摘要：本文對錨桿的類型、發(fā)展作了簡單的介紹，并對國內(nèi)外錨桿支護技術(shù)理論，錨桿支護作用機理進行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了錨桿支護研究中存在的不足及以后研究的方向。
引言
錨桿支護技術(shù)始于國外，是維護圍巖穩(wěn)定的支護技術(shù)[1]。1872年英國北威爾士露天頁巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡。19世紀初期美國首先將錨桿支護用于礦山建設(shè)。1934年阿爾及利亞的Cheurfas大壩的加高工程首次采用10000kN級預(yù)應(yīng)力錨桿作為抗傾覆錨固，這是世界上第一例采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固壩體，并獲得成功。50年代初，瑞典生產(chǎn)出高效的噴漿機，隨著速凝劑的出現(xiàn)錨噴支護在全世界迅速推廣。
1錨桿支護的發(fā)展
當前錨桿錨固技術(shù)以其技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、質(zhì)量可靠等優(yōu)點正在隧道巖體支護中廣泛應(yīng)用并且發(fā)展迅速。美國、澳大利亞的礦井巷道支護中，錨桿支護占90%以上。錨桿錨固技術(shù)合理地調(diào)動巖體的自身強度和自承載能力改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)。
1.1錨桿支護
錨桿支護通常與剛帶、網(wǎng)、混凝土等共同作用對巖體進行加固。我國煤礦1955年開始試用錨桿。當時的錨桿只起懸吊作用，被動承載而不與圍巖共同作用，效果不理想。借鑒國外技術(shù)經(jīng)驗，加上我國技術(shù)人員科技研究，錨帶網(wǎng)和錨梁網(wǎng)等支護方法在現(xiàn)場得到了大量的應(yīng)用，支護效果顯著增強。這時錨桿不僅起到懸吊作用，更重要的是起到組合拱或組合梁作用。目前有各種各樣的錨桿支護系統(tǒng)，例如錨桿帶網(wǎng)、錨桿帶剛帶、錨桿帶梁、錨桿桁架及其多種組合廣泛地用于各種工程中。
1.2錨桿的分類
目前錨桿的種類很多，幾十乃至上百種。分類目前沒有統(tǒng)一標準。按照錨桿與巖體錨固方式可將其劃分為機械式、粘結(jié)式、和摩擦式；按桿體材料又分為木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、聚酯錨桿；按照錨固長度劃分可分集中錨固類錨桿和全長錨固類錨桿；按錨固體傳力方式分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿；按錨固體形態(tài)分為圓柱型錨桿、端部擴大型錨桿和連續(xù)球型錨桿等。
我國最早應(yīng)用于礦山建設(shè)的是木錨桿和竹錨桿，其價格低廉取材廣泛，但其錨固力較小，在工程中起到的作用不是很明顯。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，金屬錨桿已逐漸將其取代。在眾多錨桿中預(yù)應(yīng)力錨桿是應(yīng)用較廣泛的一種錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿是在安裝錨桿時給錨桿施加相當量的預(yù)應(yīng)力，這樣的作用能有效地阻止圍巖的開裂、滑移和弱化。不僅消除了錨桿的初始滑移量，而且還能給圍巖施加一定的預(yù)壓應(yīng)力，提高圍巖抗剪切能力和抗拉能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，新工藝的進步，現(xiàn)在的錨桿不但錨固力符合工程的需要，其設(shè)計逐漸更符合優(yōu)化的要求，象德國的可伸長的讓壓性錨桿[2]、俄羅斯的桿體彎曲型可延伸錨桿，可回收錨桿及抗腐蝕性、重量輕、可切割的塑料錨桿[3]等等，它們廣泛用于生產(chǎn)建設(shè)，在支護強化領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用。
2錨桿支護技術(shù)理論的發(fā)展
錨桿和巖體之間的相互作用機理非常復(fù)雜，很難通過力學(xué)和數(shù)學(xué)模型進行準確模擬[4]，，，國內(nèi)外很多學(xué)者對錨桿作用機理做了大量的深入研究與探討，揭示了錨桿支護的機理。
2.1國外的錨桿支護技術(shù)理論
(1)組合拱理論
組合拱理論是蘭氏(T·A·Lang)和彭德(Pender)提出的。在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，在桿體兩端將形成圓錐體形式分布的壓應(yīng)力。如圖1。如果按照一定規(guī)律布置一系列錨桿，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將交錯重疊，形成一個防止破裂區(qū)擴展的承壓拱（組合拱），這個承壓拱可承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載，能阻止不穩(wěn)定巖石的滑移，促使巖石之間的間隙面壓緊[5]。承壓拱厚度W可按（1）式近似計算，即
W＝L-S（1）
式中：W—承壓拱厚度；L—錨桿長度；S—錨桿間排距
錨桿支護力最大值[1]可由下式確定：（2）
如果考慮剪切滑移，錨桿提供最大支護力為：
?。?）
式中：—破壞剪切角；—巖石滑移線最大傾角；—錨桿的錨固力；
—錨桿排距；—錨桿間距；
英國與澳大利亞等國家的錨桿支護設(shè)計傾向于此理論。
(2)懸吊理論
1952年路易斯阿·帕內(nèi)科(LouisA·Panek)等發(fā)表了懸吊理論。該理論認為把由于開挖、爆破等造成的松動巖塊穩(wěn)固(懸吊)在穩(wěn)定巖層上，防止破碎巖塊的冒落，在堅硬節(jié)理發(fā)育的巖塊處，錨桿通常起這種作用。錨桿長度可按下式確定，即
L＝L1+L2+L3（4）
式中：L1：錨桿外露長度(一般取0.15m)；L2：錨桿有效長度；
L3：錨桿錨固長度(一般取0.3～0.4m)；
錨桿有長度的確定：①當直接頂需要懸吊而它們的范圍易于劃定時，應(yīng)大于等于直接頂?shù)暮穸?。②當通過實測已確定圍巖松動圈范圍時，應(yīng)大于等于松動圈（即破碎帶或冒落帶）的高度。錨桿直徑按桿體承載力與錨固力等強度原則確定，即
(5)
式中：—錨桿的錨固力(由拉拔試驗確定)；—錨桿桿體材料的抗拉強度；
(3)組合梁理論
1952年德國Jacobio等發(fā)表了組合梁作用理論，其實質(zhì)是通過錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊，增大層間的摩擦力，同時錨桿的抗剪能力也阻止層間錯動，從而將疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁。在美國，由于其巷道埋深較淺、巖層強度高且地應(yīng)力比較低，此理論的應(yīng)用較多。
(4)加固補強
該理論認為，對于節(jié)理密集破碎巖體或是較為軟弱的土體，施加錨桿可使破碎巖體具有完整性，在軟弱土體中增加筋骨，從而增強錨固區(qū)圍巖土體的強度(如彈性模量E，粘聚力c)。
(5)銷釘理論
銷釘作用表現(xiàn)為兩方面：①利用錨桿將不穩(wěn)定塊體釘?shù)缴畈糠€(wěn)定的圍巖上。②軟巖洞室圍巖常發(fā)生壓剪破壞，破壞了的巖體將沿最不利的滑移面滑動。如沿洞室周邊徑向布置錨桿，由于錨桿與滑移面斜交，錨桿就會起到防剪抗滑作用。
2.2國內(nèi)的錨桿支護技術(shù)理論
(1)全長錨固中性點理論 全長錨固中性點理論由東北大學(xué)王明恕教授提出。該理論認為在靠近巖石壁面部分(錨桿尾部)，錨桿阻止圍巖向壁面變形，剪力指向壁面。在圍巖深處(錨桿頭部)，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動。錨桿上的剪力指向相背的分界點，稱為中性點，該點處剪應(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力為最大。由中性點向錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減少。這個理論存在著一定的價值。但是它難以解釋錨桿尾部的斷裂機理。
(2)松動圈理論
將圍巖中產(chǎn)生的松弛破碎帶定義為圍巖松動圈。圍巖松動圈支護理論是由中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授在對圍巖狀態(tài)進行深入研究后提出的。松動圈理論是現(xiàn)有支護條件下，試圖采用支護手段阻止圍巖的松動破動是不可能的。松動圈越大，收斂變形越大，支護就愈困難。因此松動圈理論認為，支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。該理論的優(yōu)點是簡單、直觀，對中小松動圈有極重要價值，但對大松動圈尤其是高應(yīng)力軟巖以及采準巷道，實踐表明，該理論有一定的局限性。
(3)圍巖強度強化理論
其要點是：①錨桿加固圍巖的實質(zhì)是改變了巷道圍巖的受力狀況，增加了圍壓，從而提高了巖石的力學(xué)參數(shù)（δ、E、C、），改善被錨固巖體的力學(xué)性能；②巷道圍巖存在著破碎區(qū)（松動區(qū)）、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的巖體的峰值強度或峰后強度、殘余強度都能得到強化；③能較好地控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而更有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。
(4)錨固平衡拱理論
該理論認為，錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果。但在圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著作用。在洞室周圍，錨桿與其錨固范圍內(nèi)的巖石構(gòu)成一種錨固支護體。當這個錨固體中的巖石在圍巖集中應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時，其承載力降低并產(chǎn)生變形，同時圍巖的集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，使錨固體卸載。在這個過程中，錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動的巖石構(gòu)成具有一定承載力和適應(yīng)自身變形卸載的錨固平衡拱。
這些理論在生產(chǎn)實踐中起到了積極的作用，有效的指導(dǎo)了工程實踐。在這些理論中，其多數(shù)是以定性的方法進行分析，還不能滿足工程建設(shè)與應(yīng)用研究。其對巖土錨桿的傳力機制也只是定性描述，錨桿加固機理、錨桿的長期工作性能也沒有統(tǒng)一的認識，另外在變化的荷載等條件下錨桿的性能還有待于研究。
3錨桿支護的設(shè)計
在我國，錨桿支護設(shè)計及參數(shù)選主要依靠經(jīng)驗與實驗的方法。當?shù)刭|(zhì)條件簡單、圍巖穩(wěn)定時，直接采用工程類比法確定錨桿支護參數(shù)，再用懸吊理論、組合拱理論或松動圈理論加以校核即可。當?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時，采用試驗方法確定錨桿支護形式和支護參數(shù)，一般先進行室內(nèi)模擬實驗，再進行工業(yè)性試驗錨桿。
目前，支護設(shè)計方法有以下幾種。專家系統(tǒng)設(shè)計法它是工程類比法的發(fā)展，但由于是建立在眾多專家知識和大量的經(jīng)過實踐檢驗行之有效的經(jīng)驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，因而支護設(shè)計的可靠性和合理性大為提高。理論設(shè)計法是建立在錨桿支護力學(xué)分析與模擬計算的基礎(chǔ)上，需要預(yù)先測試圍巖力學(xué)參數(shù)，并進行系統(tǒng)的錨桿支護作用機理和圍巖變形機理研究，才能成為指導(dǎo)圍巖控制實踐的科學(xué)方法。實測設(shè)計法又稱現(xiàn)場監(jiān)測法，是由澳大利亞和英國先后發(fā)展起來的，該設(shè)計法從地質(zhì)評估開始，先進行初始設(shè)計，然后通過對錨桿的現(xiàn)場特征、巖體特征及巷道在加固條件下特征的詳細監(jiān)測驗證設(shè)計，最后確定錨桿加固系統(tǒng)，并繼續(xù)進行日常監(jiān)測。圍巖松動圈設(shè)計法該方法含有專家系統(tǒng)設(shè)計法和現(xiàn)場實測設(shè)計法的內(nèi)涵，簡單直觀，易為現(xiàn)場工程技術(shù)人員所接受，且對巖巷有著良好的適應(yīng)性，但對煤巷尤其是動壓煤巷的適應(yīng)性仍有待深入研究，故圍巖松動圈支護理論與設(shè)計方法也是今后發(fā)錨桿支護技術(shù)發(fā)展前景與制約因素展的重要方向。
在現(xiàn)有的地下工程支護加固設(shè)計中，由于諸多未知參數(shù)難以確定，且地質(zhì)因素復(fù)雜，現(xiàn)在仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上，沒有到把錨固支護看作一個整體系統(tǒng)來作研究設(shè)計。這事必造成一些不合理因素。這種研究是今后的方向，應(yīng)該說這是一套切實有效的方法。它可以克服過去單一重視錨桿本身行為的弊端，從而可以充分發(fā)揮系統(tǒng)各要素的功能，以使系統(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)。在歐美一些國外對這個已有所研究，并取得了一定的進展。
4結(jié)束語
錨桿支護方法發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年的歷史，其無論在工業(yè)民用建筑、隧道橋梁、礦山建設(shè)還是在高陡邊坡、大型地下洞室、大型弧門閘墩、大壩及壩基各類建筑物的加固中都發(fā)揮著積極的作用。雖然錨桿無論在強度、抗腐、與周圍體的粘結(jié)力等都有提高，但錨桿支護的理論及設(shè)計滯后于工程應(yīng)用研究，理論分析和數(shù)值分析與實際情況出入較大。最主要的就是力學(xué)模型和分析方法方面還不夠完善。分析支護效果的各種影響因素，研究錨桿結(jié)構(gòu)的作用機理、長期受力特性，對工程質(zhì)量效益的提高有著深刻的現(xiàn)實意義。
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