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1、浅析全长锚杆在软弱围岩中的作用机理 摘要 随着近年来隧道建设的迅速发展，各种锚杆在不同地质条件下的应用也越来越广泛。在我国隧道中应用最普遍的就是砂浆全长锚杆。而对于全长锚杆的作用机理目前还没有十分清晰的认识，本文通过对级软弱围岩中不同长度全长锚杆的作用形式进行数值计算分析，得到全长锚杆在软弱围岩中的受力及变形情况，以期对指导工程施工有所帮助。关键词 全长锚固锚杆 软弱围岩 塑性区 竖向位移 掌子面1 引言锚杆作为一种原位岩土体加固的方法，自诞生之日起即获得广泛应用，经过几十年的研究和工程实践，被国内外岩土工程界公认为是直接加固岩土体的最具发展前途的方法。在现阶段，岩土锚固已成为我国隧道、巷道、
2、地下洞室、基坑、边坡、坝体及抗倾、抗浮等工程中不可或缺的主动加固措施。特别是随着新奥法在隧道工程中越来越广泛的应用，锚杆的主动加固控制变形而又允许变形充分体现了新奥法的思想，所以在隧道开挖中常常会用到锚杆，特别是在土层条件差-级围岩中。2 锚杆支护的工作原理锚杆是从内部补强围岩的技术手段，提高裂隙围岩的抗裂强度，改善围岩的物理力学指标，更可以将不连续的岩体联系在一起，充分发挥围岩的自承载能力，其作用机理可以从隧道周边岩体和被节理、裂隙或断层切割后的局部围岩两种情况来考虑：2.1锚杆在岩体中的作用机理2.1.1硬岩围岩强度大，隧道周边围岩没有塑性变化，不需要内压效果，同时，硬岩的力学强度是充分的
3、，其稳定性通常是由裂隙等力学上的不连续面所控制，锚杆可以保持岩块和控制岩块移动，使围岩成为一体，并促进平衡拱的形成。2.1.2 软岩软岩中，隧道周边围岩发生塑性变化，锚杆提供内压阻止塑性变形的扩展，在此过程中以提供内压效应和形成平衡拱效应为主。2.1.3 土砂围岩在埋深小的土砂围岩中，喷射混凝土的效果是明显的，根据资料显示，拱顶附近的锚杆几乎不受拉力而只发生压力的情况时有发生。因此，土砂围岩下，锚杆以加强拱脚附近和防止掌子面的崩塌为主。能够发挥锚杆效果的围岩需要具备适当的条件：锚杆和围岩间要有适当的锚固力；在不连续围岩中锚杆要横切不连续面布设；连续围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移要大。不满
4、足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注浆等方法处理后才能设置锚杆。2.2 锚杆在局部围岩中的作用机理隧道开挖后围岩的节理、裂隙或断层切割情况是千变万化的，从加固这些软弱面或断层的目的出发，锚杆加固的作用机理主要有以下几种：2.2.1 悬吊岩块由于隧道围岩被节理、裂隙或断层切割，开挖爆破震动可能引起局部岩块失稳，采用锚杆将不稳定岩块悬吊在稳定的岩体上，或将应力降低区内不稳定围岩，悬吊在应力降低区以外的稳定岩体上。在侧壁则用锚杆阻止岩块滑动。在一般围岩中采用以悬吊效果为目的的锚杆时，可采用HPB335，因发生的轴力不大，可采用直径小的锚杆，但在裂隙
5、发育的围岩条件下，不能期待锚杆的悬吊效果时，考虑与辅助工法并用。锚杆应视裂隙或节理状况布设于隧道拱部。2.2.2 产生内压和拱效果软弱围岩开挖后，使洞内临空面变形较大，当坑道周边布设系统锚杆，向围岩施加径向锚杆施加的径向压力而形成承载拱后，便与喷射混凝土共同承受围岩的变形压力，可减少围岩的变形，提高围岩的整体稳定性。系统锚杆布置应沿隧道周边均匀布置，呈梅花形布置。在隧道横断面内，锚杆方向宜于岩层面垂直。一般围岩可采用HPB335，直径22mm的锚杆，当围岩变形大于50mm时，可采用高强度或大直径的锚杆，或者减小锚杆间距。因高强度钢的延展性差，选择时要考虑位移值的大小，同时还要考虑施工难度和经济
6、性。锚杆布设于隧道全断面或除仰拱以外的部分。2.2.3 组合梁作用在水平或倾角较小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合，形成类似组合梁的结构，能增加层面间的抗剪强度和摩擦力，从而提高围岩的稳定性。一般可采用HPB335钢。3 全长锚杆的受力特征3.1 全长锚杆的类型全长锚杆包含有普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆、水泥药卷锚杆、中空注浆锚杆、自钻式注浆锚杆等。一般是在锚孔内填充锚固材料插入锚杆锚固，或者是锚杆插入后压注锚固材料锚固的方法。因用锚固材料全长黏结，锚杆全长范围都能约束围岩。长黏结型锚杆在硬岩、中硬岩、软岩、土砂围岩中均可采用。3.2 全长锚杆的作用机理全长锚固锚杆是靠锚杆
7、与孔壁之间的粘结（包括锚杆与包裹物及包裹物语围岩之间的摩擦）剪应力来阻止岩石向自由面变形的。剪应力大小与岩石和锚杆之间的相对位移成正比。锚杆锚固变形后，剪应力的大小和分布情况，目前还未清楚。王敦子在他写的均匀岩体中全长粘结式非预应力锚杆长度的探讨中认为锚杆轴向应变与周围岩体同一方向的应变符号相同；有的资料如高磊等著的矿山岩体力学中就把锚杆与孔壁之间的剪应力表示成指向同一个方向；这些都是不正确的，王明恕在他所写的全长锚固锚杆机理的探讨一文中中就认为这不符合锚固后静态锚杆的静力平衡关系。 图1 全长锚杆的受力简图据此文分析，全长锚固锚杆的实际受力情况是靠近临空面的一段锚杆，因阻止围岩径向变形，锚杆
8、表面产生指向围岩自由面的剪应力。其余的一段锚杆因受该段的拉拔作用，锚杆表面的剪应力必指向围岩体内部。指向相反的分界点，即为锚杆与孔壁岩石相对位移为零的中性点。此点剪应力为零。锚杆的轴向力在中性点处为最大，向两端逐渐减少为零。实测资料表明：锚杆的最大轴向拉力在锚杆长度中间部分。因此，全长锚固的锚杆，并不能沿全长都阻止岩石向自由面的变形。所以，仅用抗拔力来衡量全长锚固锚杆的锚固程度是不确切的。真正阻止围岩变形的锚固力，是中性点两侧互相平衡着的最大轴向拉力（锚杆受力状态如上面右图所示）。根据王明恕在他所写的全长锚固锚杆机理一文中总结出了全长锚杆的一般锚固机理：1） 全长锚固锚杆，靠锚固后岩石的变形才
9、能起锚固作用。若锚固后岩石不变形，或变形完了再锚固，锚杆就不能发挥作用。所以它适用于塑性变形的软岩中，而且必须在塑性变形完了之前锚固。2）设计全长锚固锚杆，必须求得岩石的塑性极限变形值，以及变形和时间的关系，以便按设计的控制变形量在适当时间进行锚固。3）设计控制变形量不能超过允许控制变形量，否则锚杆将与岩石滑脱而失掉锚固作用。4）全长锚固锚杆的中性点以外部分，约束着岩石向自由面变形，其余一段锚杆又将中性点以外被约束的岩石圈与其内部组合在一起，共同支承着自重和它上面的压力。5）当要求的控制变形量较大，超过按粘结剂强度算得的允许控制变形量时，可采用长短锚杆来满足所要求的控制变形量。4 数值模拟分析
10、4.1 工程概况 本模型为杭州地铁某段扩挖段，这里为了研究方便只取了扩挖段地质条件，开挖尺寸也另取为更具有代表性的四心圆断面。土层信息为：地层岩性特征及土层分布规律表分层序及土 层 名 称厚度平均值（m）岩 土 特 性 及 分 布 规 律 描 述2素填土2.0灰色及灰黄色，湿，松散，一般以粉性土为主，含有机质，少量碎石及建筑垃圾。 1砂质粉土20灰及灰黄色，饱和，稍密，含有机质，云母屑。沿线大部分布。近代冲海相沉积范围内为砂质粉土。3砂质粉土夹粉砂15.92灰及灰黄色，饱和，中密。含有机质，云母屑。沿线大部分布。近代冲海相沉积范围内为粘质粉土。5粉砂夹砂质粉土16.58灰黄色，饱和，稍密。含有
11、机质，云母屑，夹粉砂。局部分布。2淤泥质粘土22灰色，饱和，流塑状态。含有机质，局部夹淤泥或粉土。局部分布。4.2 建立模型模型尺寸为宽高深=78.6176.535，隧道断面尺寸：内径为5.5米，开挖外径为6.5米，衬砌厚度为55cm。由于围岩自稳性能差，故而采用了钢支撑，来控制早期变形，这里对钢支撑没有进行单独模拟，只是对喷混凝土结构进行了参数加强及尺寸加厚。具体模型见图2所示。锚杆长度分别取3米、4米、5米、6米、7米，锚杆间距为21.4。锚杆布置见图3所示。图2 初步模型图图3 锚杆布置图开挖为每循环开挖1.4米，纵向开挖长度为35米，整个模拟段分为25步开挖。具体开挖形式见图4-图5。
12、图4 开挖过程图5 开挖完成图4.3横向对比下面我们就针对不同长度的锚杆进行数值模拟实验，为了避免其他支护形式对锚杆作用的影响，以下的模拟实验中只用了打锚杆这一种支护形式。先用只开挖而不进行任何支护做为初始对比组（见图6、图7所示）。而施加锚杆支护的支护形式中，锚杆的施作时机为每开挖1.4m，施作包括锁脚锚杆在内的11根锚杆。以运行50步来模拟开挖段消耗的时间。为了使模拟更具对比性，鉴于无支护情况下开挖进行到7米（即开挖了5步），下面的只加锚杆支护的开挖长度也都取为7米。图6无支护（开挖5步）时竖向位移图图7只有3米锚杆支护时同样开挖7米（5步）竖向位移图图8只有7米锚杆支护时同样开挖7米（5
13、步）竖向位移图图9 无支护时（开挖5步）的塑性区发展图10只有3米锚杆支护时同样开挖7米（5步）塑性区图图11只有7米锚杆支护时同样开挖7米（5步）塑性区图 为了简便起见，上面只列举了无支护、开挖3米、开挖5米这三种情况，从上面图6、图7及图9、图10的对比中，我们明显可以看到施加全长锚杆后对拱顶位移、塑性区的发展起到了明显的约束作用。而通过图7、图8及图10、图11的对比，随着锚杆的增长，全长锚固锚杆对拱顶竖向位移及塑性区的发展的约束也明显加强。但是我们需要注意的是，当没有辅助的强力支撑，如二衬等的情况下，随着开挖的前进，围岩塑性区的进一步发展，施加较长锚杆的开挖断面将面临更多更大量的塌方土
14、体的掩埋（见下图12-14图），这一点与长锚杆本身是通过自身摩擦来提供支护拉力有关，锚杆越长则受拉的软弱围岩越多，塑性区就发展得越大越广，最终导致的塑性破坏会更严重，所以，根据模拟情况，在较强支护不能及时有效的承力的情况下，不建议使用较长的锚杆。图12 3米锚杆塑性区图13 5米锚杆塑性区图14 7米锚杆塑性区4.4 纵向对比在对不同长度的锚杆进行纵向对比后，通过下面的模拟，将同一长度（这里取7米）的锚杆在开挖不同深度时进行了比较，见下图15-22图所示。图15 施加7米锚杆只开挖2步塑性区图图16施加7米锚杆只开挖5步塑性区图图17施加7米锚杆开挖7步塑性区图图18施加7米锚杆开挖11步塑性
15、区图图19施加7米锚杆只开挖2步塑性区加锚杆图图20施加7米锚杆只开挖5步塑性区加锚杆图图21施加7米锚杆只开挖7步塑性区加锚杆图图22 施加7米锚杆开挖11步塑性区加锚杆图 从上面图示横向对比中，我们显然可以看到随着开挖的进行，塑性区也不断的发展扩大，虽然全长锚杆在全长段均对围岩有约束作用，但是随着塑性取得发展，当塑性区发展到包含整个支护的锚杆时（如上图20所示），此时，锚杆的约束已没有效果，而只会随着整个塑性区一起滑动，最终随着滑移的发展而破坏（如上图22所示）。所以，全长锚杆在软弱围岩中施作时，应及时施作强支护如二衬等来限制塑性区德塑性流动，从而将塑性区控制在全长锚杆范围之内，这样才能发
16、挥全长锚杆的作用。4.5 实际工况的全长锚杆效用 现在隧道施工最常用的为复合式衬砌，而在软弱地质条件下，全长锚杆一般都必须与复合式衬砌协作应用。下面的模拟过程即为各长度锚杆与复合式衬砌的相互作用及锚杆在围岩变形中所起的效用。复合衬砌下的锚杆受力及作用形式见下图 图23 3米锚杆与复合衬砌的塑性区图图24 5米锚杆与复合衬砌的塑性区图图25 7米锚杆与复合衬砌的塑性区图图26 3米锚杆与复合衬砌的竖向位移图为了简便起见，各锚杆的拱顶最大位移见下表所示： 从塑性区分布图及上面的拱顶位移表中可以明显看出，及时施作二衬的软弱围岩的开挖中，全长锚杆长度的影响已经非常的小，虽然随着锚杆的加长拱顶位移有一定
17、的下降，但是这种下降的数量级与锚杆加长所产生的经济技术问题来说并不合算，对位移的控制还可以采用其他更有效更经济的措施，如超前小导管注浆、提前施作临时仰拱等。总体来说，在软弱围岩中，复合式衬砌时，锚杆的选取中，长度并不是重要的控制因素，可以根据实际情况，更灵活的选取锚杆。5 总结分析 在隧道设计、施工中需重视初期支护的作用，锚杆、喷射混凝土、钢筋网是比较常规而有效的手段，当围岩稳定性差时还需结合钢拱架、超前小导管和预注浆一起承受来自围岩的变形压力，并加固围岩，充分发挥围岩的自承载能力，共同构成有效、经济的围岩-支护体系。根据施工监控量测及时进行初支、二衬支护，允许围岩-支护体系产生有限制的变形，
18、充分协调地发挥两者的共同作用，尽量使围岩-支护体系全面、牢固接触、应力均匀分布，形成理想的全断面牢固接触，以期能经济、安全、有效地进行洞内作业。总体说来，根据本文数值模拟在全长锚固锚杆的作用机理方面我们可以得出以下结论：1. 在软弱围岩中，当不能及时施作刚性支撑如二衬的时候，锚杆越长，在初期对围岩的变形及塑性区的发展能起到明显的约束作用，但是如果刚性支撑滞后太长时间施作，那么随着开挖的进行，塑性区德发展，锚杆越长，所产生的塑性区反而会越大，产生的滑动崩塌范围会更广，因此，在软弱围岩的施工中，二衬等刚性支撑不能及时施作的情况下，不建议使用较长的全长锚固锚杆。2. 在软弱围岩的施工过程中，施加全长
19、锚杆后，还应采取其他辅助措施来限制塑性区德进一步发展，保证全长锚杆在塑性区外有锚固长度。3. 在复合式衬砌支护的软弱围岩开挖中，锚杆长度产生的效用很小，在考虑施加全长锚杆时，锚杆长度只要满足有关规定就行，不需要通过加长锚杆来控制塑性区发展和围岩变形的发展。参考文献：1关宝树.隧道工程设计要点集M.北京：人民交通出版社，2003.2韩大千.蛤蟆岭隧道病害处治J.山西交通科技，2006（1）：67-68.3王明恕.全长锚固锚杆机理的探讨 J.煤炭学报，1983（1）：40-47.4陈珂，刘华治.锚杆在岩土边坡锚固工程中的应用J.城市建设，2009（17）：57-59.5程良奎.岩体锚固力学的研究与新发展J.岩石力学与工程学报，2005（24）：3803-3811.
