岩土锚固的主要特点有哪些

锚杆是指利用黏结介质或某种锁紧机构将金属杆件（或其他高抗拉性能材料)一端固定在较稳定的岩土层中,另一端与工程构筑物相连,以承担因土压力、水压力或其他作用力所施加给构筑物的荷载。对于大多数锚固工程,都要对锚固杆体施加预应力的。实际上,锚杆是利用地层提供给锚杆锚固力来维护工程建筑物稳定,控制住基坑或边坡岩土体变形的一种支护技术。对于预应力锚杆,应用较多的是灌浆锚杆（亦称水泥砂浆锚杆),它是借助于水泥砂浆（或纯水泥浆)凝结固化而产生的与围岩之间的黏结力或握固力,将锚杆杆体与孔壁牢牢地连结在一起,从而形成锚固力。用于基坑支护工程的水泥砂浆锚杆构造组成如图3.1所示。

图3.1　水泥砂浆锚杆的构造

岩土锚固主要特点:①充分调用岩土体介质的强度和潜力,加强岩体自承和自稳能力;②改善岩土体应力状态,有效控制岩体及工程结构物的有害变形的发展;③显著地节省工程材料,经济效益比较明显;④在预防、治理工程事故,处理工程突发情况,抢修出现病害的建筑物等方面效果显著,提高施工过程的安全性和确保工程的长期稳定。

我国锚固技术的应用始于20世纪50年代后期,当时有京西矿务局、河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等使用了楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入20世纪60年代,除了矿山巷道之外,我国开始在铁道隧道、边坡工程、水库大坝、地下工程等大量采用锚固技术。1964年安徽梅山水库首次采用30～47 m的预应力锚索加固坝基,提高坝基抗滑稳定性。20世纪70年代开始在深基坑支挡工程中应用土层锚杆,先后有北京国际信托大厦、京城大厦、上海太平洋饭店、沈阳中山大厦等基坑工程采用了土层锚杆维护。据统计,在我国仅边坡加固工程与深基坑工程每年锚杆的使用量就达3 000～4 000 km。举世瞩目的三峡水利枢纽工程,在长1 607 m的船闸边坡上,采用了4 000余根长21～61 m、设计承载能力为3 000 kN（部分为1 000 kN)的预应力锚索和近10万根长8～14 m的高强锚杆作系统加固和局部加固。我国预应力岩土锚固技术从在安徽梅山水库大坝基础成功地运用设计承载力为2 400～3 200 kN的预应力锚杆加固开始,相继在丰满、隔河岩、小浪底、三峡、水布娅等应用了大吨位的锚杆。1989年我国首台6 000 kN级预应力锚杆及张拉设备研制成功,并应用于丰满大坝加固工程, 8 000 kN级预应力锚杆在石泉大坝加固工程应用成功,到20世纪90年代,10 000 kN级预应力锚杆在龙羊峡水电工程中试验成功,并在多个工程中获得应用。

锚杆按其服务年限分为临时性锚杆（两年以下)和永久性锚杆（两年或两年以上),锚杆设计采用统一的安全系数。对锚杆的试验分别规定了基本试验、蠕变试验和验收试验的锚杆数量、最大试验荷载、加荷等级及观测时间,并规定了锚杆验收的合格标准,即锚杆除应在最大试验荷载作用下,锚头位移趋于稳定其蠕变量不大于2.0 mm外,从50%拉力设计值到最大试验荷载之间测得的总位移量应当超过该荷载范围自由段长度预应力筋理论弹性伸长值的80%,且小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的预应力筋的理论弹性伸长值。

随着我国经济的持续发展,城乡建设、铁路、公路、水利等都将迎来空前的大发展。在进行各类基础设施建设过程中,存在大量的岩土体边坡加固支护和地质灾害治理等问题,而预应力锚杆作为一种重要的锚固支护技术,正广泛地应用于地质灾害治理和边坡加固支护的各个领域,应用部门涉及水利水电工程、铁路隧道、公路、桥梁、工业与民用建筑等。它在改善岩土体应力状态,提高岩土体的整体性、承载力及稳定性等方面已为大量的工程实践所证实。

关于预应力锚杆水泥浆材配制与性能研究方面得到了各国普遍关注。国内现有多家科研部门从事锚固工程水泥浆液材料的研究工作。如中国矿业大学研制出了TZ型药包式快硬水泥卷内锚头锚杆;中国水利水电基础工程局采用低水灰比（0.35左右)配制了超早强水泥浆;同济大学、重庆大学等专家学者通过使用各种水泥外加剂对普通水泥浆液进行改性研究,并配制出了一些早强、速凝型的水泥浆液。但这些早强型水泥浆液水灰比过低（W/C≤0.45),不适合于锚杆灌浆作业要求;锚杆高压劈裂注浆作业参数的选择不够合理。

我国用于岩土边坡工程的预应力锚杆较普遍地采用普通硅酸盐水泥浆液作为锚固体的黏结材料,为保证灌浆作业所需的可泵期,常用水灰比为W/C＝0.5～0.7。此种纯水泥浆液凝结时间较长,锚固体早期强度低,注浆之后往往需要7 d以上的养护时间,其水泥结石体的抗压强度才能达到15～20 MPa,此时方能对锚杆施加预应力和张拉锁定作业,这势必造成锚杆施加预应力时支护边坡的土体变形过大问题,并使锚固工程施工周期过长。为此,对普通硅酸盐水泥浆液进行改性的试验研究,即通过往普通硅酸盐水泥浆液中加入水泥早强剂、速凝剂、减水剂以及纤维、硅灰和砂子等填料,研制出适合于预应力锚杆灌浆作业的早强型水泥浆液是非常重要的。其中,纤维使浆材具有一定的抗裂能力。对于早强型水泥浆液,其主要技术指标是在满足可泵期（≥15 min)前题下,尽可能提高锚固结石体的早期强度,使水泥浆2～3 d龄期抗压强度达到15～25 MPa,并有效提高浆材结石体对钢拉杆的握固力,提高锚固体的抗裂能力。这将加快锚固工程施工速度,使岩土体边坡的变形等得到及时控制,以提高地质灾害治理的时效性,确保支护体系的安全性。

对于某些锚固工程,当采用铝酸盐水泥浆液进行灌浆作业时,如在浆液中掺加适量的粉煤灰,在确保浆材力学性能的基础上,可以有效降低成本,利于环境保护。此外,对锚杆高压注浆工艺、早强型水泥浆液配制中水泥外掺剂作用机理等方面开展深入的研究也是非常重要的。此外,为提高锚固结石体的锚固能力,使锚固孔段周围的岩土体产生压密或劈裂作用,要求采用高压注浆工艺。

对于灌浆锚杆而言,关于粉煤灰的活性效应及激发途径、硅灰对水泥浆液性能影响、纤维提高水泥砂浆强度及对锚杆承载力影响机理等方面的研究成果不多。实际上,在20世纪60年代初期,已有专家发现在水泥浆和砂浆中掺入少量的聚丙烯纤维即可明显提高它们的抗冲击性。1970年,美国开始大力开发丝束相连的聚丙烯纤维,于20世纪90年代初期研制出纤维混凝土,在随后的几年得到迅猛发展,其中应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。近几年来,聚丙烯纤维混凝土在各个工程领域得到大量应用,其主要作用是控制混凝土的塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹,防止及抑制裂缝的形成及发展,大大改善混凝土的抗渗性能、抗冲击及抗震能力。