土遺址錨桿的性質(zhì)研究現(xiàn)狀和問(wèn)題

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土遺址是指主要建筑材料以土為主的古遺址，它屬于不可移動(dòng)文物，如長(zhǎng)城、西夏王陵、交河故城、高昌故城、良渚遺址等。這些土遺址由于長(zhǎng)期遭受自然與人為破壞，大部分瀕臨傾圮倒塌，嚴(yán)重影響遺址的安全。土遺址保護(hù)是世界性難題，到目前為止還沒(méi)有形成一套完整的科學(xué)體系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土遺址的保護(hù)越來(lái)越受到人們的普遍重視，人們對(duì)土遺址的認(rèn)識(shí)逐漸加深，研究也在逐步深入。對(duì)土遺址的保護(hù)，主要需解決兩個(gè)問(wèn)題：一是表面防風(fēng)化問(wèn)題；二是穩(wěn)定性問(wèn)題。錨桿錨固技術(shù)是加固土遺址的重要方法，可以有效地提高土遺址的穩(wěn)定性。

一、錨固技術(shù)簡(jiǎn)介

錨固技術(shù)是通過(guò)埋設(shè)在巖土體中的錨桿，將結(jié)構(gòu)物與巖土體緊密地連鎖在一起。依賴(lài)錨桿和巖土體的抗剪強(qiáng)度傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力，使其巖土體自身的不穩(wěn)定部分得到加固，以保持錨固系統(tǒng)（巖土體、灌漿體、錨桿桿體和這些介質(zhì)之間的界面）的穩(wěn)定。巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支。在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能較充分地調(diào)用和提高巖土體的自穩(wěn)能力和自身強(qiáng)度，大大減小結(jié)構(gòu)物體積，減輕結(jié)構(gòu)物自重，顯著節(jié)約施工材料，并有利于施工安全，目前己成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法之一。錨固技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，幾乎已經(jīng)應(yīng)用于土木建筑的各個(gè)方面。如邊坡、建筑基坑、隧洞、地下工程、壩體、碼頭、海岸、橋梁、懸索建筑的拉力基礎(chǔ)等加固工程。錨固技術(shù)的各道工序———定位、鉆孔、桿體制作、注漿材料及其工藝、錨桿的張拉及鎖定等都有先進(jìn)、專(zhuān)業(yè)的設(shè)備和操作規(guī)范。根據(jù)工程對(duì)象的工程地質(zhì)條件和工作狀態(tài)，可以靈活地選擇、設(shè)計(jì)、采用各類(lèi)錨固技術(shù)。依據(jù)不同功能，錨桿分多種類(lèi)型。按錨固方式（機(jī)理），分為粘結(jié)型錨桿、摩擦型錨桿、端頭錨固型錨桿和混合型錨桿；根據(jù)錨桿作用力形式（范圍），分為端頭錨桿和全長(zhǎng)錨固式錨桿；按是否預(yù)先施加預(yù)應(yīng)力分為預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿；按錨固體的傳力方式，分為壓力型錨桿、拉力型錨桿和剪力型錨桿；按錨固體的形態(tài)，分為圓柱形錨桿、端部擴(kuò)大型錨桿和連續(xù)型錨桿等。錨固技術(shù)用于文物保護(hù)加固工程始于20世紀(jì)80年代初甘肅麥積山石窟的加固保護(hù)工程，繼而云岡石窟、龍門(mén)石窟、炳靈寺石窟、蓬萊丹崖山、大足石刻等大型石刻造像的保護(hù)，相繼采用錨固技術(shù)，既起到了有效的加固作用，又符合文物保護(hù)原則的要求，取得了良好的效果。

二、土木工程錨固與文物保護(hù)工程錨固的差異

（一）工程對(duì)象的規(guī)模不同土木工程錨固的對(duì)象一般是整個(gè)邊坡或巷道或地下工程的整個(gè)工程體，規(guī)模宏大。而文物保護(hù)工程的對(duì)象一般都是石窟崖壁或土遺址墻體某區(qū)段或某區(qū)域的不穩(wěn)定塊體，亦稱(chēng)為危巖體，其規(guī)模小。

（二）錨固體的錨固力不同土木工程上的錨桿體一般要求達(dá)到幾百?lài)崱⑸锨嵉牧Γ欢奈矬w的工作對(duì)象，一般只要求幾噸、幾十噸的力。

（三）錨桿體的規(guī)模不同土木工程上的錨桿體鉆孔孔徑大，一般為100～168毫米，長(zhǎng)度幾十米至上百米；而文物保護(hù)工程錨桿體鉆孔孔徑從幾毫米至上百毫米，長(zhǎng)度十幾厘米、幾米至二三十米。

（四）灌漿材料不同粘接性錨桿在土木工程和文物保護(hù)工程中常用，在土木工程中常用的粘結(jié)劑有合成樹(shù)脂、水泥漿、水泥砂漿等，要求這些灌漿材料有足夠的粘接力；而文物保護(hù)工程中的灌漿材料，尤其是土遺址保護(hù)中的灌漿材料，其粘接力不能太大，現(xiàn)在一般采用粘接力較小的水泥砂漿和PS系列漿液。由于文物的特殊性，在加固時(shí)，要特別注意，防止保護(hù)帶來(lái)的新危害。

三、錨固技術(shù)在土遺址保護(hù)中的研究

土遺址保護(hù)由于土體自身強(qiáng)度不夠，而且加固體積也不是很大，沒(méi)有必要也不能使用大噸位的預(yù)錨技術(shù)，采用預(yù)錨技術(shù)可能會(huì)造成土遺址內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大，而引起其整體破壞，只需使用全長(zhǎng)粘接式錨桿即可，加強(qiáng)其整體穩(wěn)定性，這樣對(duì)土遺址的擾動(dòng)最小，也能起到明顯的加固效果。錨桿在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用主要有兩方面：一是用于拉接新砌土坯和土遺址，對(duì)于有可能失穩(wěn)的掏蝕區(qū)，補(bǔ)砌土坯是最有效的保護(hù)方法，為了使土坯和土遺址協(xié)同受力，補(bǔ)砌后砌筑體與文物本體應(yīng)用錨桿連接，連接后的墻體整體性好，有利于提高其抗裂、抗震能力；二是采用錨桿加固可能造成墻體坍塌的墻體裂縫。裂縫發(fā)育能造成墻體坍塌而嚴(yán)重毀壞遺址，因此對(duì)于墻體裂縫，特別是對(duì)可能造成墻體坍塌的裂縫，應(yīng)進(jìn)行加固處理。墻體裂縫加固處理，通常采用錨桿錨固與裂隙灌漿或裂縫充填灌漿相結(jié)合的方法。

（一）土遺址保護(hù)錨固材料應(yīng)用于土遺址加固的錨桿材料主要有鋼筋、木材、FRP即增強(qiáng)纖維和楠竹。20世紀(jì)90年代開(kāi)始探索利用錨桿加固土遺址的新技術(shù)，薄壁鋼管在甘肅安西破城子遺址進(jìn)行了錨固試驗(yàn)，但大口徑薄壁鋼管、鋼筋一方面造價(jià)高，另一方面易銹蝕，即耐久性差，經(jīng)若干年后錨固強(qiáng)度大幅度下降，不符合文物保護(hù)加固的原則。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，在西北的土遺址中保存有大量的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其耐用年限已經(jīng)超過(guò)2000年，仍然能發(fā)揮很好的作用，而晚期的遺址中含有的鐵質(zhì)材料已嚴(yán)重腐蝕，耐久性不如木質(zhì)材料，因此用木錨桿被嘗試用來(lái)進(jìn)行加固工程，常選用當(dāng)?shù)匾子诓少?gòu)的楠竹、白蠟桿。通過(guò)對(duì)夯土加固采用木質(zhì)錨桿的研究試驗(yàn)結(jié)果表明注漿材料與土體及木質(zhì)錨桿均有較好的固結(jié)性，試驗(yàn)表明，木質(zhì)錨桿的單位錨固力可采用5千牛/米，單根錨桿的錨固力大于45千牛/米，符合土遺址保護(hù)錨桿的要求。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，敦煌研究院在玉門(mén)關(guān)、西夏王陵、河倉(cāng)城、交河故城隙望臺(tái)加固工程中以木質(zhì)錨桿對(duì)破損墻體進(jìn)行錨固，工程應(yīng)用效果良好。但木質(zhì)錨桿只能對(duì)小體量的墻體進(jìn)行錨固，其長(zhǎng)度不宜超過(guò)1.5~2米。2005年，在李最雄研究員的主持下，開(kāi)始楠竹加筋錨桿加固土遺址的研究，取得了較好的效果，并且在交河故城保護(hù)中得以應(yīng)用。楠竹加筋復(fù)合錨桿是專(zhuān)門(mén)針對(duì)大體量土遺址加固設(shè)計(jì)的一種新型錨桿，南竹加筋復(fù)合土錨桿直徑大且質(zhì)量小，外部用環(huán)氧樹(shù)脂包裹2～3層玻璃纖維布面，表面粗糙，摩擦力大，錨固力大，適宜松軟土體的錨固。螺紋鋼、南竹用環(huán)氧樹(shù)脂封護(hù)后，有很好的防銹蝕和防腐蝕效果，錨桿的耐久性非常好，符合古代土遺址保護(hù)加固原則。在高昌故城的保護(hù)中，還采用了一種新型復(fù)合材料錨桿———土工長(zhǎng)絲，桿件以土工長(zhǎng)絲作為增強(qiáng)纖維，采用樹(shù)脂浸裹，而后經(jīng)擠壓成型。桿件表面為擠壓肋紋，桿中纖維的含量一般為70%~80%。它具有很好的強(qiáng)度和耐久性，對(duì)小型土建筑遺址墻體加固而言,土工長(zhǎng)絲錨桿是一類(lèi)優(yōu)良的材料，可以代替鋼筋錨桿。不管是薄壁鋼管錨桿、楠竹錨桿還是土工長(zhǎng)絲錨桿，目前都只是在西北干旱地區(qū)土遺址保護(hù)當(dāng)中使用，對(duì)中原地區(qū)含水率較高的土遺址，以及南方潮濕地區(qū)的土遺址，目前還沒(méi)有成熟的錨固材料。近年來(lái)，復(fù)合纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)稱(chēng)FRP材料在巖土工程中有了長(zhǎng)足的發(fā)展，由于其特有的性質(zhì)，有可能成為今后土遺址保護(hù)錨固材料的研究方向。復(fù)合纖維增強(qiáng)塑料錨桿，是由多股纖維（如玻璃纖維、碳纖維、阿拉米德纖維等）采用基底材料（聚酞氨樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂等）膠合后，經(jīng)過(guò)特制的模具擠壓、拉拔成型的。根據(jù)纖維的不同，F(xiàn)RP可分為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GlassFRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CabronFRP）、阿拉米德纖維增強(qiáng)塑料（ArmadiFRP）。FRP桿材主要采用拉擠壓成形工藝生產(chǎn)制作而成。FRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)（重量約為普通鋼筋的1/5，強(qiáng)度約為普通鋼筋的6倍）、抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。雖然碳纖維增強(qiáng)塑料錨桿的性能在三種纖維增強(qiáng)塑料筋中最適合土遺址保護(hù)用錨固材料，但其造價(jià)較高，且碳纖維錨桿的研究和制作工藝目前尚不成熟。而玻璃鋼錨桿不管是其研究還是制作工藝，都比較成熟，且其造價(jià)較低，滿足土遺址保護(hù)上大量使用的需求。

（二）土遺址保護(hù)灌漿材料灌漿材料強(qiáng)度對(duì)錨桿錨固力影響很大，灌漿體強(qiáng)度越大，錨固力就越大，應(yīng)力擴(kuò)散得越慢。古遺址加固采用的灌漿體有環(huán)保、盡量保持遺址原貌的要求，所以灌漿體的選用受到限制，常用的傳統(tǒng)材料如水泥混凝土材料無(wú)法選用。目前土遺址保護(hù)工程中所用的灌漿材料主要有水泥砂漿和PS系列材料。用碳纖維楠竹錨桿加固高昌故城城墻遺址過(guò)程中，采用高強(qiáng)度改性泥漿（土:水泥:粉煤灰70:20:10、5%的膨脹劑，漿體的水灰比為31%）；與土工長(zhǎng)絲錨桿配合使用的灌漿材料配比為（采用粉質(zhì)粘土、粉煤灰、水泥）85:10:5配制，采用5%有機(jī)硅改性丙烯酸樹(shù)脂乳液按水灰比0.38~0.45配成泥漿。必要時(shí)粉煤灰比例可以適當(dāng)增大，以增強(qiáng)其流動(dòng)性。考慮到文物的特性，水泥砂漿類(lèi)灌漿材料可在土遺址載體上使用，但不能應(yīng)用于土遺址本體，以免帶來(lái)保護(hù)性的破壞。而PS系列灌漿材料在遺址本體和載體上都可使用，PS系列灌漿材料包括PS-C、PS-F、PS-（F+C）三種，PS是高模數(shù)的硅酸鉀溶液，C是當(dāng)?shù)氐姆弁粒現(xiàn)代表粉煤灰。目前的PS灌漿材料一般使用模數(shù)為3.9，濃度為24%，分別選用粉煤灰和當(dāng)?shù)胤弁痢７勖夯液彤?dāng)?shù)胤弁粮靼肱渲茲{液，水灰比控制在0.55~0.65。

四、錨桿破壞形式研究

(一)錨桿的抗拉承載力不足

1.錨桿被拉斷錨桿錨固段處在硬質(zhì)巖當(dāng)中時(shí)，灌漿體和巖體的粘結(jié)強(qiáng)度以及錨桿和灌漿體之間粘結(jié)強(qiáng)度足夠，且錨固段長(zhǎng)度足夠，主要由錨桿的屈服強(qiáng)度來(lái)決定可以提供錨固力的大小。當(dāng)錨桿所承受拉力超過(guò)鋼筋屈服強(qiáng)度時(shí)，錨桿就會(huì)被拉斷。2.錨桿與錨漿體的結(jié)合面粘結(jié)破壞錨桿錨固段處在硬質(zhì)巖當(dāng)中時(shí)，灌漿體和巖體的粘結(jié)強(qiáng)度可能比錨桿和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度還要高，當(dāng)錨桿和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度不足以抵抗外荷載時(shí)，錨桿和灌漿體的結(jié)合面就會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，導(dǎo)致錨桿被拔出。3.灌漿體和巖土體的結(jié)合面粘結(jié)破壞錨桿錨固段處在軟質(zhì)巖或者土層中時(shí)，灌漿體和土體的粘結(jié)強(qiáng)度可能比錨桿和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度要低得多，這使灌漿體和巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度所能發(fā)揮的摩阻力比錨桿和光漿體的粘結(jié)強(qiáng)度所能發(fā)揮的摩阻力要低，導(dǎo)致破壞首先發(fā)生在灌漿體和巖土體的結(jié)合面，錨桿被拔出。4.灌漿體的破壞當(dāng)施加于錨桿上的荷載向灌漿體傳遞時(shí)，灌漿體就會(huì)膨脹受壓，進(jìn)一步通過(guò)灌漿體將荷載傳遞到土體上。荷載越大，灌漿體所受到的壓力越大，當(dāng)壓力超過(guò)灌漿體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，灌漿體就會(huì)被壓碎破壞，導(dǎo)致錨桿錨固失效。

(二)土體內(nèi)部破壞

1.錨固段底端有膨脹體的錨桿內(nèi)部土體的剪切或受壓破壞當(dāng)錨桿的錨固段底端有膨脹體且錨固段長(zhǎng)度較短受荷相對(duì)較大時(shí)，膨脹體所受壓力較大，該處灌漿體和巖土體界面的剪應(yīng)力以及膨脹體對(duì)周?chē)鷰r土體的亞應(yīng)力都較大，和值增大到一定程度時(shí)，就有可能導(dǎo)致內(nèi)部巖土體產(chǎn)生受剪破壞或受壓破壞，造成錨桿整體失效。如果錨桿錨固段長(zhǎng)度足夠，一般不會(huì)出現(xiàn)此種破壞形式。2.群錨效應(yīng)引起的土體破壞當(dāng)錨桿布置較密時(shí)，巖土體受力區(qū)的重疊必然會(huì)引起應(yīng)力和錨桿位移的疊加，就可能造成巖土體的破壞。遺址墻體錨桿加固破壞形式與傳統(tǒng)意義上錨桿破壞不完全相同。遺址墻體加固采用的土工錨桿是土工聚合物的一種，截面較小，內(nèi)部有抗拉能力很高的纖維。外部增加纖維保護(hù)材料，同時(shí)為了增大錨桿與灌漿體之間的粘結(jié)能力，錨桿外部加工有斜向抗滑肋。導(dǎo)致錨桿和灌漿體之間的粘結(jié)力在光面錨桿情況下不易得到保證。抗滑肋的增加大大的提高了灌漿體和錨桿之間的粘結(jié)能力，使環(huán)保和保持遺址原貌的灌漿材料選用成為可能。錨桿加固主要用于分層、開(kāi)裂墻體之間的連接來(lái)提高墻體整體的穩(wěn)定性。根據(jù)這一原則可判斷錨桿是否破壞。土遺址加固錨桿破壞可能有如下幾種形式：錨桿與錨漿體的結(jié)合面粘結(jié)破壞；錨桿外層保護(hù)和內(nèi)部纖維粘結(jié)破壞；灌漿體和土體的結(jié)合面粘結(jié)破壞；群錨效應(yīng)引起的土體破壞。

五、當(dāng)前研究存在的問(wèn)題

錨固技術(shù)在土遺址加固保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，取得了不少成果。但由于文物本身破壞的不同和工程技術(shù)條件復(fù)雜多變，而錨桿又深埋在土體中，給錨桿力學(xué)行為及錨固機(jī)理的研究帶來(lái)了很大困難。而且目前各種新型錨桿應(yīng)用在土遺址保護(hù)中沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范可循，亟需要有一套詳盡的錨桿研究資料來(lái)指導(dǎo)加固設(shè)計(jì)及施工。

總之，目前存在的問(wèn)題表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：第一，目前對(duì)錨固力的試驗(yàn)研究中，考慮的因素太少。資料顯示，錨固力的大小與錨桿長(zhǎng)度、鉆孔直徑、錨桿直徑、灌漿體強(qiáng)度、桿體表面狀態(tài)和傾斜角度都有關(guān)系，在以往土遺址的錨桿試驗(yàn)中，僅有錨固長(zhǎng)度和灌漿體強(qiáng)度對(duì)錨固力的影響研究，沒(méi)有考慮其他因素。第二，缺少影響錨固體應(yīng)力分布因素的系統(tǒng)研究。土遺址錨桿的試驗(yàn)大多集中在對(duì)錨桿錨固力的研究上，很少有人關(guān)注在土遺址中錨桿應(yīng)力的分布情況，這對(duì)錨固理論在土遺址抱桿中的應(yīng)用研究造成了很大的障礙。第三，缺少針對(duì)土遺址錨固系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)施工方法。目前土遺址所采用的錨桿研究主要是單根錨桿的研究，錨固技術(shù)僅作為一種構(gòu)造措施，未對(duì)其提出一種具體的計(jì)算設(shè)計(jì)方法。