第五節(jié) 預(yù)應(yīng)力錨索工作機理

由于錨固對象是復(fù)雜的巖土體，現(xiàn)有關(guān)于錨固支護作用和效果的試驗都是在限定條件下和理想化的基礎(chǔ)上進行的。錨索對巖體的加固作用機理比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：①錨索與巖體黏結(jié)在一起，提高了巖體的整體度，增強了巖體的抗變形能力，增加了巖體整體性；②由于錨索的抗拉作用，當(dāng)錨索穿越破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時，對穩(wěn)定的巖層起著懸吊作用；③對于層狀巖體，由于錨索的作用，對巖層離層的產(chǎn)生有著一定的阻礙作用，并增大了巖層間的摩擦力，錨索本身的抗剪作用阻止巖層間相對滑動，從而將各個巖層夾緊形成組合梁，提高了巖層的承載能力；④由于錨索的作用，改變了邊界巖體的受力狀態(tài)，使其由一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化三維受力狀態(tài)，提高了巖體的承載能力。

一、懸吊理論

懸吊作用理論認(rèn)為，錨索支護是通過錨索將軟弱、松動、不穩(wěn)定的巖土體懸吊在深層穩(wěn)定的巖土體上，以防止其離層滑脫。這種作用在地下結(jié)構(gòu)錨固工程中表現(xiàn)得尤為突出，如圖2-30所示。

二、組合梁作用原理

組合梁作用是比較早期提出來的，也是公認(rèn)的支護作用原理之一。這種原理是把薄層狀巖體看成一種梁（簡支梁或懸臂梁），在沒有錨固時，它們只是簡單地疊合在一起，由于層間抗剪力不足，在荷載作用下，單個梁均產(chǎn)生各自的彎曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。若用螺栓將它們緊固成組合梁，各層板便相互擠壓，層間摩擦阻力大大增加，內(nèi)應(yīng)力和撓度減小，于是增加了組合梁的抗彎剛度，如圖2-31所示。當(dāng)把錨索埋入巖土體一定深度，相當(dāng)于將簡單疊合數(shù)層梁變成組合梁，從而提高了地層的承載能力。錨索提供的錨固力越大，各巖土層間的摩擦阻力越大，組合梁整體化程度越高，其強度也越大。

圖2-30 錨索的懸吊作用

圖2-31 組合梁加錨前后的撓度及應(yīng)力對比

三、擠壓加固理論

蘭格（T.A.Lang）通過光彈試驗證實了錨桿（索）的擠壓加固作用。在彈性體上安裝具有預(yù)應(yīng)力的錨桿時，發(fā)現(xiàn)在彈性體內(nèi)形成以錨桿（索）兩頭為頂點的錐形體壓縮區(qū)，若將錨桿（索）以適當(dāng)間距排列，使相鄰錨桿（索）的錐形壓縮區(qū)相重疊，便形成一定厚度的連續(xù)壓縮帶，如圖2-32所示。

圖2-32 連續(xù)壓縮帶的形成

1—連續(xù)壓縮帶；2—錐形體壓縮區(qū)

為說明錨桿（索）對破碎地層的支護作用，澳大利亞雪山地下工程、國內(nèi)的冶金建筑研究院等單位曾分別先后用碎石、混凝土碎塊作材料模擬破碎地層，然后錨桿（索）加固，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加固后的模型承載能力大大提高。這就說明，通過錨固，即使無黏結(jié)力的碎石也能被加固成能承受相當(dāng)大荷載的整體結(jié)構(gòu)。工程上稱這種現(xiàn)象為擠壓加固作用。上述幾種錨固作用機理在實際工程中并非孤立存在，往往是幾種作用同時存在并綜合作用，只不過在不同地質(zhì)條件下某種作用占主導(dǎo)地位。