1、1 锚杆的特点、分类及失效(l)锚杆的特点工程上所指的锚杆，通常是对受拉压构件所处的锚固体系的总称。它包含锚固体、拉杆及锚头三个基本部分组成，如图 1 所示。锚杆支护兼有支架和加固两种作用，与靠重力作用而使结构维持稳定的通常方式相比而言，其具有许多更为鲜明的特征：在岩体和土体开挖以后，便提供支护力，对保护岩土体的自身强度、控制岩土体变形的进一步扩展以及提高整个施工过程的安全性都具有明显作用；可以有效改善岩土体的原始应力状态，从而进一步提高岩土体的稳定性；可以有效加强岩土体薄弱结构面抗剪强度，从而改善岩土体的其他方面的力学性能；将结构物与岩土体紧密地作用在一起，形成共同抵抗外力作用的体系；对锚杆
2、的作用部位、密度、结构参数、方向和施作时机等可进行方便地调整和设定，从而以最小的支护力，获得最佳的稳定效果；随着结构物体积的减小，可以显著节约工程材料减低造价，可以更有效地利用土地，经济效益十分显著。(2)锚杆类别为了满足各种地质条件和实际工程条件下工程结构稳定性的要求，工程与科研人员研制出了许多种类的锚杆，当前在海内外已经使用的锚杆种类已经有 100 多种，而目前在实际工程中常用的锚杆还比较有限，按照不同的划分标准可以把锚杆划分为如下几类:按荷载作用位置的不同从而使得锚杆和土体产生的相对运动而形成的不同分为被动锚杆和主动锚杆。按内锚段锚固所作用介质的不同可分为岩石锚杆和土层锚杆。按是否施加预
3、应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆。按锚杆内部拉筋和水泥浆体传力方式的不同，可分为压力型、拉力型、压力分散性、拉力分散性、拉压分散型等。其次，按锚固方式划分为机械锚固锚杆、粘结锚固锚杆、摩擦式锚固锚杆等，按锚固长度的不同划分为全长锚固锚杆和端头锚固锚杆，按材料的不同划分为钢筋锚杆、玻璃纤维锚杆、木锚杆、竹锚杆等。根据以上内容并做相应补充讲锚杆可大致归纳为如下种类。(3)锚杆破坏形式锚杆常见的破坏形式有锚杆的抗拉承载力不足弓!起的破坏、锚杆在滑动面处或者节理面处的剪切破坏以及岩土体破坏，锚杆可能其中一种或几种发生破坏:锚杆的抗拉承载力不足引起的破坏主要包括锚杆被拉断破坏、钢筋和灌浆体的结合面粘结破
4、坏、灌浆体和岩土体的结合面粘结破坏和灌浆体的破坏。锚杆在滑动面处或者节理面处的剪切破坏，在许多工程事故中，锚杆存在较多的局部被剪坏。大量的剪切实验也证明在节理岩体中加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增大而增大，当节理面产生较大滑移时，锚杆就可能会被剪断或发生较大的剪切变形从而使得锚杆加固失效。岩土体破坏主要包括锚固段底端有锚定板或膨胀体的锚杆内部岩土体的剪切或受压破坏、群锚效应引起的岩土体的破坏和锚固段顶端岩体的破坏。1.3.1 锚杆( 索) 的失效模式及影响因素研究概况最早对岩土锚固破坏形式进行研究的是英国的 Haxma 教授 f56，他在 20 世纪 70 年代研究归纳出锚杆的 3 种主要破
5、坏形式 :锚杆断裂、预应力损失、 实际荷载高于设计荷载，并分别指出 3 种破坏形式的各种影响因素。 锚杆断裂除了受腐蚀的影响以外，还与插入锚孔前或使用中的机械损害有关;影响锚杆预应力损失的因素有:地基的固结、固定锚的屈服、荷载在群锚中的重分布、过高的估计锚杆工作荷载、锚的一根或多根钢丝或钢丝束断裂等; 荷载超过设计荷载一般与群锚的荷载重分布有关。Hanna 教授的研究主要是从定性的角度分析，没有定量化的数据作为依据，归纳总结出的破坏形式主要从力学机理的角度着眼，虽然取得的成果不全面，但很有意义，对后人的研究起到了一定的推动作用。针对粘结性锚杆，cook 提出了它的 4 种失效模式: 粘结破坏、
6、杆体断裂、基体锥体破坏、锥形一粘结复合破坏，如图 1.1 所示。近年来我国不少学者对此也开展了广泛的调查研究。中国矿业大学的官山月等认为锚固失效指的是锚杆锚固段岩体与锚杆之间全部或部分失去力学关联，锚杆与岩体脱离，锚固功能不能正常发挥。依据大量的现场测试和实验室试验，研究总结出岩体中树脂锚杆锚固失效的四种基本模式:锚固卷沿钻孔孔壁滑动、钻孔孔壁岩体被剪切破坏、锚杆从锚固卷中拉出、锚杆附近的锚固剂被剪切破坏。这种划分方式主要针对锚杆的力学机理进行研究，不过遗憾的是，仅仅分析研究了被动锚，对主动锚的情况未展开研究。孙宪宾将土层锚杆支护体系的破坏形式分为五类:整体失稳，包括三种模式:a、地面破坏下滑
7、;b、深层滑缝破坏 ;c、整个锚固体系倾覆。局部破坏，即土锚支护系统的某些个别地方发生有限破坏，如个别锚杆损坏，墙面被刺穿等。超量变形，虽然锚护体系未发生破坏，但其水平位移和地表下沉过大达到危及相邻设施或建筑物安全的程度。土体液化，在易液化的土体环境中开挖地基，在施工中和竣工后都可能在外界的冲击和振动下使锚护体系或深远部的土体突然塌落失稳。高勤福对煤矿被动锚杆失锚现象进行了分类统计分析，总结出了 5 种常见的失锚现象:杆体断裂失锚，约占 2%; 托板失效失锚，约占 5%一 6%;螺母失效失锚，约占巧%;粘结失效失锚，约占 48%;锚空失锚，约占 29%一 30%。这种分类方法主要采用现场调研与
8、测试的手段，对失锚现象的分类标准主要是从影响因素的角度着眼，难免存在对锚杆失锚类别的调查与认识不全面的情况。唐树名将边坡锚杆(索)病害失效模式分为五类:锚杆(索)的断裂破坏;锚杆( 索)与灌浆体的结合面破坏; 灌浆体与岩( 土) 体之间的结合面破坏; 被加固的岩土体发生破坏;外锚头破坏。并对各种失效模式的影响因素作了详细分析，但也是定性分析，没有上升到定量分析。程良奎等总结了锚杆的七种常见破坏形式:杆体(钢筋、钢丝、钢绞线 )的断裂;杆体与注浆体的结合面破坏;注浆体与地层的结合面破坏;被加固的地层岩土体破坏;灌浆体的拉裂或压碎; 群锚破坏;整个锚固系统失稳破坏。1.3.2 锚杆( 索) 预应力
9、损失及影响因素研究概况在预应力损失方面，苏学贵等学者对主动锚预应力损失这种失锚现象进行了分析研究，得出影响预应力损失的因素:锚索材料、岩土体徐变、锚固围岩中发生的冲击力、锚固体系、施工质量等。梁旭辉，范伟总结出锚索的预应力损失由 3 部分的变形产生 :钢筋或钢绞线的松弛;地层的压缩徐变;锚具的滑曳。并分析了预应力岩土锚索钢材松弛、地层的压缩徐变和锚具的滑曳所引起的预加应力损失的大小。苏学贵，李彦斌，孟秀生认为，锚索材料、岩体徐变、锚固围岩中发生的冲击力(如爆破、重型机械和地震力发生的冲击力) 、锚固体系类型以及加工质量及施工安装质量是造成预应力损失的主要原因。任新见等也提出导致锚杆预应力随时间
10、衰减的主要因素分受荷土层蠕变、外来冲击作用、杆体材料的松弛几类。景锋等认为:一般情况下，预应力锚索预应力变化过程曲线呈负指数函数形态，根据变化过程的特点和实质，可分为速损阶段、缓损阶段和稳定阶段;钢绞线松弛、岩体蠕变、大气温度变化和降雨等对锚索预应力有一定的影响，但锚索松弛和岩体流变的耦合作用是锚索预应力损失的主要因素;并在此基础上推导出基于岩体流变和锚索松弛耦合作用的预应力计算模型。李敏根据工程实践和经验，介绍了影响边坡预应力锚索锚固安全性的主要因素。主要因素有环境因素和工程因素，锚体在地层中的赋存环境例如地层蠕变、地下水的作用、水对钢绞线的腐蚀、钢绞线松弛、地震作用等，是影响锚固安全性的重
11、要环境因素。预应力损失、张拉工艺、荷载设计不当、施工爆破振动、混凝土收缩与蠕变、锚头夹具回缩、地面抑制件的破坏、张拉系统摩阻等是影响锚固安全性的工程因素。2.1 锚杆锚固系统的锚固作用原理在岩土加固工程中，如果以锚杆作为加固系统的主要构件，就形成了一个锚杆加固系统，或者说就称为锚杆加固系统，简称锚固系统。锚固系统中通常由很多单体锚杆组成。端部锚固锚杆由三大部分组成即锚头、杆体和锚固体。全长锚固锚杆由杆体和锚固体组成。衡量锚固基本特性的力学参数如下：抗拔力即锚固力是指锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力；握固力是锚杆杆体与锚固介质间的最大抗剪力；粘结力是锚固介质与孔壁岩土之间的最大抗剪力；拉断力锚杆极
12、限抗拉强度。2.1.2 锚固的基本原理岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层或岩体的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层或岩体开挖面自身的稳定。岩土锚固是利用岩土体固有强度，实现提高其自稳能力的目标，从而使岩土体成为工程结构的一部分，能有效地减轻加固结构物的自身重量，减少工程所用材料，产生显著地主动防治效果。岩土锚固作用的主要功能如下：使对通过的岩石起加筋作用或被锚固地层产生压应力区；能加强并增加地层强度，从而相应地改善了地层的相关力学特性；当锚杆通过被锚固岩体和结构时，可使结构自身产生预应力：可提供作用于结构上用来承受外加荷载的抗力，使其方向朝着与岩土体相接触的点发展；利用锚杆可使结构物与岩
13、土体紧锁在一起，形成一种协同工作的联合结构，使岩体能更有效的承受剪力和拉力。锚杆的上述功能是互为补充的，若针对某一特定工程，可能一种或几种功能发挥作用。2.1.3 灌浆锚固作用原理灌浆锚固指的是用水泥砂浆(也可以是化学浆液、水泥浆、树脂等 )将一根(束)钢拉杆( 钢丝束或粗钢筋等)锚固在伸向岩土体内部的钻孔中。对实际锚固工程而言，采用水泥砂浆进行锚固的锚杆占绝大多数。砂浆锚固的传力过程如下:若取锚固段为隔离体，当锚固段受荷载作用时，拉力首先通过钢拉杆周边砂浆的握裹力传递到水泥砂浆中，然后，通过锚固段钻孔周边的岩土体粘结力传递到锚固的岩土体中。由此可见，钢拉杆如受到拉力的作用，除了钢筋本身要有足
14、够的截面积承受拉力外，锚杆的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件: 锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性;锚固段的砂浆对于刚拉杆的握裹力需能承受极限应力; 锚固段的岩层对于砂浆的粘结力需能承受极限应力。其中最后两条是影响注浆锚杆抗拔力的主要因素。2.1.4 锚固介质与锚杆之间的握裹力在一般较完整的岩层中灌注的水泥砂浆抗压强度应不低于 30MPa。如果严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，岩层锚杆的抗拔力和最小锚固长度一般取决于砂浆的握裹力。则:式中，Tu 为锚杆的极限抗拔力，d 为锚杆的直径，L。为锚杆的有效锚固长度，u为砂浆对钢筋的平均握裹应力。可知，只
15、要将孔口内的钢筋分成不同的区段，就可以根据各区段两端截面上的钢筋应力的数值，按上式计算求得各个区段中砂浆对于钢筋的握裹力 u。u 取决于砂浆于其周边以外砂浆之间的抗剪力，也就是砂浆本身的抗剪强度。但锚孔内砂浆握裹应力的分布情况相当复杂，在实际工作中，只考虑平均握裹应力的数值，并研究其所需的锚固长度。某些钢筋混凝土试验资料建议钢筋与混凝土之间的握裹应力大约为其标准抗压强度的 10%20%，据此假设锚杆钢筋的极限拉应力为 ，一根锚杆所需的最小锚固长度为:若据上式进行计算，在岩层中一般所需的锚固长度仅 1 一 2m 就够了，这已被铁道部科学研究院在多次岩层拉拔试验中得到证实。当采用热轧螺纹钢筋作为拉
16、杆时，在完整硬质岩层的锚孔中其应力传递深度不超过 2m。由此可见影响岩层锚杆拉拔能力的主要因素是砂浆的握裹能力。2.1.5 锚杆介质与围岩之间的粘结力在风化岩土层中，锚杆的极限抗拔能力取决于围岩对锚固介质所能产生的最大粘结力。应为:式中，D 为锚杆钻孔的直径， T 为锚杆介质与围岩之间的抗剪强度，其余同上。 的数值受地层性质、锚杆的埋藏深度、锚杆类型和施工灌浆等复杂因素的影响。即便在相同深度处: 值也可能由于锚杆类型和施工灌浆方法的类别有较大变化。锚杆孔壁与砂浆接触面的抗剪破坏，可能有以下三种:沿砂浆内的剪切破坏;砂浆接触面外围的岩层剪切破坏;沿砂浆和孔壁的接触面剪切破坏。一般而言，土层的强度
17、是低于砂浆强度，所以如果施工灌浆工艺好砂浆内的剪切破坏通常不可能发生，则砂浆和孔壁的接触面剪切破坏也不可能发生，因此土层锚杆孔壁对于砂浆的粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度。7.2 土层锚杆的失效机理通过前面对土层锚杆的病害调研及试验分析，作者认为，锚杆的失效机理可以概括为: “突破点破坏，复合体控制” 。在正常情况下，土锚复合体在整体失稳破坏之前，总是从一处或几处开始破坏作为突破点，这个突破点又使得下一部位产生新的破坏及突破。这可能导致另一些部位的破坏，发展到一定程度将引起整体失稳。在此过程中，土锚复合体可以充分利用自身的优点，以消除突破点或及时控制破坏过程，使其较快地向稳定状态转化。7.
18、2.1 点破坏土锚复合体是很复杂的结构物，其结构特性、强度条件和力学性质等千变万化;另一方面，土锚复合体所处的应力状态也是特别复杂的，因为这不仅取决于工程开挖条件，现时受构造应力场和残余应力的影响，而且还取决于整个坡体变形破坏的情况。这就是说，对于整个土锚复合体来说，不同部位的力学特性及应力条件都是不可能相同的。所以，如果发生破坏，也不会出现整体同时破坏的现象。其结果可能引起本来应力较低的其它稳定部位也发生高应力或应力集中的现象，而产生新的破坏。这些破坏通过其物理力学特性的改变和应力场的进一步调整而扩展到另一部位。可以想见，这种点破坏发展到一定程度就有可能引起首次破坏，而这次的破坏一般将导致土
19、锚复合体内部物理、力学性质和应力条件的更大的变化。只要条件合适完全可能引起一系列新的破坏。所谓土锚复合体破坏引起的物理力学性质的变化，系指包括土体结构面及土锚结合界面抗剪强度的降低、体积增加而容重减小等在内的一切物理力学性质的复杂现象。一般土体强度降低这一点对土锚复合体稳定性影响最大，而引起土体强度降低的原因是特别复杂的。7.2.2 土锚复合体的控制及调整在锚固系统中，锚杆和土体共同承受外力的作用。与土体相比，锚杆有较高的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度，在外部荷载作用下，土体首先进入塑性状态，土锚复合体内的应力将逐渐向锚杆转移。当土体内部出现前述的点突破时，锚杆会通过自身的弯剪、拉剪等复合作用，分担
20、系统上的大部分应力，延迟整个土锚复合体的塑性变形。另一方面，根据试验结果，随着土锚系统上附加荷载量级的增大，锚杆所承受的荷载值也在逐渐增加，杆体与注浆体之间结合应力的最大值部位以渐进的方式逐渐移向锚固段的末端，粘着力的最大值最初在锚固段的近端，即滑面处;当滑面处的粘着力被克服时就会产生滑动，即点突破，大部分结合应力就被逐渐传入锚固段远端，而锚固段近端的摩擦力只起到很小的作用。土锚复合体内的应力在不断调整、重新分布，转移到一定程度就会引起某一相对薄弱部位发生破坏;破坏后所引起的应力调整相对前面的点突破来讲是比较大的。那么点突破后它是进一步发展到不稳定状态，还是立即转入新的平衡状态呢？这就需要根据具体的条件而定。如若出现新开挖、地下水或地表渗水、施工水的严重渗透及地震等这些不利的条件，那么就可能引起新的破坏。
