土遗址锚杆的性质研究现状和问题
前言：本站为你精心整理了土遗址锚杆的性质研究现状和问题范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。
土遗址是指主要建筑材料以土为主的古遗址，它属于不可移动文物，如长城、西夏王陵、交河故城、高昌故城、良渚遗址等。这些土遗址由于长期遭受自然与人为破坏，大部分濒临倾圮倒塌，严重影响遗址的安全。土遗址保护是世界性难题，到目前为止还没有形成一套完整的科学体系。随着科学技术的发展，土遗址的保护越来越受到人们的普遍重视，人们对土遗址的认识逐渐加深，研究也在逐步深入。对土遗址的保护，主要需解决两个问题：一是表面防风化问题；二是稳定性问题。锚杆锚固技术是加固土遗址的重要方法，可以有效地提高土遗址的稳定性。
一、锚固技术简介
锚固技术是通过埋设在岩土体中的锚杆，将结构物与岩土体紧密地连锁在一起。依赖锚杆和岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力，使其岩土体自身的不稳定部分得到加固，以保持锚固系统（岩土体、灌浆体、锚杆杆体和这些介质之间的界面）的稳定。岩土锚固是岩土工程领域的重要分支。在岩土工程中采用锚固技术，能较充分地调用和提高岩土体的自稳能力和自身强度，大大减小结构物体积，减轻结构物自重，显著节约施工材料，并有利于施工安全，目前己成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题最有效、最经济的方法之一。锚固技术经过几十年的发展，几乎已经应用于土木建筑的各个方面。如边坡、建筑基坑、隧洞、地下工程、坝体、码头、海岸、桥梁、悬索建筑的拉力基础等加固工程。锚固技术的各道工序———定位、钻孔、杆体制作、注浆材料及其工艺、锚杆的张拉及锁定等都有先进、专业的设备和操作规范。根据工程对象的工程地质条件和工作状态，可以灵活地选择、设计、采用各类锚固技术。依据不同功能，锚杆分多种类型。按锚固方式（机理），分为粘结型锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆；根据锚杆作用力形式（范围），分为端头锚杆和全长锚固式锚杆；按是否预先施加预应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆；按锚固体的传力方式，分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆；按锚固体的形态，分为圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆和连续型锚杆等。锚固技术用于文物保护加固工程始于20世纪80年代初甘肃麦积山石窟的加固保护工程，继而云冈石窟、龙门石窟、炳灵寺石窟、蓬莱丹崖山、大足石刻等大型石刻造像的保护，相继采用锚固技术，既起到了有效的加固作用，又符合文物保护原则的要求，取得了良好的效果。
二、土木工程锚固与文物保护工程锚固的差异
（一）工程对象的规模不同土木工程锚固的对象一般是整个边坡或巷道或地下工程的整个工程体，规模宏大。而文物保护工程的对象一般都是石窟崖壁或土遗址墙体某区段或某区域的不稳定块体，亦称为危岩体，其规模小。
（二）锚固体的锚固力不同土木工程上的锚杆体一般要求达到几百吨、上千吨的力；而文物体的工作对象，一般只要求几吨、几十吨的力。
（三）锚杆体的规模不同土木工程上的锚杆体钻孔孔径大，一般为100～168毫米，长度几十米至上百米；而文物保护工程锚杆体钻孔孔径从几毫米至上百毫米，长度十几厘米、几米至二三十米。
（四）灌浆材料不同粘接性锚杆在土木工程和文物保护工程中常用，在土木工程中常用的粘结剂有合成树脂、水泥浆、水泥砂浆等，要求这些灌浆材料有足够的粘接力；而文物保护工程中的灌浆材料，尤其是土遗址保护中的灌浆材料，其粘接力不能太大，现在一般采用粘接力较小的水泥砂浆和PS系列浆液。由于文物的特殊性，在加固时，要特别注意，防止保护带来的新危害。
三、锚固技术在土遗址保护中的研究
土遗址保护由于土体自身强度不够，而且加固体积也不是很大，没有必要也不能使用大吨位的预锚技术，采用预锚技术可能会造成土遗址内部应力过大，而引起其整体破坏，只需使用全长粘接式锚杆即可，加强其整体稳定性，这样对土遗址的扰动最小，也能起到明显的加固效果。锚杆在土遗址保护中的应用主要有两方面：一是用于拉接新砌土坯和土遗址，对于有可能失稳的掏蚀区，补砌土坯是最有效的保护方法，为了使土坯和土遗址协同受力，补砌后砌筑体与文物本体应用锚杆连接，连接后的墙体整体性好，有利于提高其抗裂、抗震能力；二是采用锚杆加固可能造成墙体坍塌的墙体裂缝。裂缝发育能造成墙体坍塌而严重毁坏遗址，因此对于墙体裂缝，特别是对可能造成墙体坍塌的裂缝，应进行加固处理。墙体裂缝加固处理，通常采用锚杆锚固与裂隙灌浆或裂缝充填灌浆相结合的方法。
（一）土遗址保护锚固材料应用于土遗址加固的锚杆材料主要有钢筋、木材、FRP即增强纤维和楠竹。20世纪90年代开始探索利用锚杆加固土遗址的新技术，薄壁钢管在甘肃安西破城子遗址进行了锚固试验，但大口径薄壁钢管、钢筋一方面造价高，另一方面易锈蚀，即耐久性差，经若干年后锚固强度大幅度下降，不符合文物保护加固的原则。根据实际调查，在西北的土遗址中保存有大量的木质结构，其耐用年限已经超过2000年，仍然能发挥很好的作用，而晚期的遗址中含有的铁质材料已严重腐蚀，耐久性不如木质材料，因此用木锚杆被尝试用来进行加固工程，常选用当地易于采购的楠竹、白蜡杆。通过对夯土加固采用木质锚杆的研究试验结果表明注浆材料与土体及木质锚杆均有较好的固结性，试验表明，木质锚杆的单位锚固力可采用5千牛/米，单根锚杆的锚固力大于45千牛/米，符合土遗址保护锚杆的要求。在试验基础上，敦煌研究院在玉门关、西夏王陵、河仓城、交河故城隙望台加固工程中以木质锚杆对破损墙体进行锚固，工程应用效果良好。但木质锚杆只能对小体量的墙体进行锚固，其长度不宜超过1.5~2米。2005年，在李最雄研究员的主持下，开始楠竹加筋锚杆加固土遗址的研究，取得了较好的效果，并且在交河故城保护中得以应用。楠竹加筋复合锚杆是专门针对大体量土遗址加固设计的一种新型锚杆，南竹加筋复合土锚杆直径大且质量小，外部用环氧树脂包裹2～3层玻璃纤维布面，表面粗糙，摩擦力大，锚固力大，适宜松软土体的锚固。螺纹钢、南竹用环氧树脂封护后，有很好的防锈蚀和防腐蚀效果，锚杆的耐久性非常好，符合古代土遗址保护加固原则。在高昌故城的保护中，还采用了一种新型复合材料锚杆———土工长丝，杆件以土工长丝作为增强纤维，采用树脂浸裹，而后经挤压成型。杆件表面为挤压肋纹，杆中纤维的含量一般为70%~80%。它具有很好的强度和耐久性，对小型土建筑遗址墙体加固而言,土工长丝锚杆是一类优良的材料，可以代替钢筋锚杆。不管是薄壁钢管锚杆、楠竹锚杆还是土工长丝锚杆，目前都只是在西北干旱地区土遗址保护当中使用，对中原地区含水率较高的土遗址，以及南方潮湿地区的土遗址，目前还没有成熟的锚固材料。近年来，复合纤维增强塑料简称FRP材料在岩土工程中有了长足的发展，由于其特有的性质，有可能成为今后土遗址保护锚固材料的研究方向。复合纤维增强塑料锚杆，是由多股纤维（如玻璃纤维、碳纤维、阿拉米德纤维等）采用基底材料（聚酞氨树脂、聚乙烯树脂或环氧树脂等）胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型的。根据纤维的不同，FRP可分为玻璃纤维增强塑料（GlassFRP）、碳纤维增强塑料（CabronFRP）、阿拉米德纤维增强塑料（ArmadiFRP）。FRP杆材主要采用拉挤压成形工艺生产制作而成。FRP具有轻质、高强（重量约为普通钢筋的1/5，强度约为普通钢筋的6倍）、抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优点。虽然碳纤维增强塑料锚杆的性能在三种纤维增强塑料筋中最适合土遗址保护用锚固材料，但其造价较高，且碳纤维锚杆的研究和制作工艺目前尚不成熟。而玻璃钢锚杆不管是其研究还是制作工艺，都比较成熟，且其造价较低，满足土遗址保护上大量使用的需求。
（二）土遗址保护灌浆材料灌浆材料强度对锚杆锚固力影响很大，灌浆体强度越大，锚固力就越大，应力扩散得越慢。古遗址加固采用的灌浆体有环保、尽量保持遗址原貌的要求，所以灌浆体的选用受到限制，常用的传统材料如水泥混凝土材料无法选用。目前土遗址保护工程中所用的灌浆材料主要有水泥砂浆和PS系列材料。用碳纤维楠竹锚杆加固高昌故城城墙遗址过程中，采用高强度改性泥浆（土:水泥:粉煤灰70:20:10、5%的膨胀剂，浆体的水灰比为31%）；与土工长丝锚杆配合使用的灌浆材料配比为（采用粉质粘土、粉煤灰、水泥）85:10:5配制，采用5%有机硅改性丙烯酸树脂乳液按水灰比0.38~0.45配成泥浆。必要时粉煤灰比例可以适当增大，以增强其流动性。考虑到文物的特性，水泥砂浆类灌浆材料可在土遗址载体上使用，但不能应用于土遗址本体，以免带来保护性的破坏。而PS系列灌浆材料在遗址本体和载体上都可使用，PS系列灌浆材料包括PS-C、PS-F、PS-（F+C）三种，PS是高模数的硅酸钾溶液，C是当地的粉土，F代表粉煤灰。目前的PS灌浆材料一般使用模数为3.9，浓度为24%，分别选用粉煤灰和当地粉土。粉煤灰和当地粉土各半配制浆液，水灰比控制在0.55~0.65。
四、锚杆破坏形式研究
(一)锚杆的抗拉承载力不足
1.锚杆被拉断锚杆锚固段处在硬质岩当中时，灌浆体和岩体的粘结强度以及锚杆和灌浆体之间粘结强度足够，且锚固段长度足够，主要由锚杆的屈服强度来决定可以提供锚固力的大小。当锚杆所承受拉力超过钢筋屈服强度时，锚杆就会被拉断。2.锚杆与锚浆体的结合面粘结破坏锚杆锚固段处在硬质岩当中时，灌浆体和岩体的粘结强度可能比锚杆和灌浆体的粘结强度还要高，当锚杆和灌浆体的粘结强度不足以抵抗外荷载时，锚杆和灌浆体的结合面就会发生粘结破坏，导致锚杆被拔出。3.灌浆体和岩土体的结合面粘结破坏锚杆锚固段处在软质岩或者土层中时，灌浆体和土体的粘结强度可能比锚杆和灌浆体的粘结强度要低得多，这使灌浆体和岩土体的粘结强度所能发挥的摩阻力比锚杆和光浆体的粘结强度所能发挥的摩阻力要低，导致破坏首先发生在灌浆体和岩土体的结合面，锚杆被拔出。4.灌浆体的破坏当施加于锚杆上的荷载向灌浆体传递时，灌浆体就会膨胀受压，进一步通过灌浆体将荷载传递到土体上。荷载越大，灌浆体所受到的压力越大，当压力超过灌浆体的抗压强度时，灌浆体就会被压碎破坏，导致锚杆锚固失效。
(二)土体内部破坏
1.锚固段底端有膨胀体的锚杆内部土体的剪切或受压破坏当锚杆的锚固段底端有膨胀体且锚固段长度较短受荷相对较大时，膨胀体所受压力较大，该处灌浆体和岩土体界面的剪应力以及膨胀体对周围岩土体的亚应力都较大，和值增大到一定程度时，就有可能导致内部岩土体产生受剪破坏或受压破坏，造成锚杆整体失效。如果锚杆锚固段长度足够，一般不会出现此种破坏形式。2.群锚效应引起的土体破坏当锚杆布置较密时，岩土体受力区的重叠必然会引起应力和锚杆位移的叠加，就可能造成岩土体的破坏。遗址墙体锚杆加固破坏形式与传统意义上锚杆破坏不完全相同。遗址墙体加固采用的土工锚杆是土工聚合物的一种，截面较小，内部有抗拉能力很高的纤维。外部增加纤维保护材料，同时为了增大锚杆与灌浆体之间的粘结能力，锚杆外部加工有斜向抗滑肋。导致锚杆和灌浆体之间的粘结力在光面锚杆情况下不易得到保证。抗滑肋的增加大大的提高了灌浆体和锚杆之间的粘结能力，使环保和保持遗址原貌的灌浆材料选用成为可能。锚杆加固主要用于分层、开裂墙体之间的连接来提高墙体整体的稳定性。根据这一原则可判断锚杆是否破坏。土遗址加固锚杆破坏可能有如下几种形式：锚杆与锚浆体的结合面粘结破坏；锚杆外层保护和内部纤维粘结破坏；灌浆体和土体的结合面粘结破坏；群锚效应引起的土体破坏。
五、当前研究存在的问题
锚固技术在土遗址加固保护中得到广泛应用，取得了不少成果。但由于文物本身破坏的不同和工程技术条件复杂多变，而锚杆又深埋在土体中，给锚杆力学行为及锚固机理的研究带来了很大困难。而且目前各种新型锚杆应用在土遗址保护中没有现成的规范可循，亟需要有一套详尽的锚杆研究资料来指导加固设计及施工。
总之，目前存在的问题表现在如下几个方面：第一，目前对锚固力的试验研究中，考虑的因素太少。资料显示，锚固力的大小与锚杆长度、钻孔直径、锚杆直径、灌浆体强度、杆体表面状态和倾斜角度都有关系，在以往土遗址的锚杆试验中，仅有锚固长度和灌浆体强度对锚固力的影响研究，没有考虑其他因素。第二，缺少影响锚固体应力分布因素的系统研究。土遗址锚杆的试验大多集中在对锚杆锚固力的研究上，很少有人关注在土遗址中锚杆应力的分布情况，这对锚固理论在土遗址抱杆中的应用研究造成了很大的障碍。第三，缺少针对土遗址锚固系统具体的设计施工方法。目前土遗址所采用的锚杆研究主要是单根锚杆的研究，锚固技术仅作为一种构造措施，未对其提出一种具体的计算设计方法。
