錨固技術

第1頁共5頁

錨桿加固機理及其在邊坡工程中的應用

一、引言

巖土工程中的錨固技術是應用錨桿或錨索對巖土體進行加固，可充分地發揮巖土

體自身穩定能力，是一種對原巖擾動小、施土速度快、安全可靠以及經濟有效的加固手段，

在水利水電、鐵路交通、城市建設、地下工程、國防建設和采礦工程等行業中得到了廣泛的

應用，并獲得巨大的成功，取得了良好的經濟和社會效益。錨固技術的發展和應用是現代巖

土玉程的一個重要標志，目前錨固技術的發展正處于方興末艾的時期，錨固理論的深入探討

和研究，對推動巖土工程領域的發展有著極其重要的意義。

巖土工程中所使用的錨桿是一種安設在巖土層中深部的受力桿件，它的一端與工程

建筑物相連，另一端錨固在巖土層中，必要時對其施加預應力，以承受土壓力、水壓力

或風載荷所產生的拉力，用以有效地承受結構載荷，防止結構變形，從而維護結構建筑

物的穩定。

二、邊坡工程中錨桿支護的發展

目前而言，國內外很多學者都側重于研究加錨節理巖體的模擬計算方法。英國的Pande

等人側重研究了加錨節理巖體的模擬計算方法;Egger對加錨巖體的力學性質作過大量的實

驗研究;馬來西亞的在1984年利用有限單元法分析了在拉拔力作用下巖體注漿錨桿

的荷載傳遞機理，并且指出了錨桿側剪應力的均勻分布假設是錯誤的。印度的

(1988年)采用等效介質的方法應用粘彈塑性理論分析了錨桿在巖質邊坡中的加固機理。韓國

的(1993年)提出了與節理單元配合使用的二維錨桿離散模型。加拿大的B.

Benmokran(199年)利用室內模型實驗分析了錨桿的抗拔機理;瑞典的(1999年)針對錨

桿安裝在均勻變形巖體中、受拉拔力作用和節理的張開作用三種情況，分別提出了相應的錨

桿分析模型，并探討了錨桿在三種情況下的應力分布和變形特點。GargeV.k.(1991年)對節

理巖體的錨桿提出了大變形的有限元分析方法；我國浙江大學的楊延毅、中科院武漢巖土研

究所的朱維申、李術才從斷裂力學的角度分析了錨桿對裂隙巖體的加固機制。宋宏偉等于

2002年通過數值模擬和新的研究模型研究錨桿和非連續巖體的相互作用，發現了錨桿在非

連續巖塊的錨固中受到剪切時，存在錨固巖塊分離的力學現象，稱為“導軌作用”，導軌作

用的存在，使兩巖塊分離或出現分離趨勢，這不但沒有增加錨固巖塊間的相互作用力，而且

使相互作用力變小甚至為零，削弱節理面的抗剪強度，對錨固效果產生負面影響，該發現對

第2頁共5頁

傳統的錨桿作用提出了質疑。北京建筑設計總院的程良奎、范景倫等人通過大量的錨桿試驗

和工程實踐，提出了“巖土錨固墻”的新概念。

三、錨桿在邊坡工程中的支護機理

綜合起來，錨桿在邊坡工程中的支護作用主要表現為對節理裂隙巖體等不連續面的加強效

應，歸納起來主要有以下一些作用

1、增韌止裂機理。

邊坡中的卸荷裂隙隨著側向壓應力逐漸解除，并局部進入微拉時，經歷張型起裂，并在斷續

卸荷的自身平面內由穩定擴展到失穩，巖橋擊穿而相互貫通破壞。設置錨桿主要作用可看成是對

卸荷裂隙提供橋聯作用，以阻止或延緩其張裂擴展過程，進而改善邊坡巖體的變形與強度性質。

2、銷釘作用

銷釘作用認為錨桿在加固軟弱結構面時，憑借桿體自身的抗剪能力阻止結構面的相對滑動，

從而提高了結構面的抗剪強度和粘結力。

3、剪脹效應機理

當巖體中的粗糙不連續面發生剪切位移時，不連續面的兩壁因剪脹而產生擴容，使得貫穿

不連續面的錨桿受拉產生附加的法向應力，并通過不連續面的摩擦效應提供附加的抗剪強度。

4、預應力作用

預應力作用能有效的降低或消除巖體中的拉應力和剪應力，使應力集中現象得到緩解，從

而改善了巖體的應力狀態，同時，預應力使加固區的節理裂隙閉合，使節理裂的連通率降低，從

根本上提同了巖體的抗剪強度。

5、組合梁作用

根據組合梁作用原理，我們將薄層狀巖體看成一種梁(簡之梁或懸臂梁)，未錨固時，它們

只是簡單地迭合在一起。由于層間抗剪力不足，在荷載或自重作用下，單個梁均產生各自的彎

曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態。錨固后，將形成組合梁，巖體相互擠壓，層間摩擦

阻力大大增加，內應力和撓度大為減小，于是增加了組合梁的抗彎強度。當將錨桿埋入巖土體

時，數層巖土體組成的組合梁將大大提高巖土體的承載力。錨桿提供的錨固力愈大各巖土層間

的摩擦阻力愈大，組合梁整體化程度愈高，其強度也愈大。

6、擠壓加固作用

預應力錨桿錨入松動巖土體后，其兩端附近形成以錨桿兩頭為頂點的錐形壓縮區。若將

錨桿以適當間距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮區相重疊，在預應力作用下，便形成一定厚

度的連續壓縮帶。同時由于預應力的存在，在壓縮帶中的巖土體處于三向應力狀態，提高了

第3頁共5頁

巖土體強度，在較為破碎的巖土體中安裝預應力錨桿，可以使沒有多大粘結力的碎石土加固

成能承受較大荷載的整體“結構”。這就是錨桿的擠壓加固作用。

四、邊坡工程中錨桿支護的設計方法

在邊坡工程中，錨桿支護常常用于加固不穩定楔形體，并以充分發揮錨桿的抗剪作

用為目的。其設計常采用極限平衡法和靜力平衡原則，而靜力平衡原則更強調的是不連

續面和錨桿共同承擔荷載，為了充分調動不連續面的抗剪強度，允許不連續面有一定的

剪切位移。為了獲得錨桿相對于不連續面的最佳安裝角，一般對錨桿的安裝方向有一定

的要求。

隨著有關錨桿支護機理的研究不斷深入和現代計算機技術的發展，有限元數值方法

在邊坡錨桿設計中得到了廣泛的應用，并逐步趨于完善，在有限元法中，又分離散模型

和連續模型兩種。在錨桿數量較少、主要地質構造面的產狀和力學參數比較清楚的情況

下，可以采用離散模型對所有的錨桿一一進行模擬;當節理裂隙發育、錨桿數量又比較

多時，采用等效連續模型比較適合。

五、錨固技術的評價

1、優點

采用錨固技術可使邊坡巖土體形成一個復合整體，從而增加邊坡的穩定性，改善和提高

滑動面的抗滑性能。該技術即使在不利的自然條件下，也能有效地保證行車安全，較之其它

保護工程技術具有高效、穩定的特點。而且整治完工后，不需大量的人力、物力來養護便能

有效地保證其耐久性。在對高陡邊坡的整治中，錨固技術的優點更為突出，在經濟性和有效

縮短工期方面有不可替代的作用，如利用預應力錨索加固高陡邊坡與其它方案相比較，可降

低造價20%~30%，縮短工期50%。

2、缺點

(1)因采用巖土錨固技術整治高陡邊坡時易造成人員傷亡，所以需要高度的安全保障措

施。

(2)雖然利用錨固技術對保護生態環境具有積極的作用，但錨固工程所采用的材料色彩

單一，令人感到單調、枯燥不舒適。

(3)工程成本較大，所用的設備較多，此外在施工中的隱蔽工程較多，質量控制和檢查

難度較高。

(4)施工工藝較為復雜，特別是采用預應力錨索加固時施工難度較大。

3、錨桿自由段、錨固段的確定

第4頁共5頁

土層錨桿是一種埋入土層深處的受拉構件，一端與工程構筑物相連、另一端錨固在土層

中，整根錨桿長度分為自由段和錨固段。自由段是將錨頭處的拉力傳至錨固體的區段，其功

能是對錨桿施加預應力;錨固段功能是通過錨固體與土層的粘結摩阻作用或錨固體的承壓作

用，將自由段的拉力傳至土層深部。一般來說錨桿自由段Lf是根據基坑土體滑裂面計算出

來的，見圖1。

圖1土層錨桿計算簡圖

f

sin45

2

()

sin45

2

Lhab

?

?

?

??

?

??

??

???

??

?

??

?

??

(1)

而錨固段長度La則一般根據錨固承載力來估算

a

L=

P

Dq?

（2）式中，q為與土體粘

結強度、鉆孔方法、土壤性質、內摩擦角θ、抗剪強度、固結強度、錨桿上覆土厚度、灌漿

壓力等有關的參數，一般由試驗確定，也可按規范取值;P為錨桿承載力;D為錨固段直徑。

4、錨桿承載力的提高

通過式(2)明顯看出，要提高錨桿承載力，可加大D

a

L值或增大q值。工程實踐及大量

實驗表明錨固長度

a

L并不與P成線性關系，當

a

L大于10m后P值的增幅就很小。目前提高

P主要依靠在錨固端頭擴體和二次灌漿技術，通過擴體不僅增加了錨固段表面積，達到增加

承載力的目的，更重要的是擴大頭前端土體所給予的阻力及端承力，其力學計算簡圖見圖2。

另外可用二次、三次高壓灌漿法提高錨固力，灌漿可通過滲透擠壓作用增加了錨固體周圍土

第5頁共5頁

體的抗剪強度、增加了錨固段的表面積，一般可提高錨固力兩倍以上。

圖2端部擴大頭錨桿力學計算簡圖

六、結語

錨桿施工作為一種方便、高效、經濟的支護方式，在整個支打‘技術中占有重要地位。

隨著今后信息化施工的不斷發展、大量試驗數據的收集，相信錨桿設計、施工技術將越來越

成熟、越來越完善，在邊坡支護工程中發揮更大的作用。

參考文獻：

[1]孔憲賓，余躍心.土—錨桿相互作用機理的研究[J].工程力學，2000.

[2]孔瑞天.土層錨桿在邊坡中的設計應用實例[J].福建建筑，2004.

[3]段賢宏.淺議土層錨桿在邊坡加固中的應用[J].礦業快報，2004.

[4]岳志平.巖土錨固的作用機理研究及應用[D].長沙：中南大學，2004.

[5]徐學文.錨桿加固機理研究及其在邊坡工程中的應用[D].西安：西安科技大學，2006.

[6]鄭州.邊坡錨固技術的研究與應用[D].長沙：中南大學，2007.

[7楊為民.錨桿對斷續節理巖體的加固作用機理及應用研究[D].濟南：山東大學，2009.