孙世国，贾欣欣，肖 剑

（1．北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2．中冶交通集团建设有限责任公司，河北 三河 065200）

预应力锚固技术通过对锚杆施加张拉力，达到稳固岩体的效果，其充分发挥了岩土体自身的稳定性能，是1种对原岩扰动小、安全可靠、经济高效的加固技术[1-2]。20世纪初，美国在矿山开采中最早采用锚杆进行巷道支护，到1934年，法国首次在阿尔及利亚采用37根承载力10 000 kN的预应力岩石锚杆来加固大坝并取得成功，标志着预应力锚固技术的应用真正开始[3-4]；之后，印度、南非、英国、奥地利均采用预应力锚固技术加固大坝；20世纪60年代，捷克斯洛伐克和西德采用预应力锚杆对大型地下室进行支护；20世纪70年代，英国采用预应力锚杆抵抗地下水浮力、纽约世界贸易中心使用承载力3 000 kN的预应力锚杆作为深基坑的支挡结构物[6]；20世纪80年代，澳大利亚采用极限承载力16 500 kN的预应力锚杆加固重力坝[7]；20世纪90年代以后，国际间对于岩土预应力锚固的新理论、新技术、新标准等都在不断发展、完善和创新。

我国岩石锚杆相对起步较晚，20世纪50年代，才仅仅用于矿山支护中。1964年，安徽梅山水库首次使用长30～47 m、承载力为2 400～3 200 kN的预应力锚杆加固大坝，开启了我国预应力锚固的时代[8]。20世纪80年代，预应力锚杆在重力坝的建造、加固和边坡防护中广泛应用，如1989年石泉大坝加固中采用承载力8 000 kN的预应力锚杆、龙羊峡水电工程中采用承载力10 000 kN的预应力锚杆及漫湾电站边坡预应力锚固工程[9]；20世纪90年代，预应力锚杆开始运用于滑坡治理工程，南昆铁路巨型滑坡治理中就采用了数百根预应力锚索支护；与此同时，举世瞩目的大型三峡工程，仅永久出船闸边坡支护就采用了超10 000根的预应力锚索和100 000根锚杆[10]。近年来，我国岩土预应力锚固技术广泛应用于铁路、隧道、桥梁、水利水电、采矿冶金、民用和工业建筑等各个工程领域中的巷道围岩支护、边坡锚固、地下洞室加固、结构抗倾覆、坝基岩体抗滑与加固、维护等方面[11]，由于其所产生的巨大社会效益、经济效益和环境效益，应用前景十分广阔[12]。

1 预应力锚固技术研究现状及存在问题

1.1 预应力锚杆设计标准及存在问题

目前国际上相对较新、较权威的预应力锚杆相关技术标准[13]包括美国第5版PTI DC35.1—2014《预应力岩层与土层锚杆的建议》[14]、欧洲第2版EN 1537—2013《特种岩土工程的实施—锚杆》[15]、日本第4版JGS 4101—2012《地锚设计、施工标准及说明》[16]、ISO与CEN共同合作编制的ISO/DIS 22477-5《岩土工程勘察与试验——岩土工程结构试验——第5部分：锚杆试验》[17]及中国的GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[18]。其中美国、欧洲、日本从2种角度对锚杆结构进行细致划分。美国标准对于锚杆材料、设计使用年限、技术和管理水平要求较高，欧洲的锚杆设计采用不同于传统理论的新设计理念（将传统的总安全系数分为多个分项系数），日本注重于锚杆的应力腐蚀与防护以及后期的维护管理[13]。中国《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》是在原GB 50086—2001《锚杆喷射混凝土支护工程技术规范》的基础上修订完善，主要针对预应力锚杆的类型、设计、施工、防腐、验收、实验等作了详细补充完善。

不同地区预应力锚杆设计规范对比见表1，不同地区预应力锚杆防腐等级与腐蚀判断对比见表2，将美国、欧洲、日本及中国的一些较典型的规范标准作对比。不难发现，国外的一些标准确实有值得借鉴的地方，如细化预应力锚杆的设计使用年限、增加探究性锚杆试验（探究锚固体的蠕变特性和与地层的黏结强度），增加对地层环境腐蚀判断。在防腐设计中，要综合考虑各种因素，分析判断腐蚀环境，针对不同的腐蚀情况做出详细的防腐处理。

表1 不同地区预应力锚杆设计规范对比Table 1 Comparison of design codes for prestressed anchors in different regions

表2 不同地区预应力锚杆防腐等级与腐蚀判断对比Table 2 Comparison of anti-corrosion grade and corrosion judgment of prestressed anchor rods in different regions

1.2 理论研究现状与存在问题

从20世纪中期开始，国内外就致力于预应力锚杆技术理论的研究，其围绕锚固体系和被加固的岩土体2个方面，主要研究锚固体预应力的传递机理、作用机理与锚固效果[19]。

1.2.1 预应力锚固作用机理与锚固效果

深埋预应力锚杆锚固岩体能够达到加固不稳定岩体的效果，国内外学者通过实验模拟、数值计算、现场试验等方法对预应力锚杆作用机理与加固效果展开多方面研究，总结出预应力在岩土锚固中的3方面作用机理[19-21]：①通过预应力的上提作用和锚索的抗剪作用来限制边坡的潜在滑动和滑面上塑性区的发展，以维持边坡的深层稳定；②通过预应力对坡体表面的压缩加固作用和外锚头的支承作用来保证边坡的浅层稳定；③通过施加的预应力改善围岩力学参数，改变岩体受力状态以及应力场分布，从而提高围岩的承载能力。由此看出预应力锚固使岩体锚固范围内的峰值强度、残余强度、弹性模量、黏聚力、泊松比等力学性质均发生了改变，同时不少学者也研究了锚杆长度、直径、倾角、锚固间距、预应力大小对锚固效果的影响，通过改变上述某一变量分析其与岩体力学性能的关系，获得了一些定性结论和经验公式，但这些研究相对简单，对于岩体的节理、裂隙、构造等未做深入的考虑，因此在研究预应力锚固效果时有些理想和片面。

1.2.2 预应力锚固体传力机理

预应力锚固传力机理主要研究灌浆体和杆体的黏结特性、锚固体与岩土体之间的荷载传递问题以及预应力的传递规律[22]。由于涉及到三相介质和2个界面的力学特性[23]，同时面临着预应力问题，使其研究异常复杂，因此，预应力锚固体传力机理的理论研究远远滞后于实际工程应用。尽管如此，锚杆传力机理的研究仍然取得不少成果，指数函数模型、双曲线函数模型、改进的剪滞模型等多种模型的建立，使岩土体与灌浆体这种非均质、非线性的界面条件下荷载传递规律愈来愈明显。除此之外，断裂力学和损伤力学也先后引入岩体锚固性能研究中，均取得了显著的效果。针对不同岩性如何选取合理的锚固力学传递计算模型，剪应力与预应力的定量计算也需要更深入的研究。将弹塑性力学、黏弹性力学、断裂力学与损伤理论等同时结合考虑的相关研究至今没有[1]。另外，关于新型预应力锚杆，如拉力分散型、压力分散型、扩体型锚杆等的传力机制研究有待进一步开展研究。

1.3 应力腐蚀与防护及存在问题

预应力锚杆的腐蚀因素众多，任何外部因素（如地层中存在的杂散电流以及地层和地下水中的腐蚀介质作用）、内部因素（预应力锚杆防护系统的失效和双金属作用）以及时间因素都会导致不同程度的腐蚀破坏[24-25]。同时预应力状态下的钢材腐蚀要比普通受力状态下的钢材腐蚀速度快很多，且以应力腐蚀和氢脆破坏为主，严重影响锚固体系的服役寿命。虽然我国在预应力锚固技术方面的应用较晚，但因应力腐蚀和氢脆破坏导致锚固结构失效的案例屡见不鲜，如广州海印大桥预应力斜拉索断裂、安徽梅山水库的预应力锚索钢丝断裂等。宏观来看，人们对应力腐蚀的机理认识达成一致，认为预应力锚杆受到高拉应力作用，使钢筋表面产生微裂缝，更易于腐蚀性介质进入从而产生破坏；微观上由于众多因素的影响使其对于应力腐蚀的解释不尽相同。尽管如此应力腐蚀的理论研究日趋成熟，滑移溶解机理、沿晶界择优溶解机理、腐蚀产物的楔入理论、应力吸附开裂理论[26]等详细解释了应力腐蚀的作用机理，但每个理论都有其适用的范围，难以形成统一的理论体系。同时现有的实验研究也多围绕普通锚杆的腐蚀机理、腐蚀速率及腐蚀损失率开展，对预应力锚索腐蚀问题的研究重视程度还不够，不同酸性、碱性环境条件的复杂工程中对预应力锚杆的腐蚀规律也需要进一步研究。另外，我国锚固规范中对锚杆长期性能的要求相对国外较低，缺乏对地层腐蚀性介质的判断，对环境因素如地下水、土中的侵蚀性介质影响下的耐久性要求也考虑较少。

锚固体系中金属构件的防腐是整个锚固工程安全的核心，不同的工程环境应采取综合保护措施，以提高锚固体系的防腐能力和服役寿命。建立有效的锚杆防护体系至关重要，使用防腐性能好的预应力钢筋，同时锚固段进行双层防护，并对防腐系统的完整性进行试验；减少拉力分散型锚杆的使用，多采用压力分散型锚杆；大吨位预应力锚杆锁定荷载不宜超过筋体抗拉强度标准值的60%；时刻保证一期和二期注浆灌注密实，提高预应力锚固质量。

1.4 锚固材料与施工工具现状与存在问题

在锚杆筋材方面，我国预应力钢材正在向高强度、大直径方向[27]发展，应用较多的钢绞线强度为1 860 MPa，最大直径为17.88 mm，少数钢绞线强度已达到2 000 MPa，以及环氧涂层钢绞线的应用改善了预应力锚杆的耐久性能，为提高预应力锚杆的承载力创造了良好条件。在锚杆黏结材料方面，各种新型复合早强剂如甲酸钙-晶胚、甲基丙烯酸-晶胚[28]的出现，大大缩短了凝结时间，显著提高了水泥砂浆的强度，使早强预应力锚杆的应用成为现实。在锚杆施工机具方面，锚杆钻机正向多功能，集成化的机载式方向发展，具有液压、气动、电动三大系列[29]，澳大利亚乔伊公司的支腿式气动锚杆钻机、澳大利亚POBAM型液压钻机、我国新型钻机等相应锚固机具配套设备的应用，提高了预应力锚杆的工作效率。需要注意的是，在预应力锚杆和相匹配的锚具发生变形破坏时保证钢材先断裂，而目前往往是锚具先发生破坏，其原因可能是厂家提供的预应力钢材的实际抗拉强度过高，这就需要一定的施工工艺来减小误差并相应的提高锚具强度，完善锚固工具的配套设施。因此预应力锚杆钢材与锚具夹片以及施工机具之间的最优匹配问题值得关注，对于未来更高强度的钢材来说，生产出匹配性能更好的张拉锚夹具和适应性更强的钻机设备至关重要，使其能够减少一部分预应力损失。

1.5 预应力损失的研究与存在问题

预应力损失是预应力锚杆支护失效的关键因素，其大致可分为3个损失阶段：锚杆张拉期间、锁定阶段和锁定后期[10-17]。具体表现为在进行锚杆张拉时实际锁定值远小于施加的压力值，据相关某基坑支护工程中的数据表明，最大损失率高达41.1%，远达不到设计荷载，严重降低了锚杆支护作用；在锚杆锁定过程中，由于锚固体系自身收缩、施工机具以及施工工艺都会引起相应的预应力损失；在锚杆工作期间，自身钢材的松弛、混凝土的徐变加上所受到得群锚效应、岩体蠕变、周围温度湿度变化等影响，使得预应力再次损失，并且难以准确计算锚杆具体的损失量[30-31]。针对不同阶段的预应力损失，不少学者通过实验、现场监测等方法探究各种影响因素对预应力损失的敏感程度，陈安敏等[32]通过实验模拟给出锚索预应力在张拉期随时间损失的计算方法，张发明等[33]、陈沅江等[34]、王渭明等[35]、罗基伟等[36]、范一平[37]通过利用现场监测数据，得出工作期间预应力损失的经验计算公式。在不同工程中如基坑支护、挡土墙加固、煤矿巷道等也都对预应力损失机理、补偿措施以及预测模型都有所研究[38-41]，除使用低松弛钢材、采取多次张拉技术和保持适宜的荷载比外，后期预应力损失的监测工作也是必不可少。目前，对于预应力损失的研究已从单一因素转变为多因素耦合效应，从短期损失到研究长期损失规律。吴爱祥等[42]、王清标等[43]、王贺平[44]、王国富等[45]、李涛等[46]、冯忠居等[47]通过建立多因素耦合效应的流变模型，从理论上分析和预测预应力损失大小；朱晗迓等[48]、徐毅青等[49]系统总结了锚索预应力长期损失规律。但是锚索预应力损失影响因素众多，损失机理未形成统一，各种因素的敏感程度需要量化处理。不仅如此，对于冲击、疲劳荷载、地震作用等特殊因素引起的预应力损失量远大于长期静荷载作用[50-53]，但与此相关的研究很少。综上，关于预应力损失的机理和规律应进入更深层次的研究，各种影响因素之间的关系还有待商讨；针对每个阶段预应力损失都应制定有效的对策，目前对此没有详细的解决措施来降低各阶段锚杆应力损失；对锚杆工作期间监测重视程度不够，特别是对锚杆应力损失的长期监测；另外，需要加强对突发性因素如爆破、地震等影响的预应力损失研究，可在锚杆支护前提前进行软件模拟计算。

2 未来发展方向

2.1 新型灌浆材料的研究与应用

为了更好的改善预应力锚杆的锚固性能和力学性能，单纯提高水泥和砂浆标号已经不能满足实际工程要求，需要开发研制出新型胶结体材料。灌浆料中掺入纤维能够显著提高锚杆的锚固能力，但纤维种类繁多，如玄武岩纤维、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维及合成纤维等都具有各自的优缺点。现阶段还没有综合性能很高的纤维应用到锚杆灌浆材料上，目前关于混合纤维在改善混凝土性能方面的研究过多。研究表明，钢-碳混合纤维所产生的正混合效应远远大于其单一纤维的作用，大大提高了混凝土的抗压强度、抗冲击性能以及耐久性，同时在混凝土基体中掺加钢-玄武岩混合纤维也能显著提高混凝土的密实度。因此可将这些混合纤维如钢-玄武岩混合纤维、钢-碳混合纤维等运用到预应力锚杆灌浆材料中，利用多种纤维之间的正混合效应来弥补单一纤维的局限性，使不同纤维优势互补，更好改善灌浆料的性能，提高灌浆体与杆体及岩土体之间的黏结强度。与此同时，使用平均粒径小于3~4μm的超细水泥和早强型环氧黏结剂以及复合早强剂来提高灌浆料的密实度，也可提高预应力锚杆的强度。但这种高性能预应力锚固体系的研究又将与传统预应力锚固体系不同，其受力效应、作用机理、破坏机制和长期性能的影响因素等都发生了改变，随着新型灌浆材料的应用，这些问题都需要探讨。

2.2 特殊环境条件下的预应力锚固性能研究

现有锚固性能的研究多是在静态条件下完成，很少涉及到关于爆破冲击、冻融循环、疲劳荷载、高温高压、地震作用等动载状态下预应力锚杆锚固性能的研究及设计方法。如矿山巷道的开挖常采用爆破方式，锚杆在多次爆破冲击下处于多应力耦合状态，此时锚杆的应力分布、应变规律以及岩体损伤累积效应需进一步研究，相应的评价标准也需要进一步讨论，爆破冲击下围岩与锚杆的关系也尚不明确；冻融循环下预应力锚固结构的有效黏结强度、损伤机理及相关影响因素，疲劳荷载下预应力锚杆锚固段的微观变化与破坏机理，高温环境下预应力锚杆的荷载传递机理及高温对其力学性质的影响，地震作用下预应力锚杆的受力形式、作用机理及破坏机制，以及它们的耦合作用都将是该领域重点研究的内容之一，这些研究可在静力研究的基础上进一步深化和完善。

2.3 预应力锚杆的群锚效应

一般情况下不同的围岩强度锚杆所设置的数量和间距有所不同，产生的群锚效应也就不一样，为了减少群锚效应提高预应力的利用率和效果，针对不同的地层岩性，需要探索合理的锚索间距，现有的规范并不能准确定性地分析出群锚效应与锚固长度、锚固数量、锚杆埋深、锚杆倾角之间的具体关系，仅靠经验进行预应力群锚设计是非常不可取的；单根锚杆预应力损失的公式是否同样可以运用到群锚体系中任意1根锚杆预应力损失值的计算、群锚效应对锚杆极限承载力损失程度的相关计算仍需要进一步商榷，群锚效应的理论研究仍是发展的一大趋势；关于群锚的实验研究受设备、技术条件及专业人员等多重因素的限制，因而很难开展试验，缺乏实验数据的支撑，未来关于群锚效应试验研究可能是1个热门方向；不同的工程地质环境，产生群锚效应会有所不同，需要具体问题具体分析，如何将其系统化、规范化需要进一步深化研究。加强对群锚效应的理论认识、实验研究，继续探索群锚效应理论、完善预应力锚索设计、提出相应的计算模型，对最大限度地发挥预应力锚杆十分有意义。

2.4 提高现有的预应力锚杆检测技术水平

作为锚杆预应力检测最热门最有潜力的无损检测法，现在仍处于不成熟时期。还需要对预应力锚杆锚固质量检测理论进入更深的研究，虽然弹性波法、应力波法在国内外锚杆检测应用广泛，但仍有些问题要克服，如声弹性系数选取、波传播中干扰因素的分析等，总之需要对超声应力波的正反演理论机理不断完善，使现代检测技术理论研究更完备、科学、实用；进一步深化模型试验研究，加强室内试验和现场试验相结合，研究波的相关参数与锚杆质量、荷载等之间的对应关系；利用智能检测仪器，结合先进的信号分析方法如小波分析、谱分析、BP神经网络、傅里叶和希尔伯特-黄变换（HHT）分析等，进行有效的数值分析和函数模拟，对预应力锚杆的局部及整体性能进行全面检测分析，使检测智能化；由于检测数据冗杂人为处理相对困难，因此需要建立自动化计算体系，从而达到更高的预测精度，使预应力锚杆检测技术进入现代化先进水，同时为保证锚杆质量评估更准确还因结合不同专家进行评价，尽管各种无损检测技术的检测方法、理论、技术、设备等都并非成熟，实际应用效果可能差强人意，相信随着检测技术理论的完善和智能化体系的建立，这些问题都将得到解决。

2.5 合理进行大数据整合及信息化监测

对预应力锚杆的力学性能如轴力、应力、应变等关键部位同时进行监测，借助大数据平台，将这些数据进行实时、快速处理整合到计算机上，通过整理的数据时刻掌握锚杆的动态信息，观察其受力状态，以便在其达到极限状态前及时补救，确保工程安全；对监测范围大的巷道围岩，可利用三维激光扫描技术对变形进行监测，由扫描得到水平和竖向变形数据传输到计算机上，利用计算机将不同的监测数据融合，同时正确处理监测数据之间的关联性，这种定性与定量的时测分析更好地实现了巷道失稳的超前监测预警；预应力锚杆监测的数据具有复杂性、多变性、和离散性特点，难以对锚杆锚固质量做出正确的评价，评价精度与大数据融合处理之间的问题亟待解决，因此建立以云数据库系统为基础的评价体系，不仅能够提高数据处理效率而且解决了评价结果的可靠性问题。利用大数据融合和信息化监测技术，根据安全监测的反馈信息，不断优化锚固体系设计从而保证岩土工程安全稳定。

3 结 语

应用预应力锚杆加固岩土，不仅可以提供足够的抗滑力，对岩土潜在滑移面的抗剪强度也有所提高，这是一般支档结构所不具备的力学作用。岩土预应力锚固技术发展至今，为更好适应现代化建设，仍需在以下几个方面进行完善和创新：①关于预应力锚固技术的理论如锚固理论、传力机理等和耦合模型的研究；②改善预应力锚杆结构类型，开发研制新品种和施工工艺，同时加强配套设备的装配式生产；③加强锚杆的全寿命周期监测和安全性评价，提高检测技术；④加强对特殊环境下预应力锚杆的性能研究，注重预应力损失和群锚效应问题研究；⑤依托于计算机技术，加强大数据融合技术在实际工程的应用与发展。