錨固效應長程效應研究現狀概述

摘要：節理裂隙的萌生、成核、擴展直至貫通，是造成巖體失穩、垮塌、滑坡的根本原因。錨桿加固技術，經過不斷改進和發展，現在已經廣泛應用于巖體工程，成為不可或缺的支承和加固結構，以往裂隙巖體加固機理研究著眼于被錨桿直接穿過的裂隙的加固上，最新研究表明錨桿對巖體的加固具有長程效應。從非局部化理論上講，研究尺度應大于材料的代表性體積單元（RVE）尺度，連續性假設才能成立，經典的彈塑性本構關系才能應用，而實際錨桿尺寸往往大于巖體的RVE 尺寸，這破壞了連續性假設條件，必須用非局理論來描述錨桿的錨固效應。

關鍵詞：巖體；錨固效應；長程效應；代表性體積單元

近年來，隨著國民經濟的持續高速增長，國家對地下硐室的開發利用的需求日益增加，越來越多的工程建設在巖體中。自然界中的巖體（Rockmass）經歷過漫長的成巖與復雜構造運動，均以節理裂隙巖體的形式賦存，并處在一定的地質和應力環境中。

節理的存在及演化決定著巖體的力學特性，大量工程實踐表明：在工程建設產生的二次應力場作用下，節理裂隙的萌生、成核、擴展直至貫通，是造成巖體失穩、垮塌、滑坡的根本原因。錨桿加固技術，已有近百年的歷史，經過不斷改進和發展，現在已經廣泛應用于巖體工程，成為不可或缺的支承和加固結構，與噴砼支護、監控量測并列為“新奧法”施工的三大支柱。錨桿的加固作用十分明顯，尤其在節理巖體中，但是對巖土錨固機理的研究還不夠深入和完善。正如陳宗基老先生所言：“新奧法盡管已獲得了許多成功，然其物理的過程還需進一步地澄清。在開挖復雜的隧道中考慮用噴漿，鋼筋網，錨桿和錨注技術……迄今還沒有完全掌握此法的基本原理”。

錨桿對裂隙巖體加固機理研究是當前巖石力學的熱點問題，以往研究的著眼于被錨桿直接穿過的裂隙的加固上，尚缺乏對錨桿相鄰區域裂隙的加固效果研究，最新研究表明錨桿對巖體的加固具有長程效應。從非局部化理論上講，研究尺度應大于材料的代表性體積單元（RVE）尺度，連續性假設才能成立，經典的彈塑性本構關系才能應用，而實際錨桿尺寸往往大于巖體的RVE 尺寸，這破壞了連續性假設條件，必須用非局理論來描述錨桿的錨固效應。

隨著錨桿技術的廣泛使用，各國學者紛紛開展錨固作用機理方面的研究，五十年代末，Louis Panek，Jacob，L.V.Rabcewicz 和T.A.Lang 等人相繼提出的懸吊理論、組合梁理論以及組合拱理論。初步為錨桿支護技術的推廣應用提供了理論基礎。隨著研究的深入，研究者把重點放在了錨桿受力變形及強度特征的研究上，主要是拉拔與剪切試驗。Farmer在研究張拉荷載作用下錨桿的力學行為方面作了基礎性工作，隨后Freeman、Stillborg、楊松林等、陳妙峰等也做了類似研究，結論是錨桿的抗拔性能很大程度上受粘結材料強度和錨桿幾何尺寸的影響。Bjurstr?m、Haas和Hibino 和Motojima最早是針對錨桿抗剪切性能作系統研究工作的人，隨后Egger 等，發現節理面與傾斜錨桿之間的最佳安裝角度及剪力與節理面粗糙度的關系。Ludvig、Schubert、Roberts、McHugh 和Signer、Grasselli也做了卓有成效的研究。葛修潤等進行了加錨節理面抗剪性能的室內模擬試驗，探討了錨桿對節理面抗剪性能的影響以及錨桿阻止節理面發生相對錯動的銷釘作用機制。

圖1 錨桿支護控制作用應力等值線

為分析錨固體力學效應及端錨預應力錨桿作用范圍，趙國彥、劉立順等利用彈性力學分析方法分析錨固范圍，得出錨固范圍與有效錨固長度和有效預應力的關系。研究表明：錨固范圍隨有效錨固長度和有效預應力的增加而增大；在目前礦山常用有效錨固長度和有效預應力下，最優錨固間距在0.6～1.4m之間。

韋四江，李寶富采用數值模擬方法研究了預緊力錨桿作用下錨固體的形成因素及原巖應力作用下錨固體的失穩規律。結果表明：預緊力一定時，錨桿間距越小，附加應力就越大；錨桿間排距一定時，預緊力越大，附加應力就越大，附加應力在錨固體范圍巖體中呈紡錘形，壓力從巷道表面處逐漸衰減，在錨固起始端呈錐形分布；錨固段越短或預緊力越大，壓縮區域就越大，錨固體的范圍就越大，但錨固段長度對錨固體的影響較為明顯。原巖應力環境中，巖體強度、錨桿預緊力、原巖應力側壓系數、埋深、錨桿間排距等對錨固體失穩的作用依次減小。

圖2 巖體中錨固體范圍呈紡錘形

陳浩等開展了不同長度錨桿支護條件下的隧道超載試驗，測量兩種不同長度錨桿支護工況下的隧道關鍵部位的應變值，結果表明：支護強度的提高對圍巖的峰值強度和殘余強度均有著明顯的提高，錨桿長度的增加會導致錨固范圍的增加，加設襯砌后由于襯砌承擔了部分的支護作用，導致錨桿的軸力下降。以上列舉的研究表明錨桿對巖體中裂隙具有長程加固作用，錨固效果是非局部化的，而以往只注重錨固效果的局部化，忽略了非局部化，所以對裂隙巖體錨桿加固止裂過程中所呈現出的非局部化特性開展研究是十分必要的工作。

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