岩土锚杆抗拔原理分析

岩土锚杆抗拔原理分析

摘要：锚杆的抗拔作用力又称锚杆的锚固力，是指锚杆的锚固体与岩土体紧密结合后抵抗外力的能力，或称抗拔力。它除了跟锚固体与孔壁的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关外，还与地层岩土的结构、强度、应力状态和含水情况以及锚固体的强度、外形、补偿能力和耐腐蚀能力有关。

关键词：岩土；锚杆；应力状态；强度；

1 原理分析

岩层和土体的锚固是一种把锚杆埋入地层进行预应力的技术。锚杆插入预先钻凿的孔眼并固于其底端，固定后，通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一端用锚头固定。一种情况是锚头直接附着在结构上，以满足结构的稳定。另一种情况是通过梁板、格构或其他部件将锚头施加应力传递于更为宽广的岩土体表面。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。

锚杆和锚索有施加预应力与不施加预应力（即称为普通锚杆）之别。锚杆是受拉杆件的总称，与围护结构共同作用。从力的传递机理看，锚杆是由锚杆头部、拉杆及锚固体3个基本部分组成。锚索是一种主要承受拉力的杆状构件，它是通过钻孔将钢绞线或高强钢丝固定于深部稳定的地层中，并在被加固体表面通过张拉产生预应力，从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目的。预应力锚杆与非预应力（普通）锚杆的结构构造与基本原理存在差异，两者在地层中的力系是截然不同的。预应力锚杆除能控制结构物的位移外，具有多方面的优点锚杆的预应力水平视工程要求而异，通常是等于或小于锚杆拉力设计值。从设计的角度来看差别不大，对施加预应力者只需附加考虑预应力的效果是了，故本章讨

论时常常不加区别。主要探究在锚杆抗浮设计中的以下几个关键。

（1）锚杆的破坏形态

锚杆有以下的几种破坏形态：锚杆断裂；沿锚杆体与注浆体界面破坏；沿注浆体与地层界面的破坏；埋入稳定地层深度不够使地层呈锥体拔出；注浆体被地压等原因压碎丧失锚固能力；群锚失效。

锚杆锚固力的大小，除了锚杆体及钻孔等因素之外，更取决于地层受锚杆拉力时所能提供的抗力，这种抗力只有在大于锚杆锚固力时才能保证稳定。

在设计时应考虑到锚杆在最大承载力范围内工作时，能够避免以上破坏形式的出现。因此，要求在设计时，必须充分研究地层的基本力学性质和锚杆的相互作用问题，有效地选定锚固型式和锚杆类型，并进行合理设计。

2 锚固类型

为了增加锚固力，在锚固段的尾部常采取扩大头的办法。仅就锚杆而论，分全粘结型（为A型锚固）和端头锚固型（为B型锚固）2种，前者是一种不能对地层施工预应力的被动型锚固，要依靠地层变形为代价来发挥作用，仅用于变形量较小的岩土地层，且锚杆长度不大，是可以施加预应力的锚杆群某一根受到张拉或出于工作状态时，相邻锚杆锚固段将受到影响。这种应力的交互传递是导致群锚的效率低于单锚的主要原因。Petrasovits认为这种影响因距离、地层硬度、地层构造面、距离越大影响越小，而硬度越大影响越大；构造裂隙和缺陷越多，影响越小。锚杆群的相互影响的研究被公认为是比较困难的，但专家们都一致认为，锚杆群的总体锚固效率总是低于单根锚杆的锚固效果。

锚杆群设计，在德国工业标准（DIN4125）中规定采取一个折减系数来反映这种低效率的影响，coates和Yu研究的结果认为，锚杆群钻孔间距应大于4倍的钻孔直径，否则每根锚杆的加固去严重地相互叠加，导致锚杆群出现更低的效率而不合算了。

结构物成功地锚固于地层取决于地层抵抗锚杆被拔出的抗力。这种抗力必须等于或大于锚杆上的作用力与其所需安全系数的乘积。该抗力主要是由地层的力学性质，特别是它的剪切强度，即承受锚杆锚固体压缩应力那部分地层和不受这种应力直接作用的那部分地层之间的剪切强度决定的。地层的抗力还取决于锚杆的构造，特别是锚杆锚固段的直径和长度以及固定于地层的方法。

锚固段并不是越长越好，一般来说不同地层有一个较为合理的最优锚固段长度，锚固段太长有时还会破坏和扰动希望予以加固的地层，如图2-10所示。开始加载起锚固作用主要发生在端部，以后继续增加荷载端部粘结抗剪强度超过极限强度就退出工作，是提供粘结强度的区域内移，内部的锚固段开始起作用。一次类推，外部这部分被锚固的地层势必会由于粘结力的破坏受到扰动，至少周围的粘结力受到了破坏。确定锚索锚固的长度一般应符合下列要求：自确定锚索锚固段长度时，应分别对锚索结合长度和握裹长度分别进行计算，实际锚固段长度去较大值。阻止锚固体从土体中被拔出的抗力是由土体与锚固体界面上的粘结摩阻力决定的。应当指出，粘结摩阻力在整个锚固体长度上分布是不均匀的，而粘结摩阻力值与土的渗透性、灌浆压力有很大关系。对粗颗粒的砂质土中的锚固，德国Ostermayer等曾测得锚固长度为2m、3 m和4.5 m的灌浆体与土体间的表面摩阻力的分布，并获得以下一些结论：在很密的砂中锚固，最大表面摩阻力分布在很短的锚固长度范围内；在松砂和中密砂中，锚杆与地层的弹模比高，表面摩阻力接近于理论假定的均布清况；随着荷载的增加，峰值表面摩阻力逐渐移向锚固段底端；较短锚杆的平均表面摩阻强度要大于较长锚杆的平均表面摩阻强度；砂的密实度对表面摩阻强度有重要影响，从松砂到很密的砂，平均表面摩阻强度要增加5倍。

3 结论

设计锚杆时应根据计划与调查结果，充分考虑与其使用目的相适应的安全性、经济性与可操作性，并使其对周围构筑物、埋设物等不产生有害的影响；设计锚杆时应确保被锚固的结构物或构筑物受施工荷载及竣工后荷载作用时有一定安全度，并不产生有害变形。

参考文献：

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资助项目：

辽宁省科技厅博士启动基金项目（No.20180540101）；辽宁省教育厅一般研究项目（No.L2017lkyqn-02））