錨固技術(shù)現(xiàn)況與趨勢展望范文

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引言

巖土錨固工程在近代巖土工程研究領(lǐng)域中,占有重要的地位。巖土錨固的研究對象是經(jīng)過漫長地質(zhì)年代的復(fù)雜地質(zhì)體,這些地質(zhì)體在地殼的內(nèi)力和外力地質(zhì)作用下,經(jīng)歷了一系列的演變過程,從處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)由于自然災(zāi)害或人為因素遭到破壞從而產(chǎn)生各類地質(zhì)災(zāi)害,例如山體滑坡、泥石流等。為了預(yù)防和治理此類災(zāi)害,工程上常運(yùn)用錨固技術(shù),將受拉桿件埋入巖體用于充分的發(fā)揮和提高巖土體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力,顯著縮小結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)的自重,有效控制其變形。

隨著中國工程建設(shè)的飛速發(fā)展,巖土工程作為工程建設(shè)中的重要分支,在鐵路隧道、巖土邊坡、基坑支護(hù)、壩基穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)抗浮與結(jié)構(gòu)抗傾等工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1巖土錨固工程研究現(xiàn)狀

巖土錨固技術(shù)在工程中的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)初,美國首先在煤礦巷道和其他演示礦山中應(yīng)用了錨桿支護(hù)頂板,如今,國外各類錨桿已達(dá)600余種,可適應(yīng)于各種地層,承載能力從幾噸到上千噸,每年的使用量達(dá)到2.5億根。我國的錨固工程始于20世紀(jì)50年代,隨著地下工程的發(fā)展,錨桿技術(shù)與噴射混凝土以及其他的巖土加固技術(shù)被逐步應(yīng)用[1]。在保證巖土工程安全和可靠的所有措施中,巖土錨固技術(shù)在多種工程處理技術(shù)中,無疑是最具有安全性和經(jīng)濟(jì)性的選擇。

由于巖土錨固工程技術(shù)的飛速發(fā)展,近年來被廣泛的應(yīng)用于邊坡加固和整治工程中,在很大程度上取代了傳統(tǒng)的漿砌片石式擋墻或重力擋墻結(jié)構(gòu);在相當(dāng)數(shù)量的深基坑工程中取代了水平橫撐式支擋結(jié)構(gòu);在幾乎所有的礦山法施工的地下工程中取代了分部開挖木支撐臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。在其他方面,如深基坑工程、抗浮結(jié)構(gòu)工程、大壩加固工程、抗震工程、工程拓寬工程以及懸索橋等錨固工程中,巖土錨固技術(shù)都發(fā)揮了很大的作用。

雖然巖土錨固技術(shù)在工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但是由于工程介質(zhì)的復(fù)雜性以及錨固方式的多樣性,國內(nèi)外還未出現(xiàn)統(tǒng)一的理論。對于巖土錨固技術(shù)的研究主要集中在錨桿粘結(jié)應(yīng)力分布特征的研究與改善錨桿荷載傳遞機(jī)理方面[2]。對錨桿荷載傳遞機(jī)理方面的研究,英國、美國、法國、加拿大、澳大利亞等國處于國際領(lǐng)先地位。國外學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)仿真試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究,分別對荷載從錨桿傳遞到灌漿體的力學(xué)機(jī)理、影響全長粘結(jié)式錨索承載力的因素、注漿錨桿的力學(xué)性能等方面進(jìn)行了細(xì)致的研究[3]。

我國的程奎良等通過對上海太平洋飯店和北京京城大廈兩個(gè)深基坑工程的研究,得到了對于拉力型錨桿錨固段粘結(jié)應(yīng)力分布形態(tài)的規(guī)律性認(rèn)識,唐湘民通過模型塊試驗(yàn)?zāi)M洞石加錨圍巖的變形、破壞,深入了錨桿分布形態(tài)及方式的研究。鄒志暉、汪志林通過相似模擬試驗(yàn),研究了錨桿在不同巖體中的工作機(jī)理。葛修潤、劉建武通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)和理論分析,探討了錨桿對節(jié)理面抗剪性能的影響以及桿體阻止節(jié)理面內(nèi)部發(fā)生錯(cuò)動的“銷釘”作用機(jī)制[4]。

通過近年來國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力,錨固技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用日趨廣泛,自20世紀(jì)80年代以來,已經(jīng)有大量的隧道與地下工程在地質(zhì)條件惡劣情況下,成功的采用了各種形式的錨桿技術(shù)配合噴射混凝土及注漿等綜合措施進(jìn)行了有效地加固。預(yù)應(yīng)力長錨索在大跨度的地下洞室及壩基的加固方面得到了廣泛的應(yīng)用。在沿途高邊坡工程中,錨固技術(shù)同樣也占據(jù)著不可或缺的重要地位。

2巖土錨固工程新技術(shù)、新工藝、新材料

為了改善錨桿在不同地質(zhì)條件下的工作適應(yīng)性并提高其經(jīng)濟(jì)適用性,近年來巖土工程中應(yīng)用的錨桿種類在國內(nèi)外不斷增多,工藝也在不斷的更新。

在國外巖土支護(hù)中,除了常用的機(jī)械錨固錨桿,樹脂或砂漿錨桿,以及鋼絲繩錨索外,近年相繼出現(xiàn)了幾種新型巖石錨桿。如全長楔形錨桿、組合式錨桿、縫管錨桿、脹管錨桿、玻璃纖維錨桿、自鉆錨桿、讓壓錨桿、可擴(kuò)張錨桿、高壓灌漿錨桿等。

國內(nèi)在20世紀(jì)70年代開發(fā)的樹脂錨固錨桿和80年產(chǎn)使用的快硬水泥卷錨固錨桿,均具有強(qiáng)度高、能及時(shí)提供支護(hù)抗力的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于鐵路隧道圍巖加固[5]。縫管錨桿則突出在能立即對圍巖施加徑向和軸向預(yù)加應(yīng)力,延展性較好,能承受巖石變形后增長的錨固力,適用于各種巖層以及受礦山動壓力作用下的巷道工程。可伸縮式錨桿又稱讓壓錨桿,讓壓錨桿可對大變形和受采動影響的礦山巷道洞室進(jìn)行有效支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)在各類地質(zhì)當(dāng)中的應(yīng)用在近年來得到了迅猛的發(fā)展,在我國的工程實(shí)例中,用于水電站中保證壩基穩(wěn)定采用的強(qiáng)大預(yù)應(yīng)力錨索最長可達(dá)90m,最大張拉荷載可達(dá)10000kN[6]。

由于錨固工藝取決于所采用的錨桿類型,所以錨固技術(shù)工藝上的新進(jìn)展主要取決于巖土工程中錨固機(jī)具的發(fā)展情況。在各種巖土預(yù)應(yīng)力錨固施工機(jī)具中,鉆孔機(jī)具是影響施工效果的最關(guān)鍵設(shè)備,與工程的經(jīng)濟(jì)性緊密相關(guān)。據(jù)估計(jì),國外目前約有30%的巖石錨桿用手持式輕型鑿巖設(shè)備安裝,半機(jī)械化安裝錨桿占60%,全機(jī)械化安裝已達(dá)到10%,這個(gè)比例還在逐年增加[7,8]。近年來,為了適應(yīng)大型巖土錨固工程對技術(shù)工藝的需求,我國一方面從瑞典(阿特拉斯公司)、美國(英格索蘭公司)、德國(克努伯公司)、意大利(土力公司)等國引進(jìn)各類履帶式液壓鉆孔機(jī),另一方面堅(jiān)持研發(fā)新型鉆孔機(jī)械。例如柳州機(jī)械廠研制的OVM錨具,具有良好的自錨能力,錨固效果系數(shù)ηA≥0.95,破斷總應(yīng)變εn≥2.0%,錨口摩阻損失系數(shù)為0.025,在國內(nèi)外許多大型巖土工程中應(yīng)用后,取得了滿意的效果。

在錨固錨桿的粘結(jié)材料方面,隨著各種水泥和各種高效早強(qiáng)劑的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了早強(qiáng)水泥卷的廣泛應(yīng)用,這類錨桿1h的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到5MPa~10MPa,粘結(jié)型錨桿2h的最高錨固力可達(dá)到150kN[9,10],能顯著的提高早期限制圍巖變形的能力,且成本相對較低,現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于有特殊需要的巖土錨固工程。在預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)材料這一方面,許多高強(qiáng)、低松弛效應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線不僅可以節(jié)約鋼材,方便施工,在減少預(yù)應(yīng)力損失方面具有更突出的特點(diǎn)[11]。

3巖土錨固工程發(fā)展方向

雖然巖土錨固技術(shù)在工程上取得了有效地認(rèn)可,但在理論研究上明顯存在滯后現(xiàn)象,與數(shù)量繁多的工程實(shí)例相比,對巖土錨固的理論研究只有定性的描述,并未得出統(tǒng)一的認(rèn)識與理論,在巖體力學(xué)參數(shù)的選擇上也存在難以把握的問題。目前,正是我國許多大型工程的啟動階段,例如西部大開發(fā),南水北調(diào)等重大土木工程,為巖土錨固技術(shù)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇與空間,同時(shí),也對巖土錨固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。

巖土錨固工程作為解決巖土工程中復(fù)雜巖體情況最有效,最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方法之一,已經(jīng)在國內(nèi)外各種邊坡穩(wěn)定、基坑支護(hù)、礦井支護(hù)、隧道圍巖支護(hù)等問題中得到了廣泛的應(yīng)用,且取得了有效地成果。隨著巖土工程的不斷進(jìn)步,巖土錨固技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展,其工藝簡單、適應(yīng)性廣使其具有極廣闊的發(fā)展空間,為了適應(yīng)這種迅猛的發(fā)展勢頭,巖土錨固技術(shù)今后發(fā)展方向?qū)⒅饕w現(xiàn)在錨桿結(jié)構(gòu)和錨固工藝的簡單化、多樣化以及錨固施工技術(shù)的機(jī)械化、發(fā)展配套的綜合錨固機(jī)具、開發(fā)錨桿新品種和新工藝、加強(qiáng)施工質(zhì)量控制及工程安全監(jiān)測等方面。