浅析全长锚杆在软弱围岩中的作用机理

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1、浅析全长锚杆在软弱围岩中的作用机理[摘要]随着近年来隧道建设的迅速发展，各种锚杆在不同地质条件下的应用也越来越广泛。在我国隧道中应用最普遍的就是砂浆全长锚杆。而对于全长锚杆的作用机理目前还没有十分清晰的认识，本文通过对Ⅵ级软弱围岩中不同长度全长锚杆的作用形式进行数值计算分析，得到全长锚杆在软弱围岩中的受力及变形情况，以期对指导工程施工有所帮助。[关键词]全长锚固锚杆软弱围岩塑性区竖向位移掌子面1引言锚杆作为一种原位岩土体加固的方法，自诞生之日起即获得广泛应用，经过几十年的研究和工程实践，被国内外岩土工程界公认为是直接加固岩土体的最具发展前途的方法。在现阶段，岩土锚固已成

2、为我国隧道、巷道、地下洞室、基坑、边坡、坝体及抗倾、抗浮等工程中不可或缺的主动加固措施。特别是随着新奥法在隧道工程中越来越广泛的应用，锚杆的主动加固控制变形而又允许变形充分体现了新奥法的思想，所以在隧道开挖中常常会用到锚杆，特别是在土层条件差Ⅳ-Ⅵ级围岩中。2锚杆支护的工作原理锚杆是从内部补强围岩的技术手段，提高裂隙围岩的抗裂强度，改善围岩的物理力学指标，更可以将不连续的岩体联系在一起，充分发挥围岩的自承载能力，其作用机理可以从隧道周边岩体和被节理、裂隙或断层切割后的局部围岩两种情况来考虑：2.1锚杆在岩体中的作用机理2.1.1硬岩围岩强度大，隧道周边围岩没有塑性变化，

3、不需要内压效果，同时，硬岩的力学强度是充分的，其稳定性通常是由裂隙等力学上的不连续面所控制，锚杆可以保持岩块和控制岩块移动，使围岩成为一体，并促进平衡拱的形成。2.1.2软岩软岩中，隧道周边围岩发生塑性变化，锚杆提供内压阻止塑性变形的扩展，在此过程中以提供内压效应和形成平衡拱效应为主。2.1.3土砂围岩在埋深小的土砂围岩中，喷射混凝土的效果是明显的，根据资料显示，拱顶附近的锚杆几乎不受拉力而只发生压力的情况时有发生。因此，土砂围岩下，锚杆以加强拱脚附近和防止掌子面的崩塌为主。能够发挥锚杆效果的围岩需要具备适当的条件：锚杆和围岩间要有适当的锚固力；在不连续围岩中锚杆要横切

4、不连续面布设；连续围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移要大。不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果，如含水量大的黏土、松砂等，需采用注浆等方法处理后才能设置锚杆。2.2锚杆在局部围岩中的作用机理隧道开挖后围岩的节理、裂隙或断层切割情况是千变万化的，从加固这些软弱面或断层的目的出发，锚杆加固的作用机理主要有以下几种：2.2.1悬吊岩块由于隧道围岩被节理、裂隙或断层切割，开挖爆破震动可能引起局部岩块失稳，采用锚杆将不稳定岩块悬吊在稳定的岩体上，或将应力降低区内不稳定围岩，悬吊在应力降低区以外的稳定岩体上。在侧壁则用锚杆阻止岩块滑动。在一般围岩中采用以悬吊效

5、果为目的的锚杆时，可采用HPB335，因发生的轴力不大，可采用直径小的锚杆，但在裂隙发育的围岩条件下，不能期待锚杆的悬吊效果时，考虑与辅助工法并用。锚杆应视裂隙或节理状况布设于隧道拱部。2.2.2产生内压和拱效果软弱围岩开挖后，使洞内临空面变形较大，当坑道周边布设系统锚杆，向围岩施加径向锚杆施加的径向压力而形成承载拱后，便与喷射混凝土共同承受围岩的变形压力，可减少围岩的变形，提高围岩的整体稳定性。系统锚杆布置应沿隧道周边均匀布置，呈梅花形布置。在隧道横断面内，锚杆方向宜于岩层面垂直。一般围岩可采用HPB335，直径22mm的锚杆，当围岩变形大于50mm时，可采用高强度或

6、大直径的锚杆，或者减小锚杆间距。因高强度钢的延展性差，选择时要考虑位移值的大小，同时还要考虑施工难度和经济性。锚杆布设于隧道全断面或除仰拱以外的部分。2.2.3组合梁作用在水平或倾角较小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合，形成类似组合梁的结构，能增加层面间的抗剪强度和摩擦力，从而提高围岩的稳定性。一般可采用HPB335钢。3全长锚杆的受力特征3.1全长锚杆的类型全长锚杆包含有普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆、水泥药卷锚杆、中空注浆锚杆、自钻式注浆锚杆等。一般是在锚孔内填充锚固材料插入锚杆锚固，或者是锚杆插入后压注锚固材料锚固的方法。因用锚固材料全长黏结，锚

7、杆全长范围都能约束围岩。长黏结型锚杆在硬岩、中硬岩、软岩、土砂围岩中均可采用。3.2全长锚杆的作用机理全长锚固锚杆是靠锚杆与孔壁之间的粘结（包括锚杆与包裹物及包裹物语围岩之间的摩擦）剪应力来阻止岩石向自由面变形的。剪应力大小与岩石和锚杆之间的相对位移成正比。锚杆锚固变形后，剪应力的大小和分布情况，目前还未清楚。王敦子在他写的均匀岩体中全长粘结式非预应力锚杆长度的探讨中认为锚杆轴向应变与周围岩体同一方向的应变符号相同；有的资料如高磊等著的矿山岩体力学中就把锚杆与孔壁之间的剪应力表示成指向同一个方向；这些都是不正确的，王明恕在他所写的全长锚固