岩土錨固技術是近代岩土工程領域中的乙個重要分支.錨固技術,國內習慣統稱為錨桿支護技術,國外一般稱錨固技術或錨桿加固技術.它是一種結構簡單的主動支護,它能最大限度地保持圍岩的完整性、穩定性,能有效地控制圍岩變形、位移和裂縫的發展,充分發揮圍岩自身的支撐作用,把圍岩從荷載變為承載體,變被動支護為主動支護,且具有運輸施工方便、效率高,有利於加快施工進度,且施工成本低、支護效果好、施工噪音小等優點.
,錨固技術至今已有100多年的發展歷史.錨固技術作為一種技術經濟優越的技術手段,越來越廣泛地應用於各個工程領域,目前不僅廣泛應用於世界主要產煤國家,而且也推廣應用於冶金、水利水電、鐵路公路、軍工及建築等工程之中,伴隨著「21世紀-地下工程的世紀」的來臨,可以預見,該技術必將得到更廣泛深入的研究和推廣應用.
1.錨桿支護的特點
與傳統的支護方式相比較,錨桿錨固技術有其自身的鮮明特點. 錨桿錨固是在地層中,通過錨桿將結構物與地層緊緊連鎖在一起,依賴錨桿與周圍地層的抗剪強度傳遞結構物的拉力,使地層自身得到加固,達到保持結構物和岩體穩定的目的.
(1) 能在地層開挖後,立即提供支護抗力,有利於保護地層的固有強度,有效阻止地層的進一步擾動,控制地層變形的發展,將結構物、地層緊密連鎖在一起,形成共同的工作體系,提高施工過程的安全性.
(2) 提高地層軟弱結構面、潛在滑移面的抗剪強度,改善地層的力學效能、應力狀態,使其向有利於穩定的方向發展.
(3) 錨桿的作用部位、方向、結構引數、密度和施工時機可以根據需要方便地設定和調整,能以最小的支護抗力獲得最佳的穩定效果.錨桿亦可以顯著節約工程材料,有效地提高場地的利用率,經濟效益十分顯著.
2.我國的錨桿支護現狀
2023年英國北威爾斯露天頁岩礦首次應用錨桿加固邊坡以來,從最初人們的懷疑、疑慮,發展到今天已有100多年的歷史,錨桿支護憑藉顯著的技術經濟優越性,已經幾乎不受限制地廣泛應用於岩土工程的各個領域.
我國於20世紀50年代開始試用錨桿支護技術,至70年代前期還處於探索階段,直到2023年才開始重點推廣,至80年代向英國學習錨桿支護技術後推廣到煤巷支護,90年代又向澳大利亞學習引進成套先進的錨桿支護技術,目前已得到較廣泛的推廣和應用.在一些礦區的錨桿支護巷道比例達到90%以上,有些礦井甚至達到了100%,取得了較好的技術與經濟效益.
我國的錨桿加固技術於20世紀50年代開始起步，在最近20年得到了快速發展，目前已經得到了廣泛的應用．據估計，在2023年至2023年間，我國僅在邊坡工程和深基坑工程中的錨桿年用量就達到了3000-3500ｋｍ．目前，我國正在進行大規模的基礎設施與各類礦山及隧道工程建設，錨桿支護得到了普遍應用．
3.錨桿支護理論
岩土體在工程開挖之後，其初始的應力平衡狀態會遭到破壞，為了達到新的平衡狀態，應力場將重新分布，從而導致岩土體在一定範圍內出現彈塑性變形、地層膨脹變形，使岩土體出現碎裂帶；若地層開始處於高應力狀態，還可能發生岩爆，嚴重的影響工程質量，威脅施工人員的安全.
錨桿加固技術是一種柔性加固技術，它能充分利用岩土體自身的承載力保持岩體的穩定，使加固體不被破壞．它本質就是通過錨固加
強岩土體的整體性，控制開挖後岩土體的變形，避免應力的突然釋放，從而保證工程順利、安全地進行．
目前，已經廣為接受的錨桿支護理論主要有:
(1) 懸吊理論認為錨桿的作用是將鬆散、軟弱的岩土體懸吊在堅硬、穩定的岩土體上，從而起到加固作用．
(2) 組合梁理論將錨桿看做螺栓，將各薄層岩土體看作是疊合在一起的梁結構，通過錨桿的錨固將其緊固成乙個組合梁，且錨固力越大，梁之間的摩擦力越大，岩土體也就越穩定．
(3) 組合拱理論是在光彈試驗的基礎上提出的，試驗證實了錨桿對地層的擠壓加固作用．錨桿進入岩土體後，會使岩土體出現以錨桿兩頭為頂點的塑性壓縮區，若有一排錨桿適當排列，則會形成一定厚度的連續壓縮帶，從而起到加固岩土體的作用．
(4) 最大水平應力理論.它由澳大利亞學者蓋爾提出.最大水平應力理論認為,礦井岩層的水平應力通常大於垂直應力,水平應力具有明顯的方向性,最大水平應力一般為最小應力的1.
5~2.5倍.巷道頂底板的穩定性主要受水平應力的影響,且有以下特點:
其一,與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小,頂底板穩定性最好; 其二,與最大水平應力呈銳角相交的巷道,其頂底板變形破壞偏向巷道的某一側壁; 其三,與最大水平應力垂直的巷道,頂底板穩定性最差.
(5) 錨桿支護圍岩強度強化理論.它由中國礦業大學壓力研究所在分析已有成果的基礎上研究提出的.該理論揭示了錨桿的作用原理和加固圍岩的實質,並為合理確定錨桿支護引數提供了合理的理論依據.
(6) 圍岩鬆動圈理論.它是中國礦業大學針對煤礦巷道的錨噴支護首次提出的.該理論認為,由於巷道的掘進,破壞了原岩應力的平衡,改變了原岩應力狀態,當圍岩應力公升高範圍的岩體強度低於其應力時,發生屈服破壞,這種破壞將由巷道周邊向深部發展.
由於巷道周圍形成了不利於圍岩穩定的鬆動圍岩,由此,鬆動圈的範圍就決定了巷道的穩定性,也是錨桿支護設計的依據.該理論還提出了與之相應的支護引數,並提出可以用聲波測試確定鬆動圈的範圍.它的創新之處在於:
明確了巷道支護物件,既不是彈塑性支護理論中的塑性區岩體,也不是冒落拱內的岩石重量,並強調了鬆動圈形成的時間性,以及發展的漸進性和動態變化.不足之處:它並沒有體現支護於圍岩的相互作用,再者當軟弱破裂巖不同程度地含有粘土質膨脹物時,很難通過聲波測試出確切的鬆動圈範圍.
4.錨固技術的發展特點
乙個世紀以來,國內外岩土錨固技術無論在理論研究、技術創新或工程應用方面,都取得了飛速的發展.近20年以來,岩土錨固的主要成就和最新的發展主要表現在以下幾點:
(1) 錨桿的應用領域和規模不斷擴大.錨桿錨固技術除了在地下工程、邊坡工程、結構抗浮工程、深基坑工程繼續保持著良好的發展勢態之外,還在重力壩加固工程、橋梁路基工程以及抗傾覆、抗**工程中的地層錨固方面有了長足的發展.
(2) 錨桿型別的多樣化.目前世界各國均在結合本國岩土工程的地質及生產條件,發展適宜的錨桿型別,比如:美國使用了樹脂錨固鋼筋錨桿、機械式錨桿、管縫式、水力膨脹式錨桿、混合式錨桿等.
德國除了發展樹脂錨固金屬錨桿以外,還大力發展可伸長錨桿.他們認為,安裝錨桿的目的是為了控制圍岩的變形,但在圍岩大變形的情況下,要使錨桿本身不受損壞,發展即具有足夠的支護阻力,又有一定延伸性的可伸長錨桿是必要的,目前他們已經研製出了若干種型別,有的伸長量可達50%.
(3) 錨桿的標準化建設日益完善.20世紀70年代以後,由於岩土錨桿的迅速發展和廣泛應用,前德國、瑞士、英國、美國、中國的香港特別行政區、國際預應力混凝土協會、澳大利亞、日本以及我國等許多國家、地區或機構先後制定了錨桿規範與推薦性標準,從而使岩土錨固的應用沿著經濟合理、技術先進、安全可靠的軌道發展.
(4) 錨桿日益向高強度、超高強度發展,其技術途徑主有以下兩點:一是研製強度高和具有較好延性的新型材料;二是加大錨桿直徑.
(5) 施工機具的完善與進步,相應的監測技術與裝置的開發研究.早先的錨桿施工,人工勞動佔50%以上,機具不配套,施工質量難以保證.目前,已經有較為先進的、大功率的、全套性的施工裝置,可以一次完成鑽、裝、安等相應工序.
這些裝置加快了施工進度,並提高了錨桿技術的可靠度.
5.發展中存在的問題
(1) 力學模型和分析方法方面還不夠完善,有待進一步研究.目前的技術標準主要是經驗性的,儘管有多種對錨固機理的解釋,但這些解釋中有多半帶有經驗性和表象性,或只是在某一種特殊情況下適用.
(2) 在錨固理論和工程實踐相結合這一領域的研究,就目前來說還幾乎是個空白,這需要通過對錨固理論的深入認識來解決.
(3) 影響錨桿作用的各種因素也是乙個值得深入**的問題
(4) 錨桿與錨固劑的產品質量.錨桿的材質、結構與力學效能密切相關,錨固劑的質量指標是保證支護可靠度的重要一環,澳大利亞、英國、美國等國家很重視錨桿及錨固劑的生產,並制定了相關的技術效能質量指標.但目前在我國,煤礦上使用的錨桿及其構件很多是自產自銷,存在較大的隨意性,缺少必要的監測和監督.
錨固劑的質量也缺少相應的規範標準,需要有相關部門制定統一的錨桿系列和錨固劑系列的質量標準,規範其生產,盡量使錨桿支護安全隱患排除在礦井之外.
(5) 錨桿檢測儀器與檢測技術.檢測是監督施工質量、保證錨桿支護安全可靠的重要手段.錨桿支護是一項隱性工程,因而及時有效的施工檢測顯得尤其重要.
英國煤炭總公司技術部在總結維斯多夫礦使用錨桿的經驗時,將「使用綜合測量裝置,對安裝好的錨桿進行監測」作為
成功的5項經驗之一.我國雖也十分重視錨桿支護的監測工作,先後研製出了一些監測與檢測儀器(錨固力測定儀、超聲波圍岩裂縫探測儀
等),但效能不高、功能不全,還未形成系列配套的綜合檢測技術,錨桿檢測是設計與施工質量與安全工作的重要保證,因此,加大監測儀器儀表的研製力度是十分必要的.
(6) 錨桿支護人員的培訓.人是一切工作的制定者和執行者.從設計到施工這些工序當中無一不是由人來操作完成,這就要求工作人員有一定的判斷識別能力,但是正確的工程判斷不是天生的,而是來自於工程經驗的積累、資料的總結、資訊的使用和知識的外延.
英國的維斯多夫礦成功使用錨桿的一重要經驗便是「健全的培訓和監督體系是管理工作的保證」.目前我國煤礦施工隊伍的整體人員素質不高,使得施工質量難以保證,重視和加強錨桿支護人員的技術培訓和崗位訓練,有助於我國煤礦,巷道錨桿支護技術的發展和普及.
6.今後發展趨勢
(1) 岩土錨桿的結構形式與傳力機制
(2) 複雜地層快速、高效的鑽孔機具
(3) 地下工程錨固體系的設計計算方法,錨桿杆體及其傳力裝置的工廠化生產;
(4) 高承載力(>10 000 kn)錨桿及其在大壩加固及橋梁基礎工程中的應用
(5) 擴體型錨桿及其在邊坡與結構抗浮工程中的應用,以及復合擴體型的破壞機制及其相應的評價理論等.
(6) 錨桿的腐蝕與防護
(7) 錨桿的長期工作效能與錨固工程的安全評價;
(8) **、衝擊荷載、變異荷載等條件下錨桿的效能;
(9) 岩土工程數值分析中錨桿(索)錨固效應與力學作用的模擬方法;
錨桿支護技術
錨桿支護引數的確定 一 錨桿長度 l l1 l2 l3 0.1 1.5 0.3 1.9m 式中 l 錨桿總長度，m l1 錨桿外露長度 包括鋼帶 托板 螺母厚度 取0.1m l2 錨桿有效長度或軟弱岩層厚度，m l3 錨入巖 煤 層內深度 錨固長度 按經驗l3 300mm。一 錨桿外露長度l1 l1...
錨桿支護考核
礦 檢驗專案巷道名稱 檢查工程量 允許偏差13檢查日期 7年月10查現場，一處不符合要求扣日內在設計值245689質量0.5分檢查專案及標準要求檢查辦法質量檢查情況評分辦法保障礦工程質量檢查 驗收 考核制度健全，各種檢查記錄齊全，班組機制5有班組檢查驗收制度並有記錄頂板管理材料質量10分 頂板管理符...
錨桿支護質量要求
一 打裝錨桿施工工藝 質量標準 一 打錨桿眼 1 打錨桿眼前，必須進行敲幫問頂，找掉危矸 活矸，打眼人員必須站在支護完好的安全地點進行打眼作業。2 根據設計要求，採用畫線打眼，標記出錨桿眼位。3 打眼方向應垂直於巷道的輪廓線，與煤 巖 層層面夾角不小於750。4 先將頂部錨桿用鑽機打好並上緊托盤，然...