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引言

巖土錨固工程在近代巖土工程研究領域中,占有重要的地位。巖土錨固的研究對象是經過漫長地質年代的復雜地質體,這些地質體在地殼的內力和外力地質作用下,經歷了一系列的演變過程,從處于相對穩定的平衡狀態由于自然災害或人為因素遭到破壞從而產生各類地質災害,例如山體滑坡、泥石流等。為了預防和治理此類災害,工程上常運用錨固技術,將受拉桿件埋入巖體用于充分的發揮和提高巖土體的自身強度和自穩能力,顯著縮小結構物體積和減輕結構的自重,有效控制其變形。

隨著中國工程建設的飛速發展,巖土工程作為工程建設中的重要分支,在鐵路隧道、巖土邊坡、基坑支護、壩基穩定、結構抗浮與結構抗傾等工程領域得到了廣泛的應用。

1巖土錨固工程研究現狀

巖土錨固技術在工程中的應用可追溯到20世紀初,美國首先在煤礦巷道和其他演示礦山中應用了錨桿支護頂板,如今,國外各類錨桿已達600余種,可適應于各種地層,承載能力從幾噸到上千噸,每年的使用量達到2.5億根。我國的錨固工程始于20世紀50年代,隨著地下工程的發展,錨桿技術與噴射混凝土以及其他的巖土加固技術被逐步應用[1]。在保證巖土工程安全和可靠的所有措施中,巖土錨固技術在多種工程處理技術中,無疑是最具有安全性和經濟性的選擇。

由于巖土錨固工程技術的飛速發展,近年來被廣泛的應用于邊坡加固和整治工程中,在很大程度上取代了傳統的漿砌片石式擋墻或重力擋墻結構;在相當數量的深基坑工程中取代了水平橫撐式支擋結構;在幾乎所有的礦山法施工的地下工程中取代了分部開挖木支撐臨時支護結構。在其他方面,如深基坑工程、抗浮結構工程、大壩加固工程、抗震工程、工程拓寬工程以及懸索橋等錨固工程中,巖土錨固技術都發揮了很大的作用。

雖然巖土錨固技術在工程中已經得到了廣泛的應用,但是由于工程介質的復雜性以及錨固方式的多樣性,國內外還未出現統一的理論。對于巖土錨固技術的研究主要集中在錨桿粘結應力分布特征的研究與改善錨桿荷載傳遞機理方面[2]。對錨桿荷載傳遞機理方面的研究,英國、美國、法國、加拿大、澳大利亞等國處于國際領先地位。國外學者通過現場試驗和室內仿真試驗進行了大量的研究,分別對荷載從錨桿傳遞到灌漿體的力學機理、影響全長粘結式錨索承載力的因素、注漿錨桿的力學性能等方面進行了細致的研究[3]。

我國的程奎良等通過對上海太平洋飯店和北京京城大廈兩個深基坑工程的研究,得到了對于拉力型錨桿錨固段粘結應力分布形態的規律性認識,唐湘民通過模型塊試驗模擬洞石加錨圍巖的變形、破壞,深入了錨桿分布形態及方式的研究。鄒志暉、汪志林通過相似模擬試驗,研究了錨桿在不同巖體中的工作機理。葛修潤、劉建武通過室內模擬試驗和理論分析,探討了錨桿對節理面抗剪性能的影響以及桿體阻止節理面內部發生錯動的“銷釘”作用機制[4]。

通過近年來國內外學者的不懈努力,錨固技術在巖土工程中的應用日趨廣泛,自20世紀80年代以來,已經有大量的隧道與地下工程在地質條件惡劣情況下,成功的采用了各種形式的錨桿技術配合噴射混凝土及注漿等綜合措施進行了有效地加固。預應力長錨索在大跨度的地下洞室及壩基的加固方面得到了廣泛的應用。在沿途高邊坡工程中,錨固技術同樣也占據著不可或缺的重要地位。

2巖土錨固工程新技術、新工藝、新材料

為了改善錨桿在不同地質條件下的工作適應性并提高其經濟適用性,近年來巖土工程中應用的錨桿種類在國內外不斷增多,工藝也在不斷的更新。

在國外巖土支護中,除了常用的機械錨固錨桿,樹脂或砂漿錨桿,以及鋼絲繩錨索外,近年相繼出現了幾種新型巖石錨桿。如全長楔形錨桿、組合式錨桿、縫管錨桿、脹管錨桿、玻璃纖維錨桿、自鉆錨桿、讓壓錨桿、可擴張錨桿、高壓灌漿錨桿等。

國內在20世紀70年代開發的樹脂錨固錨桿和80年產使用的快硬水泥卷錨固錨桿,均具有強度高、能及時提供支護抗力的優點,被廣泛應用于鐵路隧道圍巖加固[5]。縫管錨桿則突出在能立即對圍巖施加徑向和軸向預加應力,延展性較好,能承受巖石變形后增長的錨固力,適用于各種巖層以及受礦山動壓力作用下的巷道工程。可伸縮式錨桿又稱讓壓錨桿,讓壓錨桿可對大變形和受采動影響的礦山巷道洞室進行有效支護。預應力錨桿技術在各類地質當中的應用在近年來得到了迅猛的發展,在我國的工程實例中,用于水電站中保證壩基穩定采用的強大預應力錨索最長可達90m,最大張拉荷載可達10000kN[6]。

由于錨固工藝取決于所采用的錨桿類型,所以錨固技術工藝上的新進展主要取決于巖土工程中錨固機具的發展情況。在各種巖土預應力錨固施工機具中,鉆孔機具是影響施工效果的最關鍵設備,與工程的經濟性緊密相關。據估計,國外目前約有30%的巖石錨桿用手持式輕型鑿巖設備安裝,半機械化安裝錨桿占60%,全機械化安裝已達到10%,這個比例還在逐年增加[7,8]。近年來,為了適應大型巖土錨固工程對技術工藝的需求,我國一方面從瑞典(阿特拉斯公司)、美國(英格索蘭公司)、德國(克努伯公司)、意大利(土力公司)等國引進各類履帶式液壓鉆孔機,另一方面堅持研發新型鉆孔機械。例如柳州機械廠研制的OVM錨具,具有良好的自錨能力,錨固效果系數ηA≥0.95,破斷總應變εn≥2.0%,錨口摩阻損失系數為0.025,在國內外許多大型巖土工程中應用后,取得了滿意的效果。

在錨固錨桿的粘結材料方面,隨著各種水泥和各種高效早強劑的發展,實現了早強水泥卷的廣泛應用,這類錨桿1h的抗壓強度已達到5MPa~10MPa,粘結型錨桿2h的最高錨固力可達到150kN[9,10],能顯著的提高早期限制圍巖變形的能力,且成本相對較低,現已被廣泛的應用于有特殊需要的巖土錨固工程。在預應力錨桿(錨索)材料這一方面,許多高強、低松弛效應的預應力鋼絲、鋼絞線不僅可以節約鋼材,方便施工,在減少預應力損失方面具有更突出的特點[11]。

3巖土錨固工程發展方向

雖然巖土錨固技術在工程上取得了有效地認可,但在理論研究上明顯存在滯后現象,與數量繁多的工程實例相比,對巖土錨固的理論研究只有定性的描述,并未得出統一的認識與理論,在巖體力學參數的選擇上也存在難以把握的問題。目前,正是我國許多大型工程的啟動階段,例如西部大開發,南水北調等重大土木工程,為巖土錨固技術的發展提供了良好的機遇與空間,同時,也對巖土錨固技術的進一步發展提出了挑戰。

巖土錨固工程作為解決巖土工程中復雜巖體情況最有效,最經濟的技術方法之一,已經在國內外各種邊坡穩定、基坑支護、礦井支護、隧道圍巖支護等問題中得到了廣泛的應用,且取得了有效地成果。隨著巖土工程的不斷進步,巖土錨固技術也得到了相應的發展,其工藝簡單、適應性廣使其具有極廣闊的發展空間,為了適應這種迅猛的發展勢頭,巖土錨固技術今后發展方向將主要體現在錨桿結構和錨固工藝的簡單化、多樣化以及錨固施工技術的機械化、發展配套的綜合錨固機具、開發錨桿新品種和新工藝、加強施工質量控制及工程安全監測等方面。