锚固技术

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锚杆加固机理及其在边坡工程中的应用

一、引言

岩土工程中的锚固技术是应用锚杆或锚索对岩土体进行加固，可充分地发挥岩土

体自身稳定能力，是一种对原岩扰动小、施土速度快、安全可靠以及经济有效的加固手段，

在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设和采矿工程等行业中得到了广泛的

应用，并获得巨大的成功，取得了良好的经济和社会效益。锚固技术的发展和应用是现代岩

土玉程的一个重要标志，目前锚固技术的发展正处于方兴末艾的时期，锚固理论的深入探讨

和研究，对推动岩土工程领域的发展有着极其重要的意义。

岩土工程中所使用的锚杆是一种安设在岩土层中深部的受力杆件，它的一端与工程

建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预应力，以承受土压力、水压力

或风载荷所产生的拉力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑

物的稳定。

二、边坡工程中锚杆支护的发展

目前而言，国内外很多学者都侧重于研究加锚节理岩体的模拟计算方法。英国的Pande

等人侧重研究了加锚节理岩体的模拟计算方法;Egger对加锚岩体的力学性质作过大量的实

验研究;马来西亚的在1984年利用有限单元法分析了在拉拔力作用下岩体注浆锚杆

的荷载传递机理，并且指出了锚杆侧剪应力的均匀分布假设是错误的。印度的

(1988年)采用等效介质的方法应用粘弹塑性理论分析了锚杆在岩质边坡中的加固机理。韩国

的(1993年)提出了与节理单元配合使用的二维锚杆离散模型。加拿大的B.

Benmokran(199年)利用室内模型实验分析了锚杆的抗拔机理;瑞典的(1999年)针对锚

杆安装在均匀变形岩体中、受拉拔力作用和节理的张开作用三种情况，分别提出了相应的锚

杆分析模型，并探讨了锚杆在三种情况下的应力分布和变形特点。GargeV.k.(1991年)对节

理岩体的锚杆提出了大变形的有限元分析方法；我国浙江大学的杨延毅、中科院武汉岩土研

究所的朱维申、李术才从断裂力学的角度分析了锚杆对裂隙岩体的加固机制。宋宏伟等于

2002年通过数值模拟和新的研究模型研究锚杆和非连续岩体的相互作用，发现了锚杆在非

连续岩块的锚固中受到剪切时，存在锚固岩块分离的力学现象，称为“导轨作用”，导轨作

用的存在，使两岩块分离或出现分离趋势，这不但没有增加锚固岩块间的相互作用力，而且

使相互作用力变小甚至为零，削弱节理面的抗剪强度，对锚固效果产生负面影响，该发现对

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传统的锚杆作用提出了质疑。北京建筑设计总院的程良奎、范景伦等人通过大量的锚杆试验

和工程实践，提出了“岩土锚固墙”的新概念。

三、锚杆在边坡工程中的支护机理

综合起来，锚杆在边坡工程中的支护作用主要表现为对节理裂隙岩体等不连续面的加强效

应，归纳起来主要有以下一些作用

1、增韧止裂机理。

边坡中的卸荷裂隙随着侧向压应力逐渐解除，并局部进入微拉时，经历张型起裂，并在断续

卸荷的自身平面内由稳定扩展到失稳，岩桥击穿而相互贯通破坏。设置锚杆主要作用可看成是对

卸荷裂隙提供桥联作用，以阻止或延缓其张裂扩展过程，进而改善边坡岩体的变形与强度性质。

2、销钉作用

销钉作用认为锚杆在加固软弱结构面时，凭借杆体自身的抗剪能力阻止结构面的相对滑动，

从而提高了结构面的抗剪强度和粘结力。

3、剪胀效应机理

当岩体中的粗糙不连续面发生剪切位移时，不连续面的两壁因剪胀而产生扩容，使得贯穿

不连续面的锚杆受拉产生附加的法向应力，并通过不连续面的摩擦效应提供附加的抗剪强度。

4、预应力作用

预应力作用能有效的降低或消除岩体中的拉应力和剪应力，使应力集中现象得到缓解，从

而改善了岩体的应力状态，同时，预应力使加固区的节理裂隙闭合，使节理裂的连通率降低，从

根本上提同了岩体的抗剪强度。

5、组合梁作用

根据组合梁作用原理，我们将薄层状岩体看成一种梁(简之梁或悬臂梁)，未锚固时，它们

只是简单地迭合在一起。由于层间抗剪力不足，在荷载或自重作用下，单个梁均产生各自的弯

曲变形，上下缘分别处于受压和受拉状态。锚固后，将形成组合梁，岩体相互挤压，层间摩擦

阻力大大增加，内应力和挠度大为减小，于是增加了组合梁的抗弯强度。当将锚杆埋入岩土体

时，数层岩土体组成的组合梁将大大提高岩土体的承载力。锚杆提供的锚固力愈大各岩土层间

的摩擦阻力愈大，组合梁整体化程度愈高，其强度也愈大。

6、挤压加固作用

预应力锚杆锚入松动岩土体后，其两端附近形成以锚杆两头为顶点的锥形压缩区。若将

锚杆以适当间距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相重叠，在预应力作用下，便形成一定厚

度的连续压缩带。同时由于预应力的存在，在压缩带中的岩土体处于三向应力状态，提高了

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岩土体强度，在较为破碎的岩土体中安装预应力锚杆，可以使没有多大粘结力的碎石土加固

成能承受较大荷载的整体“结构”。这就是锚杆的挤压加固作用。

四、边坡工程中锚杆支护的设计方法

在边坡工程中，锚杆支护常常用于加固不稳定楔形体，并以充分发挥锚杆的抗剪作

用为目的。其设计常采用极限平衡法和静力平衡原则，而静力平衡原则更强调的是不连

续面和锚杆共同承担荷载，为了充分调动不连续面的抗剪强度，允许不连续面有一定的

剪切位移。为了获得锚杆相对于不连续面的最佳安装角，一般对锚杆的安装方向有一定

的要求。

随着有关锚杆支护机理的研究不断深入和现代计算机技术的发展，有限元数值方法

在边坡锚杆设计中得到了广泛的应用，并逐步趋于完善，在有限元法中，又分离散模型

和连续模型两种。在锚杆数量较少、主要地质构造面的产状和力学参数比较清楚的情况

下，可以采用离散模型对所有的锚杆一一进行模拟;当节理裂隙发育、锚杆数量又比较

多时，采用等效连续模型比较适合。

五、锚固技术的评价

1、优点

采用锚固技术可使边坡岩土体形成一个复合整体，从而增加边坡的稳定性，改善和提高

滑动面的抗滑性能。该技术即使在不利的自然条件下，也能有效地保证行车安全，较之其它

保护工程技术具有高效、稳定的特点。而且整治完工后，不需大量的人力、物力来养护便能

有效地保证其耐久性。在对高陡边坡的整治中，锚固技术的优点更为突出，在经济性和有效

缩短工期方面有不可替代的作用，如利用预应力锚索加固高陡边坡与其它方案相比较，可降

低造价20%~30%，缩短工期50%。

2、缺点

(1)因采用岩土锚固技术整治高陡边坡时易造成人员伤亡，所以需要高度的安全保障措

施。

(2)虽然利用锚固技术对保护生态环境具有积极的作用，但锚固工程所采用的材料色彩

单一，令人感到单调、枯燥不舒适。

(3)工程成本较大，所用的设备较多，此外在施工中的隐蔽工程较多，质量控制和检查

难度较高。

(4)施工工艺较为复杂，特别是采用预应力锚索加固时施工难度较大。

3、锚杆自由段、锚固段的确定

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土层锚杆是一种埋入土层深处的受拉构件，一端与工程构筑物相连、另一端锚固在土层

中，整根锚杆长度分为自由段和锚固段。自由段是将锚头处的拉力传至锚固体的区段，其功

能是对锚杆施加预应力;锚固段功能是通过锚固体与土层的粘结摩阻作用或锚固体的承压作

用，将自由段的拉力传至土层深部。一般来说锚杆自由段Lf是根据基坑土体滑裂面计算出

来的，见图1。

图1土层锚杆计算简图

f

sin45

2

()

sin45

2

Lhab



























(1)

而锚固段长度La则一般根据锚固承载力来估算

a

L=

P

Dq

（2）式中，q为与土体粘

结强度、钻孔方法、土壤性质、内摩擦角θ、抗剪强度、固结强度、锚杆上覆土厚度、灌浆

压力等有关的参数，一般由试验确定，也可按规范取值;P为锚杆承载力;D为锚固段直径。

4、锚杆承载力的提高

通过式(2)明显看出，要提高锚杆承载力，可加大D

a

L值或增大q值。工程实践及大量

实验表明锚固长度

a

L并不与P成线性关系，当

a

L大于10m后P值的增幅就很小。目前提高

P主要依靠在锚固端头扩体和二次灌浆技术，通过扩体不仅增加了锚固段表面积，达到增加

承载力的目的，更重要的是扩大头前端土体所给予的阻力及端承力，其力学计算简图见图2。

另外可用二次、三次高压灌浆法提高锚固力，灌浆可通过渗透挤压作用增加了锚固体周围土

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体的抗剪强度、增加了锚固段的表面积，一般可提高锚固力两倍以上。

图2端部扩大头锚杆力学计算简图

六、结语

锚杆施工作为一种方便、高效、经济的支护方式，在整个支打‘技术中占有重要地位。

随着今后信息化施工的不断发展、大量试验数据的收集，相信锚杆设计、施工技术将越来越

成熟、越来越完善，在边坡支护工程中发挥更大的作用。

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