬(wàn)成，于水生.基于雙指數(shù)剪切滑移模型的全長(zhǎng)錨固錨桿荷載傳遞機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（增2）：20-28.

[49]REN F F，YANG Z J，CHEN J F，et al.An analytical analysis of the full-range behaviour of grouted rockbolts based on a tri-linear bond-slip model[J].Construction and Building Materials，2010，24（3）：361-370.

[50]雒億平，史盛，言志信.抗拔荷載作用下錨固體與巖土體界面剪切作用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（1）：58-64.

[51]伍國(guó)軍，陳衛(wèi)忠，賈善坡，等.巖石錨固界面剪切流變?cè)囼?yàn)及模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（3）：520-527.

[52]伍國(guó)軍，褚以惇，陳衛(wèi)忠，等.地下工程錨固界面力學(xué)模型及其時(shí)效性研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（1）：237-244.

[53]劉紅軍，李洪江.基于能量法的錨桿失效模糊判別方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（8）：1435-1441.

[54]黃明華，趙明華，陳昌富.錨固長(zhǎng)度對(duì)錨桿受力影響分析及其臨界值計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2018，39（11）：4033-4041，4062.

[55]周浩，肖明，陳俊濤.大型地下洞室全長(zhǎng)黏結(jié)式巖石錨桿錨固機(jī)制研究及錨固效應(yīng)分析[J].巖土力學(xué)，2016，37（5）：1503-1511.

[56]谷拴成，丁瀟.巷道頂板離層對(duì)錨桿載荷影響的彈性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（6）：33-36.

[57]黃明華，周智，歐進(jìn)萍.拉力型錨桿錨固段拉拔受力的非線性全歷程分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（11）：2190-2199.

[58]賈金青，涂兵雄，王海濤，等.壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)機(jī)理研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（9）：1320-1325.

[59]管昕昉.壓力分散型錨桿工作機(jī)理的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2018.

[60]尤春安，戰(zhàn)玉寶.預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律及分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（6）：925-928.

[61]江賢鋒.拉力分散型錨桿在北京耀輝國(guó)際城基坑支護(hù)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[62]何錦芳.新型拉壓復(fù)合型錨桿承載性能理論與試驗(yàn)研究[D].廈門(mén)：華僑大學(xué)，2019.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：After anchoring rock and soil with anchor rod，whether the anchoring solid unit can provide enough anchoring force is the key of the whole anchoring project.The existing research shows that the failure mode of an anchoring system is mainly occurring at the interface between bolt and anchoring agent and the interface between anchoring agent and surrounding rock，which are the vulnerable link in the anchoring system.This paper summarized the factors that affect the interfacial mechanical properties of anchorage bolt and analyzed the main problems in this research field.It was pointed out that the rational use of numerical simulation and combination of test methods and theoretical analysis was helpful to understanding the mechanism of anchorage system and had great significance to improving the safety and stability of anchorage engineering.It provided the direction and reference for the future research on the mechanical properties of anchor bolt interface.

Key words：anchoring interface;mechanical property;adhesive strength;numerical simulation;theoretical analysis