分析岩土锚杆标准中关于锚杆设计的安全性问题

摘要：大量工程安全事故调查资料显示，我国工程建设普遍存在施工环境恶劣、施工安全与施工质量得不到保证等问题，其中工程建设的不良现状主要由锚固施工环节控制不到位所致。锚杆是锚固工程的关键性构件，而锚杆设计的安全性对锚固工程的施工效果具有直接性的影响。由此可见，加强对锚杆设计安全性问题的研究具有现实意义。本文以岩土锚杆设计的安全性为研究对象，基于岩土锚杆设计、锚固结构安全、锚固工程三者之间的相互关联性，从锚杆设计的安全系数、锚杆设计的试验与验收标准、问题锚杆的处理三个方面展开讨论，以期完善锚杆设计的标准性及锚杆设计的安全性。

关键字：岩石锚杆设计 ； 安全系数 ；试验与验收技术； 问题锚杆

Abstract: a large number of engineering safety accident investigation data shows, our country engineering construction common construction conditions,construction safety and quality can not be guaranteedand other issues, the bad situation of engineering construction mainly by anchoring construction process control is not in place due to. Bolt is a key component of anchoring engineering, and construction safety of theanchor design of anchorage engineering has direct.Therefore, strengthening the research on problem of designing safety bolt is of practical significance. In this paper, the safety of geotechnical anchor design as the research object, based on geotechnical anchor design,anchorage, anchorage engineering safety threerelationship, from three aspects of processing anchor testdesign safety factor, the anchor bolt design and acceptance standard, discussion, in order to improvesafety standards and the design of anchor bolt design.

Keywords: the design of rock anchor; safety coefficient;test and acceptance of anchor rod;

中图分类号： U455.7+1 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

目前锚固技术已被广泛应用到各大岩土工程领域，大量实践也证实了其无可取代的优越性，例如简化结构体系、提高结构稳定度、确保施工安全、加快施工进度、节约工程材料、降低工程造价等。所谓岩石锚固，它是一种通过把结构埋入地层并锚固到岩土上来获取所需应力，进而实现拉力与剪力传递的施工技术。岩石锚固技术目前已被用来抵抗竖向位移、抵抗沿基础线位移及倾倒、抵抗沿地层临界面剪切破坏及维持岩体稳定、加固地基等领域。与国外岩土锚杆设计的研究相比较，我国业内学者的研究主要考虑如下方面：钢筋等材料自身对截面积的拉力；锚固段砂浆对钢拉杆握固力的极限拉力；锚固段底层对砂浆摩擦力的极限拉力。总体而言，我国学者对岩土锚杆设计的理论研究尚不能完全实现确保施工安全、缩短施工工期、节约工程材料、降低工程造价等。基于此研究背景，本文根据我国岩土锚固技术标准的基本要求，主要对岩土锚杆标准中锚杆设计的安全性进行讨论，以期提高我国锚固工程的施工安全与施工质量。

一、锚杆设计的安全系数

锚杆设计的安全系数通常包括锚杆杆体或锚杆筋体设计的抗拉安全系数、锚杆固体设计的抗拔安全系数，其中锚杆杆体或锚杆筋体设计的抗拉安全系数=锚杆杆体极限拉力：锚杆拉力设计值；锚杆固体设计的抗拔安全系数=锚杆极限抗拔力：锚杆拉力设计值。岩土锚杆设计的安全系数通常需对锚杆结构设计的风险程度与不确定性因素进行综合考虑，其中包括锚固岩土体或地层的性态、杆体材料与灌浆的不稳定性、筋体中所有钢筋或钢绞线受力的不均匀性、锚杆群中部分锚杆承载力失效或下降对周边锚杆工作荷载的影响程度、周边环境或地下水的变化、锚杆抵御轻微腐蚀的能力等。

备注：临时锚杆的工作年限＜2a、永久锚杆的工作年限＞2a；最小安全系数要求当锚杆破坏引发公共安全事故时取最大值、若未引发公共安全事故时取中值、其余情况取最小值，其中前两种情况的危害程度均较后者严重。

表1-1锚杆锚固体抗拔安全系数与锚杆杆体抗拉安全系数

（一）众所周知，锚杆设计的安全系数直接关乎到岩土锚固工程的可靠性，基于此理论基础，世界各国纷纷出台锚杆规范来对锚杆设计的安全系数进行规定。表1-1为世界主要国家对锚杆锚固体抗拔安全系数与锚杆杆体抗拉安全系数的规定。由表1-1可知，世界主要国家的锚杆规范皆要求重点参考锚杆破坏后的危害程度与锚杆安全系数来对锚杆设计的安全系数取值，其中各主要国家对锚杆设计安全系数的取值基本一致。此外，表1-1中提及的最小安全系数通常是用来满足锚杆对安全工作状态的基本要求。但目前多数锚杆设计皆为严格遵循上述基本要求，具体包括如下两种情况：

1.锚杆杆体或锚杆杆筋设计的安全系数偏小

针对锚杆杆体或锚杆杆筋安全系数偏小的问题，本文以国内某永久性大型边坡锚固工程为例展开讨论。该锚固工程锚杆设计的具体情况包括：工程所用的钢绞线为12根Φ15.2mm 1860MPa级钢绞线；锚杆拉力值为2000kN。通过计算可知，该工程锚杆设计的安全系数仅为1.55，该数值较国标规定的1.80小0.25。为了更加深入探讨锚杆杆体或锚杆杆筋安全系数偏小的问题，本文再简要介绍另一工程案例。某24m深基坑工程设计的支护结构为3道锚杆背拉排桩支护，其中锚杆杆体的钢绞线为Φ152mm 1860MPa级钢绞线，通过计算可知该工程杆体的抗拉安全系数为1.00左右。

2.未明确岩土锚杆设计的安全系数及未搞清楚锚杆锚固体抗拔安全系数的真实含义，亦或采用了明确的锚杆设计安全系数，但未对其采用极限抗拔力试验（标准的锚杆基本试验）与验收试验来进行验证。

（二）研究证实，前文所提及的两种情况势必会影响到锚杆工作的安全性。基于此论断，本文以锚杆杆体抗拉安全系数偏小为研究对象展开讨论。

1.锚杆杆体抗拉安全系数偏小可使钢绞线的受力分布不均匀（此时各钢绞线拉应力之间的差距约15%）及钢绞线的截面积因外力腐蚀作用而呈减小趋势，此时极易引起锚杆局部钢绞线出现断裂现象。

2．锚杆杆体抗拉安全系数偏小可能使钢绞线过高及筋材松弛量过大，进而极易引起预应力损失超出允许标准。

3.若高抗拉强度钢绞线的拉应力＞钢绞线抗拉强度的3/5，其极易引起应力腐蚀或钢绞线断裂。

二、锚杆设计的试验与验收标准

由前文可知，适宜的锚杆安全系数是锚杆结构设计必须考虑的重要内容，其中锚杆设计的合理性通常需采用基本试验与验收试验进行严格的验证，究其原因为锚杆承载力极易受到杆体制作质量、锚固地层的变化、注浆及锚杆钻孔等工艺条件的影响。锚杆的基本试验通常是指锚杆极限抗拔力试验，其操作现场的地层条件必须与拟建工程的地层条件相同，同时还需严格执行国家有关规定。锚固工程施工之前通常需采用基本试验来对锚杆设计进行验证，由此确保锚杆设计的极限拉力值与有关设计要求基本相符。如果锚固工程随意套用与拟建工程地层条件相当的锚杆基本试验数据或未进行任何基本试验便盲目开工，其必然使锚杆的安全度丧失被准确验证的良好时机，由此极易增加锚杆安全工作的风险因素。

（一）据大量调查数据显示，我国岩土锚固工程目前普遍选择降低验收试验的标准。国家有关规范明确规定：“验收试验锚杆数量应≥锚杆总数的1/20，即≥3根。永久性锚杆试验荷载的最大值应等于锚杆轴向拉力设计值的1.5倍，其中试验荷载的最大值应与锚杆设计的安全系数呈一一对应关系。”如果严格按照上述要求设计验收试验的标准，其设计出的数据必定能够证实工程锚杆的安全储备与设计规定的安全系数大致吻合。然而针对我国众多锚固工程未采取标准的验收试验等情况，本文主要从如下方面进行阐释。

1.若永久性锚杆的张拉力达到拉力设计值的1.05倍~1.10倍，那么此锚杆设计可被判定为合格；若临时性锚杆的张拉力达到拉力锁定值或拉力设计值，其验收结果可被判定为合格。若永久性锚杆仅＞设计值安全储备的0.1倍，那么此永久性锚杆必定难以抵御冻融交替、暴雨侵蚀、地层开挖会变异荷载等环境改变的不良影响，同时也难以抵御锚杆局部腐蚀侵蚀现象对其安全工作状态的不良影响。

2.目前我国城市基坑支护工程普遍存在锚杆初始预应力大幅度降低、基坑边界位移量过大、基坑坍塌事故频发等情况，研究证实上述诸多情况多由随意降低锚杆验收试验标准所致。

3．我国现行锚杆标准明确规定：“若要判定锚杆验收结果合格，必须具备如下充分条件，即以最大试验作用为前提，锚杆的蠕变量及弹性位移皆要满足国家有关规范的基本要求。”由此可见，锚杆验收试验降至初始荷载之前必须事先加载到能够满足蠕变率的最大试验荷载，随后再提升该初始荷载到锁定荷载水平，同时做好相应的锁定工作。图2-1为锚杆荷载（P）-位移（S）曲线。

备注：该图所示的锚杆标准与国际锚杆标准的有关规定完全吻合，其中N1(KN)表示锚杆轴向拉力的设计值。

图2-1锚杆荷载（P）-位移（S）曲线

（二）我国现行岩土锚杆设计标准明确规定：“受最大试验荷载影响的锚杆弹性位移应＞锚杆自由长度理论弹性伸长值的4/5，同时应＜锚杆自由段长度+锚固段长度的1/2。其次就受最后一级荷载影响的锚杆而言，其在6min~60min以内的蠕变量应≤2.0mm。”对锚杆弹性位移的规定通常用来验证锚杆的实际自由段长度与设计要求之间的吻合度，同时用来判定锚杆的正常工作状态；对锚杆蠕变量的规定通常用来控制锚杆蠕变量在30min~50a以内≤12mm。综上所述，如果能够严格执行国家规定的验收试验标准，锚固工程及锚杆质量的安全性便可被提升至要求范围以内。然而大量锚固工程调查数据显示，我国锚杆设计验收试验尚存在诸多问题，其中多数工程根本不能够提供完全满足国家规范的验收试验资料。如果此现状不能及时得到解决，其势必会对我国锚固工程的安全性造成直接且深远的影响。

三、问题锚杆的处理

针对如何处理验收不合格的锚杆，我国制定并出台了《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22：2005），该规程对问题锚杆如何处理的规定预示着我国岩土锚杆标准化建设的进步。研究证实，岩土锚固工程安全链的完整性要求对锚杆设计的安全性、锚杆设计试验与验收、问题锚杆的处理一视同仁，即三者是不可分割的整体，缺一不可。《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)明确规定：“若锚杆设计验收试验不合格，则必须增加锚杆试件的数量，其中锚杆试件的增加数量要达到问题锚杆数量的3倍。此外应按照最大实际试验荷载的1/2对问题锚杆进行锁定，最后再根据问题锚杆与锚杆总量的比值来确定锚固工程锚杆的设计总抗力与实际总抗力之间的差值，进而对锚杆进行增补。”根据《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)的有关规定，本文针对如何处理不合格锚杆的问题引入如下（见图3-1）锚杆验收试验与不合格锚杆处理框架图。

图3-1锚杆验收试验与不合格锚杆处理框架图

结合图3-1及《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)，本文将做如下说明：

（一）若锚杆设计验收试验未达到临时锚杆拉力设计值的1.2倍或永久锚杆的1.5倍是由锚杆验收试验的局部破坏所致，亦或锚杆设计验收试验能够满足国家验收试验规程对荷载的要求，但受最大试验荷载影响的蠕变试验不合格，此时皆应被认为该锚杆设计不合格。

（二）就不合格的锚杆而言，如果对锚杆预留有二次灌浆系统（补强系统），那么必须对二次灌浆完毕的锚杆进行补充验收试验，同时根据原验收试验标准对补充验收试验进行评定。如果锚杆结构未预留有二次灌浆系统，那么需根据最大实际试验荷载值与锚杆抗拔安全系数的比值来对锚杆结构进行锁定，同时可以把此荷载锁定值归纳到原有锚杆设计的总抗力内。

（三）《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)规定：“根据不合格锚杆与锚固工程锚杆总量的百分比来计算出锚固工程锚杆设计总抗力与实际总抗力之间的差值，同时根据此差值来对锚杆数量进行增补。”针对此规定，大量研究证实，其要求对锚杆进行补偿是非常必要的，同时也具有一定的合理性。此处提及的增补工序所产生的额外工程造价应由责任方全权负责。此项规定的意义为：针对不遵守国家规范而引起的锚杆质量缺陷，责任人必须承担经济责任，由此起到警示作用，同时也对工程后续施工安全起到防范作用。

四、讨论

综上所述，锚杆是目前锚固支护的关键性结构，其作用机理方面与分类方面皆存有较大差异，同时锚杆被应用到不同锚固工程支护施工方面时，锚杆设计人员应该充分严格制定国家现行锚杆设计规程《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)。本文以岩土锚杆设计的安全性问题为研究对象，以岩土锚杆标准《岩土锚杆( 索) 技术规程》(CECS22：2005)为理论依据，主要从锚杆设计的安全系数、锚杆设计的试验与验收标准、问题锚杆的处理三大方面展开讨论，以期提高我国锚固工程锚杆的设计水平。总体而言，此次研究可简单归纳为如下四点：

（一）锚杆设计的安全系数、锚杆设计的试验与验收标准、问题锚杆的处理对岩土锚固工程的安全性具有直接性且长远性的影响，换而言之，如果锚杆设计存有随意降低锚杆的安全系数或锚杆的试验验收标准等行为，其势必会影响到岩土锚固工程的安全性，甚至引发一系列工程安全事故。

（二）岩土锚杆设计的安全系数对岩土锚固工程安全性的影响至关重要。锚杆设计的安全系数应严格依据锚杆的工作年限和问题锚杆对公共安全的危害程度来确定。一般而言，临时锚杆锚固体的抗拔安全系数应≥1.4~1.8；永久性锚杆锚固体应≥1.8~2.2。临时锚杆杆体的抗拉安全系数应≥1.6；永久性锚杆杆体应≥1.8。

（三）锚杆设计的试验与验收标准是确保岩土锚固工程安全性的重要保障，其中就受最大试验荷载影响的锚杆而言，其蠕变率与弹性位移是判定锚杆合格与否的关键性指标。针对如何处理问题锚杆，本文任何可通过增补锚杆来实现锚固工程的长期稳定。

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