岩体加固理论与方法论文

1、浅析岩体加固技术1岩体加固技术研究发展概况国际著名岩石力学专家JC耶格教授曾在其专著岩石力学基础前言中指出：“人类以岩石作为结构材料远比其它简单材料更早”。事实上，早在几十万年前，北京猿人已利用周口店天然溶洞作为栖身之处，只不过这些早期的洞室要么是天然形成的溶洞，要么是人工开挖的规模很小的洞室，随着人类活动范围扩大和科学技术的进步，岩体工程规模越来越大，随之产生的工程问题也越来越复杂，相应的岩体支护和加固技术也得到发展，先后出现了木支撑、砖石衬砌、混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌等，这些技术措施的共同特征是均采用了岩体支撑概念，即用上述措施把要脱落的岩石顶住或托住，不让它发生脱落，以保证洞室的使用安

2、全。上述采用了岩体支撑概念的技术措施对岩体的作用是被动的、消极的，即当岩体破坏时它才起作用，若岩体不发生破坏，便不起作用。随着岩体工程特别是地下岩体工程规模、数量的不断增大增多，岩体工程设计理论和施工方法都得到了进一步的发展，人类对岩体工程的认识也从被动的支挡岩体发展到主动地加固岩体，即从岩体支撑概念发展到岩体加固概念。所谓的岩体加固概念，就是不等岩体破坏就主动地对岩体采取措施，进行加固，不让它发生危及工程安全的失稳破坏。喷锚支护技术和预应力锚索技术便是采用岩体加固概念发展起来的岩体加固新技术。相对而言，喷锚支护技术较预应力锚索技术发展得早，技术更加成熟，已在国内外岩土工程领域获得了广泛应用。

3、预应力锚索技术是在普通锚杆的基础上发展起来的，它能够充分发挥高强钢丝、钢绞线等材料良好抗拉性能，利用深层岩体的强度来加固表层岩体，具有先进性、经济性、可靠性等优点，近几十年来发展迅速，应用广泛。但它还有不少技术理论问题需要研究解决，例如尚没有一套完善合理的设计计算方法，一些大型工程设计仍是依靠工程类比法或半经验、半理论的方法；对预锚加固机理的认识也不够深刻，目前还没有一种统一的、公认的说法等。针对上述存在的问题，我部进行了长达八年的深入系统研究，取得了丰硕的研究成果，在大量的室内试验、现场试验、理论分析和数值计算工作的基础上，对预应力锚索加固机理提出了弹性支撑点理论，对预锚加固设计计算方法提出

4、了NSDM法等，这在一定程度上提高了我国预锚加固的理论和设计水平。2岩体加固技术研究的工程意义众所周知，岩体是一种经受过变形、遭受过破坏的地质体，在其内部存在着大量的节理、层理、裂隙、断层等不连续面，在力学上表现为不均匀、不连续、各向异性。由于经受过复杂的地质构造运动，岩体内普遍存在着未受工程扰动的天然应力场，又称作初始应力场(见图1)，它是引起采矿、水利水电、铁道、军事和其它各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。在一般情况下，岩体处于自我平衡状态，当受到工程扰动如开挖、爆破等影响时，岩体的初始应力平衡状态将被破坏，并产生局部应力集中(见图2)，引起岩体的变形和位移，通常会造成岩体

5、工程如洞室、边坡等的失稳破坏，其后果可能给工程造成巨大的经济损失。因此，开展岩体加固技术研究具有十分重要的工程意义。3岩体加固方法及形式31岩体加固的方法及其应用岩体加固方法多种多样，如喷混凝土、普通锚杆、系统锚杆、预应力锚索、锚硐、锚桩等，不同类型的加固方法,有不同的作用。喷混凝土和挂网喷混凝土能保护岩体表面，尤其能有效保护较弱岩土的开挖表面，防止岩体表面的剥蚀及细小块体的塌落；普通锚杆和系统锚杆能有效加固表层岩体，防止局部块体塌滑，加强其稳定性。对于边坡来讲，由于加固表层成硬，能少量地约束岩体的变形；预应力锚索、锚硐、锚桩对加强岩体的整体强度和整体稳定性有较大作用，并能有效约束岩体变形，对

6、于有变形控制要求的大体积的岩体工程来讲，后述几种是有效的方法。在岩土高边坡方面，特别是对陡高边坡的整治和加固处理，采用锚索、锚硐和锚桩十分有利。边坡工程应用预应力锚索最早的工程是镜泊湖水电站。它是一项扩建工程，系采用“岩塞爆破”形成进水口。为防止边坡滑动，采用320根预应力锚索加固边坡。该锚索采用胀壳式内锚头，高强钢丝作张拉段。钢丝与锚头连接采用爆接技术，外锚头采用螺杆式锚头。边坡工程中应用预应力锚索加固规模较大的工程是漫湾水电站，其左岸边坡曾于1989年初发生约10万m3的大滑坡、塌方事故，采用了10003000kN级的预应力锚索1000多根，以及与采用锚固洞塞、锚固桩等结合，使滑坡得到有效

7、控制。在地下工程方面，尤其是大跨度的地下洞室、厂房等预应力长锚索得到了广泛的应用。例如，某大跨度地下国防工事，采用长大预应力锚索加固高达40m的岩墙，比原计划采用的钢筋混凝土边墙支护节约投资250万元，并大大缩短了工期；又如跨度40m以上的飞机洞库、碧口电站大跨度超长水工隧洞工程、白山电站的地下厂房高边墙、河南小浪底水利枢纽大跨度隧洞、十三陵抽水蓄能电站引水隧洞等均采用了预应力锚索作为围岩的加固方法，取得了成功。因此，预应力锚索成为岩体加固的一种有效的加固方法，得到了较为广泛的应用。32岩体加固的形式 目前，国内外普遍使用的岩体加固钻孔方位和角度，主要有以下2种： (1)防渗帷幕钻孔。主要用“

8、对分法”，按孔口等距离布置钻孔，钻孔方向垂直。(2)坝基固结灌浆钻孔。主要为垂直方向，隧洞固结灌浆钻孔主要与基岩开挖面垂直。上述2种岩体加固形式存在的主要问题是：其加固方向和角度都是一种模式。首先，因在不同地质体内，岩体裂隙的发育程度是千差万别的，故经常出现岩体加固体(灌浆、排水钻孔、锚杆锚索)在某一个固定方向上可能遇不到一条地质缺陷面，而在另一个方向上则可能惯穿裂隙很多。因此，常规岩体加固都存在着忽略加固地质缺陷面的方位和角度的问题，使得加固效率不高。其次，由于采用等距离、等深度的固定加固办法，因此往往会造成资源浪费，且达不到理想的加固效果。针对性岩体加固主要原则就是要在被加固岩体内，确定能

9、穿过最多缺陷面(带)的加固钻孔方位和倾角。从调查点辐射出去，在平面上，可以有360个方位(10为一个方位)，在剖面上可以有90个倾角的变化。这样就可以组合成32 400个不同方位和倾角的辐射。这64 800个三维方向就是优选岩体加固方向的基础。在平面和剖面的三维空间内，可以拟定出相当数量的比选孔群。对每一比选孔群可以计算出与标准孔相比的效益系数，从中选择效益系数最大者作为加固岩体的钻孔矢量。针对性岩体加固的目的就是使钻孔穿过更多的缺陷面，在节约投资的同时，取得更好的加固效果。4 对岩体加固技术研究方向的展望根据我对岩体加固技术发展历史和现状的分析研究，我认为岩体加固技术研究今后应朝以下几个方面

10、努力。41 岩体加固计算的合理力学模型研究由于数值计算方法具有快捷、省时、省力的特点，因而对于多数大型岩土工程问题而言，除了进行理论分析、模型试验、现场试验之外，通常还要进行数值计算，以弥补模型试验和现场试验的不足。现阶段数值计算方法有多种，如有限差分法、加权残值法、有限元法、边界元法、流形元法等，其中有限元法为工程上最常用的方法。在岩体工程加固的有限元数值计算中，岩体的材料力学模型通常采用DruckerPrager模型；岩体内的层理、泥化夹层、裂隙等，一般采用线性等向强化弹塑性模型。应该说采用上述模型来描述岩体介质，在现阶段是比较普遍的，也是较为合理的，但其计算结果却往往不能反映出岩体加固的

11、效果，尤其是不能反映出预应力锚索对岩体的加固效果。大量的工程实践已经证明预应力锚索对控制洞室围岩的变形破坏具有很强的作用，而数值计算结果般却反映不出锚索应有的作用。究其原因，不是数值计算结果不正确，而是现阶段数值计算中所采用的岩体加固计算模型不能真实反映出锚索与围岩的相互作用关系。因此，开展岩体加固计算的合理力学模型研究具有十分重要的工程意义和理论价值。4.2 岩体深层注浆技术研究众所周知，完整岩石本身就是一种强度较高的建筑材料，岩体之所以容易产生破坏是由于它内部存在多种裂隙，把完整的岩体切割成不完整的岩体，如果我们通过深层注浆把洞室周围和边坡表层较大范围内的岩体裂隙充填起来，使之成为一个厚达

12、几米甚至几十米的完整岩体(见图3)，则洞室、边坡等岩体工程的稳定性就可大大提高，因此今后有必要对岩体内深层注浆技术作进一步的研究。43新型锚固与注浆材料的研究 目前的锚杆、锚索材料多是用钢材制作的，既笨重，又存在长期腐蚀性问题；现有的注浆材料多是用纯水泥浆或水泥砂浆，收缩性大，流动性也较差。因而要提高岩体加固质量就需要研究性能更好、重量更轻、强度更高的锚索、锚杆材料和流动性更好、粘结强度更高的注浆材料。44岩体受力变形监测技术研究前面已谈到岩体是一种极为复杂的介质，再加上它与锚索的相互作用的。这里的主要难点不是方法，而是介质本身结构、性质无法搞清楚。即使下大力气把某一段等，如果仅仅采用理论分析或数值计算方法来了解岩体内的实际受力变形状态，几乎是不可能搞清楚了，另一段可能又有新的变化。因此，岩体介质的复杂性决定了要掌握岩体工程的实际受力变形状态，最好的办法就是直接量测，直接测出岩体内和洞壁上的受力变形状态。这种办法不仅直接、可