第五节 预应力锚索工作机理

由于锚固对象是复杂的岩土体，现有关于锚固支护作用和效果的试验都是在限定条件下和理想化的基础上进行的。锚索对岩体的加固作用机理比较复杂，主要表现在：①锚索与岩体黏结在一起，提高了岩体的整体度，增强了岩体的抗变形能力，增加了岩体整体性；②由于锚索的抗拉作用，当锚索穿越破碎岩层深入稳定岩层时，对稳定的岩层起着悬吊作用；③对于层状岩体，由于锚索的作用，对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用，并增大了岩层间的摩擦力，锚索本身的抗剪作用阻止岩层间相对滑动，从而将各个岩层夹紧形成组合梁，提高了岩层的承载能力；④由于锚索的作用，改变了边界岩体的受力状态，使其由一维应力状态转化三维受力状态，提高了岩体的承载能力。

一、悬吊理论

悬吊作用理论认为，锚索支护是通过锚索将软弱、松动、不稳定的岩土体悬吊在深层稳定的岩土体上，以防止其离层滑脱。这种作用在地下结构锚固工程中表现得尤为突出，如图2-30所示。

二、组合梁作用原理

组合梁作用是比较早期提出来的，也是公认的支护作用原理之一。这种原理是把薄层状岩体看成一种梁（简支梁或悬臂梁），在没有锚固时，它们只是简单地叠合在一起，由于层间抗剪力不足，在荷载作用下，单个梁均产生各自的弯曲变形，上下缘分别处于受压和受拉状态。若用螺栓将它们紧固成组合梁，各层板便相互挤压，层间摩擦阻力大大增加，内应力和挠度减小，于是增加了组合梁的抗弯刚度，如图2-31所示。当把锚索埋入岩土体一定深度，相当于将简单叠合数层梁变成组合梁，从而提高了地层的承载能力。锚索提供的锚固力越大，各岩土层间的摩擦阻力越大，组合梁整体化程度越高，其强度也越大。

图2-30 锚索的悬吊作用

图2-31 组合梁加锚前后的挠度及应力对比

三、挤压加固理论

兰格（T.A.Lang）通过光弹试验证实了锚杆（索）的挤压加固作用。在弹性体上安装具有预应力的锚杆时，发现在弹性体内形成以锚杆（索）两头为顶点的锥形体压缩区，若将锚杆（索）以适当间距排列，使相邻锚杆（索）的锥形压缩区相重叠，便形成一定厚度的连续压缩带，如图2-32所示。

图2-32 连续压缩带的形成

1—连续压缩带；2—锥形体压缩区

为说明锚杆（索）对破碎地层的支护作用，澳大利亚雪山地下工程、国内的冶金建筑研究院等单位曾分别先后用碎石、混凝土碎块作材料模拟破碎地层，然后锚杆（索）加固，结果发现加固后的模型承载能力大大提高。这就说明，通过锚固，即使无黏结力的碎石也能被加固成能承受相当大荷载的整体结构。工程上称这种现象为挤压加固作用。上述几种锚固作用机理在实际工程中并非孤立存在，往往是几种作用同时存在并综合作用，只不过在不同地质条件下某种作用占主导地位。