岩土锚固技术研究综述

摘 要：对岩土锚固技术的研究现状进行了概括和总结，介绍了灌浆技术及各种新型锚杆在岩土锚固技中的应用与发展，分析了已有的研究成果，对今后的研究方向提出展望，供相关研究人员参考。

关键词：岩土锚固；锚杆；抗拔

中图分类号：TU74 文献标识码：A

一、引言

岩土锚固技术是将受拉杆件的一部分固定在岩土体中，必要时可对杆件施加预应力，另一部分与工程结构物连接，用来承受结构物产生的拉力或者对于岩土体进行加固，以保持结构物和岩土体的稳定同时改善岩土体的受力状态。

灌浆锚杆是目前在工程中应用最为广泛的锚杆之一，1958 年是由德国 Bauer特种地下工程公司发明并首先将这项技术应用到了加固挡墙的工程中[1]，起到了非常好的效果。

高铝水泥是近年来出现的一种新型灌浆材料[2]，在-10℃的低温下，这种灌浆材料也可以充分的固结，因此为锚杆在永冻土层基础的施工提供了条件，此外各种添加剂也逐渐在灌浆锚杆中应用增强了锚杆的适用性。

在灌浆技术出现后的两个多世纪中，灌浆技术以及灌浆材料有了长足的进展，从最开始的单一化发展到现在灌浆材料种类繁多适用范围广，施工技术多种多样，基本可以满足各种地基工程，使得现在城市里地铁基坑的开挖、软土上修建超高层成为可能[3]。经过多年的发展锚固技术也得到很大提高，多种先进锚固技术的发明使得锚杆的应用范围更加广泛，性能也更加优越。

(一) 单孔复合锚固技术。传统的全粘结式锚固技术虽然施工简单，但存在一定的缺点，当锚杆受到上拔荷载时会在顶端产生严重的应力集中，只有距载部位较近的锚杆有很大的侧摩阻力，随着距离荷载位置的增加侧摩阻力会急剧下降，而且锚杆的应力也会随之急剧的下降，当荷载传至固定端长度最远之前，上部的锚杆体与灌浆体或灌浆体与土体之间产生了相对位移，从而导致了粘结破坏，因此无法充分发挥整个锚杆体的强度。为了改善锚杆的受力性能，冶金部建筑研究总院等单位成功研制单孔复合锚固技术，在一个锚孔中设置多个锚杆单元，这些单元之间是相互独立的，每个锚杆有独立杆体、锚固体和自由长度，而作用荷载时也是通过对于每个锚杆进行分别张拉，并且通过补偿张拉(补偿各个锚杆单元由于自身的差别导致在相同荷载下产生位移差)以达到每个锚杆受到几乎相同的荷载[4, 5]。

单孔锚固复合技术根据受力类型不同主要可以分为拉力分散型和压力分散型两类。与传统的拉力型锚固技术相比有其显著的优越性：

1.克服了锚杆随着长度的增加荷载无法得到有效传递的缺点，使得每个锚杆都能比较均匀的承受荷载，大幅度提高了锚杆的抗拔力，同时也减小了锚杆在荷载作用下的位移。

2.可以使得锚杆在各种土层中都能充分的发挥自身的强度并且充分利用土体的强度。

3. 密实性很好，不易发生开裂，对于锚杆形成了多层的保护，大幅堵增强了锚杆的耐久性。

(二) 旋喷灌浆扩底技术。通过高压喷射原理在锚固段范围内对土体进行切割扩孔并且用水泥浆置换填充，形成一个圆柱状的扩大头，充分的发挥扩大头的端承作用，极大的提高了锚杆的抗拔力[6]。

(三) 预应力锚固技术。这项技术最早产生于英国，充分利用了钢材的抗拉强度高，增强了岩土体的强度及自身稳定性，有效的利用了土体的潜力，同时可以节约工程成本保证了工程的安全性，从而成为提高岩土稳定性的最为经济和有效的一种途径[7]。

二、研究现状

锚杆在现在的岩土工程加固方面应用十分广泛，但不同的工程情况对于锚杆的要求也有区别，因此随着锚杆技术的发展，根据实际工程中的需要逐渐产生了适用于不同环境的新型锚杆。

（一） 快硬水泥锚杆

快硬水泥锚杆类似与普通的灌浆水泥锚杆类似，它也是粘结式锚杆的一种，施工之前先将水泥加水搅拌三分钟左右，然后将水泥灌注到锚杆的底部很快凝结[8]。对于这项技术的使用美国、法国等国家已经非常成熟并且进入批量发展的阶段。我国近几年来对于这种新型锚杆的研究也有了很大的进展，煤炭科研院建井所已经研制成功并进行了少量的试生产。

（二） 二次高压灌浆锚杆

这种方法是在第一次注浆体形成 5MPa 左右的强度时，采用特殊设备进行压力达 3～3.5MPa 的二次注浆，使得原来的注浆体产生贯通的裂缝，二次注浆液深入土层中，这样不但提高了注浆体的抗剪能力，同时也增大了注浆体与土体的接触面积，有效的提高了锚杆的抗拔力[9]。

（三） 让压锚杆(屈服锚杆)

在传统的粘结式锚杆中，当作用在锚杆上的荷载达到了锚杆的极限承载力时，锚固体和土体之间的接触面就会产生相对滑移导致侧摩阻力急剧减小或者锚杆体本身屈服甚至断裂，锚杆的锚固力的达到峰值以后会急剧下降甚至完全消失，导致锚杆失效；而让压锚杆能够克服这一点，在锚杆达到极限荷载时，能够保证抗拔力不变的情况下不发生断裂破坏，甚至在发生较大位移的情况下可以保持锚固力[8]。这种锚杆主要通过两种方法对传统锚杆进行改进，一种方法是对锚杆体的结构进行改变：①比较简单的方法是在锚杆体的垫板和螺母间加入弹簧垫片，这种方法施工简单，但其所能承受的抗拔力也较小并且让压效果较差。②将一些钢珠放入一个内部为锥形的套筒中，当锚杆在荷载作用下发生位移时会将钢珠不断的拉入套筒从而增加了锚杆和套筒的摩擦力，平衡不断增加的荷载，这种方法的让压性能较好，锚固力可以达到 200kN～250 kN。但这两种方法的缺点在于钻孔直径较大、成本高。另外一种方法是改变锚头的结构。①摩擦滑移锚杆，这种锚杆是在锚头处设置楔形体装置，锚杆随着荷载增加产生的滑移使得楔形体越拉越紧直到阻止锚杆的移动。②可伸长的滑动锚杆，特殊钢制成起剪切作用的凸块，锚杆体套有一根钢管，并将灌浆材料注入钻孔和套管以及锚杆体与套管之间，使得所有构件凝固在一起。当锚杆受到较大荷载时，剪切凸块通过旋转剪碎树脂砂使锚杆伸长，可以产生比较大的滑动距离并保持恒定的阻力。

（四） 螺旋锚杆

螺旋锚杆最早在桩基触探实验中作为反力装置而使用，这种锚杆通过作用旋转力矩而钻入土体中。它的优点在于成本低、施工速度快，并且施工时未对土体施加震动，所以土体受到扰动性较小强度不会减弱，而且施工结束后能立刻承受荷载。而且对于一些临时性的工程，可以进行重复利用[8]。

（五）可回收锚杆

可回收锚杆主要应用在一些临时性建筑中，锚杆使用完毕以后可以进行回收重复使用[10]。这种锚杆与传统锚杆的形式和施工方式并无太大差别，只是采用了特殊的锚杆、灌浆体以及承载体，但这种方法还处于研究阶段。这种锚杆主要可以分为以下三类：

1.机械可回收锚杆。在锚杆施工时，将在锚杆体上设置一个连接装置，当锚杆使用完毕时，在锚杆上作用反向荷载使得锚杆和连接装置脱离从而被拉出回收。

2.力学式可回收锚杆。在锚杆体和灌浆体之间采用特殊材料设置隔层，回收时直接拉出便可。

3.化学式可回收锚杆。在锚固段设置爆破装置，使用完毕后引爆爆炸装置将其回收。

（六）自钻式注浆锚杆

自钻式注浆锚杆将带有钻头的杆体直接作为锚杆，当锚杆钻到所需深度时直接灌注水泥浆进行锚固[8]。在一些比较松散的土体或者岩层中应用较广，因为这类地层成孔较为困难，钻孔过程中易发生坍塌。

（七）塑料锚杆

塑料锚杆主要有塑料锚杆和玻璃钢锚杆两种。玻璃钢锚杆采用玻璃纤维对作为增强材料，运用拉挤成型的方法制成，它的优点是成本低、可弯性和抗腐蚀性较好，可以在一定程度上取代金属锚杆，比较适用于煤矿巷道的施工中[11]。塑料锚杆并非完全由塑料制成，而是塑料和金属杆体的复合体。这种锚杆的优点是成本低、重量轻、节约钢材、抗腐蚀性好，并且抗拔力可以达到200～300kN。

（八） 分散压缩型锚杆

分散压缩型锚杆的主要特征是：通过采用多个承载体以及对锚固体施加压缩应力，把传递到地层周围的粘结摩阻力峰值控制到了最低的限度[11]。

三、结语与展望

随着沿海地区经济的发展，在软土甚至淤泥质土中应用抗拔锚杆也是现在工程发展的一个重要方向。本文参考国内外文献，对岩土锚固技术进行了系统总结, 并对今后的研究提出展望。总结如下:

近几年来少数工程在软土中采用了旋喷灌浆型锚杆，使得锚杆的锚固力大幅

度提高，但采用这种方法的工程很少，并且在确定抗拔力方面完全都是根据实验而得到，需采用有限元分析作深入具体的研究。

实际工程中的土层由于地质条件的不同会产生分层，且每层土之间会有较大差别，因此需要进一步的研究不同土质对于各种锚杆的影响。

目前的研究成果大多针对单根锚杆，而实际工程中很少采用单根锚杆，往往是作为锚杆群来使用，锚杆之间又会产生互相影响，所以锚杆群的应用有待深入分析研究。

参考文献：

[1] 韩军等. 锚杆灌浆体与岩(土)体间的粘结强度[J]. 部岩石力学与工程学报, 2005, 19: 84-88.

[2] K.w.Biggar 等. 永冻层基桩施工用高铝水泥基灌浆材料的室内研究和现场应用性能. 《北美最新反循环矿产和水井钻探及基础工程施工钻进工艺与设备》, 地质矿产部勘探技术研究所编, 1994.

[3] 吴昌勇. 水电站引水隧洞固结灌浆试验研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2007.

[4] A D Barley. The Single Bore Multiple Anchor System[C]. London: Ground Anchorages and Anchored Structures, 1997.

[5] 程良奎. 单孔复合锚固法的机理与实践[C]. 岩土锚固技术的新进展论文集, 北京: 人民交通出版社, 2000.

[6] 韩军, 丁秀丽, 朱杰兵. 岩土锚固技术的新进展[J]. 长江科学院院报, 2001, 5: 第65-67.

[7] 苗国航. 我国预应力岩土锚固技术的现状与发展[J]. 地质与勘探, 2003, 3: 91-94.

[8] 张乐文, 刘传波. 新型锚杆及岩土锚固新技术[J]. 公路交通科技, 2004, 7: 26-29.

[9] 唐保付等. 二次高压灌浆提高土锚承法力机理研究[C]. 岩土锚固新技术论文集, 北京: 人民交通出版社, 1998.

[10] 田泽林. 土层锚杆回收的设计与施工技术[J]. 海河水利, 2008, 4: 65-70.

[11] 程良奎. 深基坑支护的新进展[C]. 岩土锚固新技术论文集, 北京: 人民交通出社, 1998.