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岩土研究院

锚杆加固技术国内国外发展应用对比

341 2021-03-09 08:52:27

锚杆加固技术是近代岩土工程领域中一种重要的加固形式。它是一种结构简单的主动支护,它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展,充分发挥围岩自身的支撑作用,把围岩从荷载变为承载体,变被动支护为主动支护,其具有施工进度快、施工效率高、施工成本低、支护效果好等优点。锚杆这项技术首先在井下巷道使用,以后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了发展。


国外锚固技术的发展与应用

自 19 世纪起,锚固技术首先在国外应用发展起来。从1872 年英国北威尔士的一家露天板岩采石场首次应用锚杆加固起,锚杆技术便逐渐被推广。美国于1911年开始采用岩石锚杆支护矿山巷道。1912 年,德国谢列兹矿最先采用锚杆对井下巷道进行支护。1924年,锚喷支护在苏联顿巴斯矿上开始应用。1934 年在阿尔及利亚切尔伐斯坝的加高工程中,首先采用承载力为 10000kN的预应力岩石锚杆来保持加高后坝体的稳定。这是世界上第一次使用锚杆来加固坝体并获得成功,随后预应力锚杆在坝体加固上得到了广泛应用。

从20世纪 50 年代到 70年代是锚固技术应用领域迅速扩展的时期。1958年西德的Bauer 公司在慕尼黑巴伐利亚广播公司深基坑中使用了土层锚杆,60年代时,捷克斯洛伐克的 Lipno 电站主厂房等大型地下铜室采用了高预应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式。从此,锚固技术不仅限于硬岩,而且也用于土层、风化岩、软岩等。1969年在墨西哥召开的第七届国际土力学和基础工程会议上,曾把土层锚杆技术作为一个专门的问题来讨论。1974年,纽约世界贸易中心深开挖工程采用锚固技术,950m长,0.9m厚的地下连续墙,穿过有机质粉土、砂和硬土层直达基岩,开挖从地面以下到 2lm 深,由6排锚杆背拉,锚杆倾角为45°,工作荷载为 3000kN。随后瑞士、捷克、英国、美国、巴西、澳大利亚、日本等国广泛采用锚杆支护的方式来维护边坡的稳定。80年代,日本英国等成功研究出了单孔复合锚固技术并应用于实际工程,此项技术大大改善了锚杆的传力机制,提高了锚杆的耐久性和承载力。1989年澳大利亚采用由 65 根 15.2mm的钢绞线所组成的锚杆对 Warragamba重力坝进行加固,承载力达 16500kN。同一时期,国际预应力协会和中国也制定了地层锚杆的技术规范。80年代中期,英国煤炭工业在面临严重的危机的情况下,英国果断地把采用锚杆支护取代传统的型钢支护作为提高其煤炭工业竞争力的三大策略之一。

20世纪 90年代后,岩土锚固的理论研究、技术创新与工程应用等方面更进一步得到发展和提升。理论研究的主要内容包括杆体与注浆体、注浆体与地层间的粘结应力及其分布状态,以及锚杆的荷载传递机理三个方面。其中,澳大利亚、英国、加拿大等国家的岩土工程者们提出了"单孔复合锚固的理论与实践"、"注浆锚杆侧向刚度、注浆体的长度以及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界面特性的影响"、"侧限状态时注浆锚杆的工程性质"、"锚杆注浆体与岩石界面的现场特性"、"粘结应力分布规律对地层锚杆设计计算的影响"等理论研究成果,对改进锚杆的设计和发展能充分利用地层强度的锚杆体系具有重要作用。

这段时期国际关于锚杆的学术讨论与交流非常活跃。1995、1996、1997这三年分别在奥地利、中国与英国举行了以地层锚固及锚固结构为主题的国际学术研讨会,深入探讨了锚杆荷载传递与其界面上的粘结特性、岩土锚固的设计、材料性能、施工工艺、防腐研究、长期强度等理论实验技术,其中最重要的成果是根据南非、美国以及科威特的现场调查,获得了有关锚杆杆体腐蚀的与实际情况最接近的关键研究资料。

不容置疑,21世纪的当今国际上岩土锚固的理论和实践已提高到一个新水平,锚固技术作为一种优越的岩土体加固技术手段,越来越广泛地应用于各种工程领域,且适用范围和使用规模仍在不断扩大。当前,世界范围内对锚杆支护技术研究最为活跃的应属澳大利亚,而美国和澳大利亚锚杆技术发展最为迅速,两国煤矿锚杆支护比例已接近100%,其锚固技术水平居于世界前列。


国内锚杆技术的发展与应用

相对于国外锚杆技术发展而言,我国的锚杆支护技术发展相对较晚。锚杆支护技术在20 世纪 60年代才得以使用。当时河北龙烟铁矿、京西矿务局以及其他地区的矿山巷道的支护使用的是楔缝式锚杆。锚杆在我国矿山应用成功后,锚固技术便得到了飞速的发展。

20世纪 60年代以后,锚杆技术除了应用在矿山巷道以外,边坡工程、铁道隧道工程、水库坝体工程及地下工程中都得到了应用并获得了成功,应用范围由坚硬稳定岩石发展到松软破碎岩石,由小巷道发展到大跨度硐室,由静荷载条件发展到动荷载条件,由基建工程发展到工程抢险和结构补强,并且锚固技术在设计承载力和锚杆长度方面都有了很大的提高。

七八十年代,我国开始在深基坑开挖支护工程中应用预应力锚杆。当时北京的王府井饭店、北京国际信托大厦、上海的太平洋饭店等大型基坑工程都采用了锚杆支护技术。

1989年,我国首台6000kN级预应力锚杆及张拉设备研制成功,并应用于丰满大坝加固工程,8000kN级预应力锚杆在石泉大坝加固工程应用成功,到 90 年代,1000kN级预应力锚杆在龙羊峡水电工程中试验成功,并在多个工程中获得应用。这标志着我国锚固技术和工艺已到达世界先进水平。据估计,在 1993~1999 年期间,我国在深基坑工程和边坡工程中,锚杆年使用量就达到了3000~3500km,而在煤矿和金属矿山巷道中锚杆的年使用量也超过了2600km。进入21世纪以后,由于国家经济发展所需,我国的大型水利水电工程相继建成或破土动工,锚固工程量大大增加,锚固技术也得到了更广泛的应用和发展。已建成的三峡工程,其设计锚固工程量就非常大,采用4000根25~61m 的3000kN(部分1000kN)的预应力锚杆和近 100000 根8~14m的高强锚杆作系统加固和局部加固,它对阻止不稳定块体的塌滑,改善边坡的应力状态,抑制塑性区的扩展,提高边坡的整体稳定性发挥了重要作用。

从锚杆支护形式的发展过程来看,我国最早运用的主要是钢丝绳砂浆锚杆和机械锚固型锚杆两大类。1945~1950年机械式锚杆在我国开始研究与应用;1950~1960年我国广泛运用机械式锚杆,并开始对锚杆支护进行系统研究;1974年开始研制和试验一种新型锚杆—树脂锚杆;1970~1980 年我国发明并应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等,同时研发了廉价的快硬水泥锚杆,长锚索也在这一时期产生;1980~1990 年,混合锚头锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用,树脂锚固材料得到改进;1990~2000 年,以螺纹钢锚杆为代表的锚杆及长锚索得到了广泛的应用。

1996 年我国从澳大利亚引进高强度树脂锚固锚杆,并针对我国煤矿条件进行了二次开发和完善提高。可以说,国外使用过的锚杆支护形式国内基本上都用过。进入21世纪后,将锚索与肋柱(梁)、挡土墙、抗滑桩等其他结构联合使用的复合型支护结构已成为目前治理滑坡的常用有效手段。而框架预应力锚杆支护结构是近十年来随着支护结构的发展而被提出的一种新型支护结构,属于轻型柔性支护结构,其在深基坑开挖支护、边坡和桥台加固等工程中已经得到了广泛使用。目前,锚固技术已经广泛应用于岩土工程的各个领域。我国科研工作人员从广泛的工程实践经验中,经过大量总结归纳,于1986年颁布了我国首部国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GBJ 86—85,2001年颁发了其修订版 GB 50086—2001。1990年颁发了《土层锚杆设计施工规范》CECS 22∶90,2002年开始对 CECS 22∶90 进行修订。1997年颁发的《建筑基坑工程技术规程》JGJ120—99,1994年颁发的《水工预应力锚固施工规范》SL46—1994 和1998年颁发的《水工预应力锚固设计规范》SL.212—1998 都对预应力锚杆的适用范围、设计、材料、施工、防腐、试验和监测做了明确的规定。此外,水利电力、建筑、军工等部门还相应制定有关岩土锚杆的行业标准。岩土锚固标准化建设的逐步完善,对我国岩土锚固应用的健康发展发挥了重要作用。


尽管锚杆加固技术取得了不少成果,但是仍然存在一些问题,主要是受以下这些因素制约∶

(1)锚杆锚固作用对土体物理力学性质的影响,以及锚杆与土体之间的相互作用模式还没有公认考虑方法;

(2)还没有通用的力学模型和分析方法;

(3)影响锚杆作用的各种因素,如地震、冲击荷载、变异荷载、施工爆破等因素,关于这些因素的合理的考虑方法;

(4)锚杆加固的时间效应也难以合理考虑。


泰兴振宇大厦项目观摩会上,他们为这项基坑支护工程点赞!

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