锚固技术现况与趋势展望范文

引言

岩土锚固工程在近代岩土工程研究领域中,占有重要的地位。岩土锚固的研究对象是经过漫长地质年代的复杂地质体,这些地质体在地壳的内力和外力地质作用下,经历了一系列的演变过程,从处于相对稳定的平衡状态由于自然灾害或人为因素遭到破坏从而产生各类地质灾害,例如山体滑坡、泥石流等。为了预防和治理此类灾害,工程上常运用锚固技术,将受拉杆件埋入岩体用于充分的发挥和提高岩土体的自身强度和自稳能力,显著缩小结构物体积和减轻结构的自重,有效控制其变形。

随着中国工程建设的飞速发展,岩土工程作为工程建设中的重要分支,在铁路隧道、岩土边坡、基坑支护、坝基稳定、结构抗浮与结构抗倾等工程领域得到了广泛的应用。

1岩土锚固工程研究现状

岩土锚固技术在工程中的应用可追溯到20世纪初,美国首先在煤矿巷道和其他演示矿山中应用了锚杆支护顶板,如今,国外各类锚杆已达600余种,可适应于各种地层,承载能力从几吨到上千吨,每年的使用量达到2.5亿根。我国的锚固工程始于20世纪50年代,随着地下工程的发展,锚杆技术与喷射混凝土以及其他的岩土加固技术被逐步应用[1]。在保证岩土工程安全和可靠的所有措施中,岩土锚固技术在多种工程处理技术中,无疑是最具有安全性和经济性的选择。

由于岩土锚固工程技术的飞速发展,近年来被广泛的应用于边坡加固和整治工程中,在很大程度上取代了传统的浆砌片石式挡墙或重力挡墙结构;在相当数量的深基坑工程中取代了水平横撑式支挡结构;在几乎所有的矿山法施工的地下工程中取代了分部开挖木支撑临时支护结构。在其他方面,如深基坑工程、抗浮结构工程、大坝加固工程、抗震工程、工程拓宽工程以及悬索桥等锚固工程中,岩土锚固技术都发挥了很大的作用。

虽然岩土锚固技术在工程中已经得到了广泛的应用,但是由于工程介质的复杂性以及锚固方式的多样性,国内外还未出现统一的理论。对于岩土锚固技术的研究主要集中在锚杆粘结应力分布特征的研究与改善锚杆荷载传递机理方面[2]。对锚杆荷载传递机理方面的研究,英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国处于国际领先地位。国外学者通过现场试验和室内仿真试验进行了大量的研究,分别对荷载从锚杆传递到灌浆体的力学机理、影响全长粘结式锚索承载力的因素、注浆锚杆的力学性能等方面进行了细致的研究[3]。

我国的程奎良等通过对上海太平洋饭店和北京京城大厦两个深基坑工程的研究,得到了对于拉力型锚杆锚固段粘结应力分布形态的规律性认识,唐湘民通过模型块试验模拟洞石加锚围岩的变形、破坏,深入了锚杆分布形态及方式的研究。邹志晖、汪志林通过相似模拟试验,研究了锚杆在不同岩体中的工作机理。葛修润、刘建武通过室内模拟试验和理论分析,探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响以及杆体阻止节理面内部发生错动的“销钉”作用机制[4]。

通过近年来国内外学者的不懈努力,锚固技术在岩土工程中的应用日趋广泛,自20世纪80年代以来,已经有大量的隧道与地下工程在地质条件恶劣情况下,成功的采用了各种形式的锚杆技术配合喷射混凝土及注浆等综合措施进行了有效地加固。预应力长锚索在大跨度的地下洞室及坝基的加固方面得到了广泛的应用。在沿途高边坡工程中,锚固技术同样也占据着不可或缺的重要地位。

2岩土锚固工程新技术、新工艺、新材料

为了改善锚杆在不同地质条件下的工作适应性并提高其经济适用性,近年来岩土工程中应用的锚杆种类在国内外不断增多,工艺也在不断的更新。

在国外岩土支护中,除了常用的机械锚固锚杆,树脂或砂浆锚杆,以及钢丝绳锚索外,近年相继出现了几种新型岩石锚杆。如全长楔形锚杆、组合式锚杆、缝管锚杆、胀管锚杆、玻璃纤维锚杆、自钻锚杆、让压锚杆、可扩张锚杆、高压灌浆锚杆等。

国内在20世纪70年代开发的树脂锚固锚杆和80年产使用的快硬水泥卷锚固锚杆,均具有强度高、能及时提供支护抗力的优点,被广泛应用于铁路隧道围岩加固[5]。缝管锚杆则突出在能立即对围岩施加径向和轴向预加应力,延展性较好,能承受岩石变形后增长的锚固力,适用于各种岩层以及受矿山动压力作用下的巷道工程。可伸缩式锚杆又称让压锚杆,让压锚杆可对大变形和受采动影响的矿山巷道洞室进行有效支护。预应力锚杆技术在各类地质当中的应用在近年来得到了迅猛的发展,在我国的工程实例中,用于水电站中保证坝基稳定采用的强大预应力锚索最长可达90m,最大张拉荷载可达10000kN[6]。

由于锚固工艺取决于所采用的锚杆类型,所以锚固技术工艺上的新进展主要取决于岩土工程中锚固机具的发展情况。在各种岩土预应力锚固施工机具中,钻孔机具是影响施工效果的最关键设备,与工程的经济性紧密相关。据估计,国外目前约有30%的岩石锚杆用手持式轻型凿岩设备安装,半机械化安装锚杆占60%,全机械化安装已达到10%,这个比例还在逐年增加[7,8]。近年来,为了适应大型岩土锚固工程对技术工艺的需求,我国一方面从瑞典(阿特拉斯公司)、美国(英格索兰公司)、德国(克努伯公司)、意大利(土力公司)等国引进各类履带式液压钻孔机,另一方面坚持研发新型钻孔机械。例如柳州机械厂研制的OVM锚具,具有良好的自锚能力,锚固效果系数ηA≥0.95,破断总应变εn≥2.0%,锚口摩阻损失系数为0.025,在国内外许多大型岩土工程中应用后,取得了满意的效果。

在锚固锚杆的粘结材料方面,随着各种水泥和各种高效早强剂的发展,实现了早强水泥卷的广泛应用,这类锚杆1h的抗压强度已达到5MPa~10MPa,粘结型锚杆2h的最高锚固力可达到150kN[9,10],能显著的提高早期限制围岩变形的能力,且成本相对较低,现已被广泛的应用于有特殊需要的岩土锚固工程。在预应力锚杆(锚索)材料这一方面,许多高强、低松弛效应的预应力钢丝、钢绞线不仅可以节约钢材,方便施工,在减少预应力损失方面具有更突出的特点[11]。

3岩土锚固工程发展方向

虽然岩土锚固技术在工程上取得了有效地认可,但在理论研究上明显存在滞后现象,与数量繁多的工程实例相比,对岩土锚固的理论研究只有定性的描述,并未得出统一的认识与理论,在岩体力学参数的选择上也存在难以把握的问题。目前,正是我国许多大型工程的启动阶段,例如西部大开发,南水北调等重大土木工程,为岩土锚固技术的发展提供了良好的机遇与空间,同时,也对岩土锚固技术的进一步发展提出了挑战。

岩土锚固工程作为解决岩土工程中复杂岩体情况最有效,最经济的技术方法之一,已经在国内外各种边坡稳定、基坑支护、矿井支护、隧道围岩支护等问题中得到了广泛的应用,且取得了有效地成果。随着岩土工程的不断进步,岩土锚固技术也得到了相应的发展,其工艺简单、适应性广使其具有极广阔的发展空间,为了适应这种迅猛的发展势头,岩土锚固技术今后发展方向将主要体现在锚杆结构和锚固工艺的简单化、多样化以及锚固施工技术的机械化、发展配套的综合锚固机具、开发锚杆新品种和新工艺、加强施工质量控制及工程安全监测等方面。