摘　要: 本文對錨桿的類型、發展作了簡單的介紹，并對國內外錨桿支護技術理論，錨桿支護作用機理進行了分析，在此基礎上提出了錨桿支護研究中存在的不足及以后研究的方向。

　　關鍵詞: 錨固設計理論,錨桿

　　0 引言

　　錨桿支護技術始于國外,是維護圍巖穩定的支護技術[1]。1872年英國北威爾士露天頁巖礦首次應用錨桿加固邊坡。19世紀初期美國首先將錨桿支護用于礦山建設。1934 年阿爾及利亞的Cheurfas 大壩的加高工程首次采用10 000 kN 級預應力錨桿作為抗傾覆錨固，這是世界上第一例采用預應力錨桿加固壩體,并獲得成功。50年代初，瑞典生產出高效的噴漿機，隨著速凝劑的出現錨噴支護在全世界迅速推廣。

　　1 錨桿支護的發展

　　當前錨桿錨固技術以其技術先進、經濟合理、質量可靠等優點正在隧道巖體支護中廣泛應用并且發展迅速。美國、澳大利亞的礦井巷道支護中, 錨桿支護占90 %以上。錨桿錨固技術合理地調動巖體的自身強度和自承載能力改善巖體的應力狀態。

　　1.1 錨桿支護

　　錨桿支護通常與剛帶、網、混凝土等共同作用對巖體進行加固。我國煤礦1955年開始試用錨桿。當時的錨桿只起懸吊作用, 被動承載而不與圍巖共同作用，效果不理想。借鑒國外技術經驗，加上我國技術人員科技研究，錨帶網和錨梁網等支護方法在現場得到了大量的應用，支護效果顯著增強。這時錨桿不僅起到懸吊作用, 更重要的是起到組合拱或組合梁作用。目前有各種各樣的錨桿支護系統，例如錨桿帶網、錨桿帶剛帶、錨桿帶梁、錨桿桁架及其多種組合廣泛地用于各種工程中。

　　1.2 錨桿的分類

　　目前錨桿的種類很多，幾十乃至上百種。分類目前沒有統一標準。按照錨桿與巖體錨固方式可將其劃分為機械式、粘結式、和摩擦式;按桿體材料又分為木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、聚酯錨桿;按照錨固長度劃分可分集中錨固類錨桿和全長錨固類錨桿;按錨固體傳力方式分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿;按錨固體形態分為圓柱型錨桿、端部擴大型錨桿和連續球型錨桿等。

　　我國最早應用于礦山建設的是木錨桿和竹錨桿，其價格低廉取材廣泛，但其錨固力較小，在工程中起到的作用不是很明顯。隨著生產的發展，金屬錨桿已逐漸將其取代。在眾多錨桿中預應力錨桿是應用較廣泛的一種錨桿。預應力錨桿是在安裝錨桿時給錨桿施加相當量的預應力，這樣的作用能有效地阻止圍巖的開裂、滑移和弱化。不僅消除了錨桿的初始滑移量，而且還能給圍巖施加一定的預壓應力，提高圍巖抗剪切能力和抗拉能力。隨著技術的發展，新工藝的進步，現在的錨桿不但錨固力符合工程的需要，其設計逐漸更符合優化的要求，象德國的可伸長的讓壓性錨桿[2]、俄羅斯的桿體彎曲型可延伸錨桿，可回收錨桿及抗腐蝕性、重量輕、可切割的塑料錨桿[3]等等，它們廣泛用于生產建設，在支護強化領域起到了舉足輕重的作用。

　　2 錨桿支護技術理論的發展

　　錨桿和巖體之間的相互作用機理非常復雜，很難通過力學和數學模型進行準確模擬[4]，,,國內外很多學者對錨桿作用機理做了大量的深入研究與探討,揭示了錨桿支護的機理。

　　2.1 國外的錨桿支護技術理論

　　(1) 組合拱理論

　　組合拱理論是蘭氏( T·A·Lang) 和彭德(Pender)提出的。在拱形巷道圍巖的破裂區中安裝預應力錨桿，在桿體兩端將形成圓錐體形式分布的壓應力。如圖1。如果按照一定規律布置一系列錨桿，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將交錯重疊，形成一個防止破裂區擴展的承壓拱(組合拱)，這個承壓拱可承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載，能阻止不穩定巖石的滑移，促使巖石之間的間隙面壓緊[5]。承壓拱厚度W可按(1)式近似計算，即

　　W=L-S 　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　式中：W— 承壓拱厚度;L— 錨桿長度;S— 錨桿間排距

　　錨桿支護力最大值[1]可由下式確定： (2)

　　如果考慮剪切滑移，錨桿提供最大支護力為：

　　(3)

　　式中： — 破壞剪切角; — 巖石滑移線最大傾角; ­­— 錨桿的錨固力;

　　— 錨桿排距; — 錨桿間距;

　　英國與澳大利亞等國家的錨桿支護設計傾向于此理論。

　　(2) 懸吊理論

　　1952 年路易斯阿·帕內科(Louis A·Panek) 等發表了懸吊理論。該理論認為把由于開挖、爆破等造成的松動巖塊穩固(懸吊)在穩定巖層上,防止破碎巖塊的冒落,在堅硬節理發育的巖塊處,錨桿通常起這種作用。錨桿長度可按下式確定，即

　　L= L1+ L2+ L3 (4)

　　式中： L1 ：錨桿外露長度(一般取0.15m); L2 ：錨桿有效長度;

　　L3 ：錨桿錨固長度 (一般取0.3～0.4m);

　　錨桿有長度的確定: ①當直接頂需要懸吊而它們的范圍易于劃定時，應大于等于直接頂的厚度。②當通過實測已確定圍巖松動圈范圍時，應大于等于松動圈(即破碎帶或冒落帶)的高度。錨桿直徑按桿體承載力與錨固力等強度原則確定，即

　　(5)

　　式中： — 錨桿的錨固力(由拉拔試驗確定); — 錨桿桿體材料的抗拉強度;

　　(3) 組合梁理論

　　1952 年德國Jacobio 等發表了組合梁作用理論, 其實質是通過錨桿的徑向力作用將疊合梁的巖層擠緊,增大層間的摩擦力,同時錨桿的抗剪能力也阻止層間錯動,從而將疊合梁轉化為組合梁。在美國，由于其巷道埋深較淺、巖層強度高且地應力比較低，此理論的應用較多。

　　(4) 加固補強

　　該理論認為,對于節理密集破碎巖體或是較為軟弱的土體,施加錨桿可使破碎巖體具有完整性，在軟弱土體中增加筋骨，從而增強錨固區圍巖土體的強度(如彈性模量E ，粘聚力c) 。

　　(5) 銷釘理論

　　銷釘作用表現為兩方面：①利用錨桿將不穩定塊體釘到深部穩定的圍巖上。②軟巖洞室圍巖常發生壓剪破壞，破壞了的巖體將沿最不利的滑移面滑動。如沿洞室周邊徑向布置錨桿，由于錨桿與滑移面斜交，錨桿就會起到防剪抗滑作用。

　　2.2 國內的錨桿支護技術理論

　　(1) 全長錨固中性點理論

　　全長錨固中性點理論由東北大學王明恕教授提出。該理論認為在靠近巖石壁面部分(錨桿尾部) ，錨桿阻止圍巖向壁面變形,剪力指向壁面。在圍巖深處(錨桿頭部) ，圍巖阻止錨桿向壁面方向移動。錨桿上的剪力指向相背的分界點，稱為中性點，該點處剪應力為零，軸向拉應力為最大。由中性點向錨桿兩端剪應力逐漸增大，軸向拉應力逐漸減少。這個理論存在著一定的價值。但是它難以解釋錨桿尾部的斷裂機理。

　　(2) 松動圈理論

　　將圍巖中產生的松弛破碎帶定義為圍巖松動圈。 圍巖松動圈支護理論是由中國礦業大學董方庭教授在對圍巖狀態進行深入研究后提出的。松動圈理論是現有支護條件下，試圖采用支護手段阻止圍巖的松動破動是不可能的。松動圈越大，收斂變形越大，支護就愈困難。因此松動圈理論認為，支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。該理論的優點是簡單、直觀，對中小松動圈有極重要價值，但對大松動圈尤其是高應力軟巖以及采準巷道，實踐表明，該理論有一定的局限性。

　　(3) 圍巖強度強化理論

　　其要點是：①錨桿加固圍巖 的實質是改變了巷道圍巖的受力狀況，增加了圍壓，從而提高了巖石的力學參數(δ、E、C、)， 改善被錨固巖體的力學性能;②巷道圍巖存在著破碎區(松動區)、塑性區、彈性區，錨桿錨固區域內的巖體的峰值強度或峰后強度、殘余強度都能得到強化;③能較好地控制圍巖破碎區、塑性區的發展，從而更有利于保持巷道圍巖的穩定。

　　(4) 錨固平衡拱理論

　　該理論認為，錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯的效果。但在圍巖產生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著作用。在洞室周圍，錨桿與其錨固范圍內的巖石構成一種錨固支護體。當這個錨固體中的巖石在圍巖集中應力作用下發生破壞時，其承載力降低并產生變形，同時圍巖的集中應力向深部轉移，使錨固體卸載。在這個過程中，錨固體通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動的巖石構成具有一定承載力和適應自身變形卸載的錨固平衡拱。

　　這些理論在生產實踐中起到了積極的作用，有效的指導了工程實踐。在這些理論中，其多數是以定性的方法進行分析，還不能滿足工程建設與應用研究。其對巖土錨桿的傳力機制也只是定性描述，錨桿加固機理、錨桿的長期工作性能也沒有統一的認識，另外在變化的荷載等條件下錨桿的性能還有待于研究。

　　3 錨桿支護的設計

　　在我國，錨桿支護設計及參數選主要依靠經驗與實驗的方法。當地質條件簡單、圍巖穩定時, 直接采用工程類比法確定錨桿支護參數,再用懸吊理論、組合拱理論或松動圈理論加以校核即可。當地質條件復雜時, 采用試驗方法確定錨桿支護形式和支護參數, 一般先進行室內模擬實驗, 再進行工業性試驗錨桿。

　　目前, 支護設計方法有以下幾種。專家系統設計法 它是工程類比法的發展，但由于是建立在眾多專家知識和大量的經過實踐檢驗行之有效的經驗設計的基礎上，因而支護設計的可靠性和合理性大為提高。理論設計法 是建立在錨桿支護力學分析與模擬計算的基礎上， 需要預先測試圍巖力學參數, 并進行系統的錨桿支護作用機理和圍巖變形機理研究，才能成為指導圍巖控制實踐的科學方法。實測設計法 又稱現場監測法, 是由澳大利亞和英國先后發展起來的, 該設計法從地質評估開始, 先進行初始設計，然后通過對錨桿的現場特征、巖體特征及巷道在加固條件下特征的詳細監測驗證設計，最后確定錨桿加固系統, 并繼續進行日常監測。圍巖松動圈設計法 該方法含有專家系統設計法和現場實測設計法的內涵, 簡單直觀, 易為現場工程技術人員所接受, 且對巖巷有著良好的適應性,但對煤巷尤其是動壓煤巷的適應性仍有待深入研究, 故圍巖松動圈支護理論與設計方法也是今后發錨桿支護技術發展前景與制約因素展的重要方向。

　　在現有的地下工程支護加固設計中，由于諸多未知參數難以確定，且地質因素復雜，現在仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上，沒有到把錨固支護看作一個整體系統來作研究設計。這事必造成一些不合理因素。這種研究是今后的方向，應該說這是一套切實有效的方法。它可以克服過去單一重視錨桿本身行為的弊端，從而可以充分發揮系統各要素的功能，以使系統達到最佳工作狀態。在歐美一些國外對這個已有所研究，并取得了一定的進展。

　　4 結束語

　　錨桿支護方法發展到現在已有一百多年的歷史，其無論在工業民用建筑、隧道橋梁、礦山建設還是在高陡邊坡、大型地下洞室、大型弧門閘墩、大壩及壩基各類建筑物的加固中都發揮著積極的作用。雖然錨桿無論在強度、抗腐、與周圍體的粘結力等都有提高，但錨桿支護的理論及設計滯后于工程應用研究，理論分析和數值分析與實際情況出入較大。最主要的就是力學模型和分析方法方面還不夠完善。分析支護效果的各種影響因素，研究錨桿結構的作用機理、長期受力特性，對工程質量效益的提高有著深刻的現實意義。

　　參考文獻：

　　[1] 張向東等.隧道力學.香港天馬圖書有限公司.2000.

　　[2] 劉永闊.新型錨桿及巖土錨固新技術. 西部探礦工程. 2006(6)

　　[3] 程良奎.深基坑支護的新進展[A].北京:人民交通出版社.1998.

　　[4] 陳勝宏，PeterEGGER.加錨節理巖體流變模型及三維彈粘性有限元分析[J].水利學報，1998，(9)

　　[5] 龔維明等.地下結構工程.東南大學出版社. 2004.