预应力锚杆支护技术与工程应用
第2章 预应力锚杆支护的应用与研究
2.1 预应力锚杆的结构及锚固机理
（1）预应力锚杆和非预应力锚杆
锚杆是一种安设在岩土体中的受拉杆件，只有锚杆处于受拉状态，锚杆的锚固作用才得到发挥，使锚杆进入受拉状态有两种形式，即：预应力锚杆和非预应力锚杆。
1）非预应力锚杆
安设锚杆后等待岩体变形使锚杆处于受拉状态，这种锚杆为非预应力锚杆。非预应力锚杆是一种被动的加固方法，是利用锚杆和介质材料的结合来达到锚固的效果，锚杆受力大小是随锚杆加固区岩土体变形量的增大而逐渐增大，其锚固力发挥是随岩土体变形而逐渐产生的。
2）预应力锚杆
安设锚杆后通过对锚杆施加拉力，使锚杆处于受拉状态，从而限制岩土变形，这种锚杆为预应力锚杆。预应力锚杆是在完成锚杆安装后就对杆件主动施加预应力，从而达到对介质预先施加一定的压应力，改善岩土的受力状态，并达到加固岩土体的目的，是一种主动加固的方法。
（2）预应力锚杆的基本结构
预应力锚杆一般由外锚头、自由段、内锚固段组成。
外锚头位于岩土体的表面，其功能是将来自构筑物和岩土体变形产生的力有效地传递给拉杆；自由段是锚固体与锚头之间连接部分，其作用是将来自锚头的拉力传递给锚固体；内锚固段在锚杆的尾部，与岩体紧密连接，其主要功能是将来自栏杆的力通过摩擦力或粘结力传递到稳定的岩体中，锚杆体的可靠性决定锚固工程的可靠程度，是锚杆支护的关键部分。
（3）预应力锚杆的锚固机理
采用预应力锚杆加固边坡，预应力锚杆能提供需要的抗滑了，并能提高潜在滑面上的抗剪强度，有效阻止边坡的位移。
对地下结构物，预应力锚杆锚固岩石是用预应力杆体锁紧岩层介质，它能对围岩主动地、及时地提供径向抗力，使开挖后的岩石尽快进入三轴应力状态，以保持围岩的固有强度，并提高软弱结构面的抗剪强度。即预应力锚杆技术既能将地下结构物表
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层不稳固岩体与未遭受破坏影响并依然保持原始承载力的较深部位的岩层拉固成为一个整体，又能使表层松动岩体转化为加筋的压缩体，而形成压应力环，从而能够承受自身重量和阻止深部岩石的任何松动，以改善其稳定性。
2.2 边坡稳定锚固分析及计算
（1）影响边坡稳定性的因素和作用力
边坡的稳定性是由沿潜在滑移面的黏结力和摩擦阻力来维持，影响岩土边坡稳定性的主要因素：边坡的坡度、边坡的高度、边坡岩土体的结构、边坡内部应力状态、岩土体的强度、土层孔隙或掩体列席中的水压力以及各种外力。
使边坡破坏的主要作用力：岩土体自重产生的下滑力、作用在边坡上的其他荷载、边坡内部或地下水渗透压力。这些作用力总有使边坡的某一部分岩土体向下移动的倾向，岩土体的抗剪强度可以限制这种倾向。
用锚杆加固是将潜在剪切面以上的部分同剪切面以下的稳定岩体锚固在一起，则提高边坡的稳定性。对锚杆施加预应力能显著提高潜在剪切面上的摩阻抗滑力，而直接抵抗边坡岩体的滑动位移。
（2）平面滑动的稳定性及锚固力计算
平面滑动多发生在岩质边坡的失稳，一般是由于一条或多条不连续面切割边坡，从而在边坡岩体中出现薄弱面，岩体轻度降低，造成沿不连续面产生剪切或拉裂，而使边坡破坏。对边坡稳定性最不利的结构面是那些倾向与坡面倾向大致相同、而且倾角α小于边坡坡度但大于结构面的摩擦角φ的结构面。这些不连续面将直接形成滑动面。
不在任何外力作用下，单一平面滑动力的稳定性系数计算为：
K=(Wcosβtanφ+CL)/Wsinβ 式中：β——滑面倾角；
W——单位宽度滑体的重量； φ——潜在滑面的内摩擦角； C——潜在滑面的黏聚力； L——滑面的长度。
当施加一锚固力P后，锚固力在滑面上可分解为提高滑面摩擦力的法向力Pn和直接提供防止滑体下滑的切向力Pt，边坡安全系数计算变为：
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K=(Wcosβtanφ+CL+tanφ·Pn)/(Wsinβ-Pt) 式中：Pn=P·cosθ
P——作用于边坡的锚固力；
θ——锚杆轴线与滑动面法线的夹角。
用预应力锚杆加固边坡，则抵抗岩剪切面移动的力就会大大增加。锚固力所产生的压力不仅可增加摩擦力，而且也能阻止坚硬岩层不连续面的张开。
锚杆需要施加的预应力P为：
P=(K·Wsinβ- CL- tanφWcosβ)/(Ksinθ+tanφcosθ) 平面破坏边坡锚固力分析见图2-1。
图2-1 平面破坏边坡锚固力分
（3）圆弧滑动的稳定性及锚固力计算
圆弧状或近似圆弧状的滑动多发生在土质边坡，根据平衡原理，对圆弧滑动面采用瑞典条分法进行稳定性计算，其边坡安全系数的计算为：
K=(∑CiLi+∑tanφiWicosαi)/ ∑Wisinαi 式中：Ci——第i条块底滑面的黏聚力； φi——第i条块底滑面的内摩擦角；
Li——第i条块底滑面的长度； αi——第i条块底滑面的倾角； Wi——第i条块的自重。
当施加一锚固力P后，锚固力在滑面上可分解为提高滑面摩擦阻力的法向力Pn和直接提供防止滑体下滑的切向力Pt，边坡安全系数的计算变为：
K=(∑CiLi+∑tanφiWicosαi+tanφj·Pn)/ (∑Wisinαi-Pt) 式中：Pn=P·cosθ、Pt==P·sinθ； P——作用于边坡的锚固力；
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θ——锚杆轴线与滑动面法线的夹角； φi——锚固力作用段滑面的内摩擦角。 锚杆需要施加的预应力P为：
P=(K∑Wisinαi-∑CiLi-∑tanφiWicosαi)/(K sinθ+ tanφj cosθ) 圆弧形破坏边坡锚固力分析见图2-2。
图2-2 圆弧形破坏边坡锚固力分析
2.3 地下工程锚固分析及计算
地下工程稳定分析必须考虑洞室的几何尺寸、围岩结构、岩性特征、初始地应力场环境和洞室的开挖方式。其稳定分析和设计主要有三种方法：经验法、理论计算法、监控法，本文主要对理论计算法做详尽分析。
（1）经验法锚固分析及计算
经验法主要是在围岩分类的基础上，根据拟建工程的围岩质量和洞室工程尺寸等参数，与已建类似的工程类比，来确定洞室围岩参数的方法。尤其是对在中硬以上岩类岩体中修建中小跨度的地下工程，一般都采用工程类比法。
工程类比法有直接类比法和间接类比法两种。直接类比法一般是依据围岩的岩体强度和岩体完整性、地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、工程的形状与尺寸、施工的质量以及使用要求等方面的因素进行对比；间接类比法的第一步是判断拟建地下工程围岩类别，然后根据相应技术规范确定支护参数。
（2）监控法锚固分析及计算
现场监控法又称信息设计法，是新近发展起来的一种以现场量测为手段的设计方法，其特点是在施工时，一边进行各种量测，一边把量测的结果反馈到设计施工中，使规划时的设计、施工变得更符合实际，最终确定支护参数。
现场量测可以掌握开挖后围岩与支护系统力学形态的变化趋向，以此作为判断围
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