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土遺址是指主要建筑材料以土為主的古遺址，它屬于不可移動文物，如長城、西夏王陵、交河故城、高昌故城、良渚遺址等。這些土遺址由于長期遭受自然與人為破壞，大部分瀕臨傾圮倒塌，嚴重影響遺址的安全。土遺址保護是世界性難題，到目前為止還沒有形成一套完整的科學體系。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，土遺址的保護越來越受到人們的普遍重視，人們對土遺址的認識逐漸加深，研究也在逐步深入。對土遺址的保護，主要需解決兩個問題：一是表面防風化問題；二是穩(wěn)定性問題。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)簡介

錨固技術(shù)是通過埋設(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。依賴錨桿和巖土體的抗剪強度傳遞結(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)雜的巖土工程問題最有效、最經(jīng)濟的方法之一。錨固技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，幾乎已經(jīng)應(yīng)用于土木建筑的各個方面。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、專業(yè)的設(shè)備和操作規(guī)范。根據(jù)工程對象的工程地質(zhì)條件和工作狀態(tài)，可以靈活地選擇、設(shè)計、采用各類錨固技術(shù)。依據(jù)不同功能，錨桿分多種類型。按錨固方式（機理），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、端部擴大型錨桿和連續(xù)型錨桿等。錨固技術(shù)用于文物保護加固工程始于20世紀80年代初甘肅麥積山石窟的加固保護工程，繼而云岡石窟、龍門石窟、炳靈寺石窟、蓬萊丹崖山、大足石刻等大型石刻造像的保護，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工程錨固的差異

（一）工程對象的規(guī)模不同土木工程錨固的對象一般是整個邊坡或巷道或地下工程的整個工程體，規(guī)模宏大。而文物保護工程的對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到幾百噸、上千噸的力；而文物體的工作對象，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，長度幾十米至上百米；而文物保護工程錨桿體鉆孔孔徑從幾毫米至上百毫米，長度十幾厘米、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工程中常用，在土木工程中常用的粘結(jié)劑有合成樹脂、水泥漿、水泥砂漿等，要求這些灌漿材料有足夠的粘接力；而文物保護工程中的灌漿材料，尤其是土遺址保護中的灌漿材料，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，要特別注意，防止保護帶來的新危害。

三、錨固技術(shù)在土遺址保護中的研究

土遺址保護由于土體自身強度不夠，而且加固體積也不是很大，沒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)可能會造成土遺址內(nèi)部應(yīng)力過大，而引起其整體破壞，只需使用全長粘接式錨桿即可，加強其整體穩(wěn)定性，這樣對土遺址的擾動最小，也能起到明顯的加固效果。錨桿在土遺址保護中的應(yīng)用主要有兩方面：一是用于拉接新砌土坯和土遺址，對于有可能失穩(wěn)的掏蝕區(qū)，補砌土坯是最有效的保護方法，為了使土坯和土遺址協(xié)同受力，補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重毀壞遺址，因此對于墻體裂縫，特別是對可能造成墻體坍塌的裂縫，應(yīng)進行加固處理。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即增強纖維和楠竹。20世紀90年代開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行了錨固試驗，但大口徑薄壁鋼管、鋼筋一方面造價高，另一方面易銹蝕，即耐久性差，經(jīng)若干年后錨固強度大幅度下降，不符合文物保護加固的原則。根據(jù)實際調(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)材料已嚴重腐蝕，耐久性不如木質(zhì)材料，因此用木錨桿被嘗試用來進行加固工程，常選用當?shù)匾子诓少彽拈?、白蠟桿。通過對夯土加固采用木質(zhì)錨桿的研究試驗結(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，符合土遺址保護錨桿的要求。在試驗基礎(chǔ)上，敦煌研究院在玉門關(guān)、西夏王陵、河倉城、交河故城隙望臺加固工程中以木質(zhì)錨桿對破損墻體進行錨固，工程應(yīng)用效果良好。但木質(zhì)錨桿只能對小體量的墻體進行錨固，其長度不宜超過1.5~2米。2005年，在李最雄研究員的主持下，開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中得以應(yīng)用。楠竹加筋復(fù)合錨桿是專門針對大體量土遺址加固設(shè)計的一種新型錨桿，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)氧樹脂封護后，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加固原則。在高昌故城的保護中，還采用了一種新型復(fù)合材料錨桿———土工長絲，桿件以土工長絲作為增強纖維，采用樹脂浸裹，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%。它具有很好的強度和耐久性，對小型土建筑遺址墻體加固而言,土工長絲錨桿是一類優(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絲錨桿，目前都只是在西北干旱地區(qū)土遺址保護當中使用，對中原地區(qū)含水率較高的土遺址，以及南方潮濕地區(qū)的土遺址，目前還沒有成熟的錨固材料。近年來，復(fù)合纖維增強塑料簡稱FRP材料在巖土工程中有了長足的發(fā)展，由于其特有的性質(zhì)，有可能成為今后土遺址保護錨固材料的研究方向。復(fù)合纖維增強塑料錨桿，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（聚酞氨樹脂、聚乙烯樹脂或環(huán)氧樹脂等）膠合后，經(jīng)過特制的模具擠壓、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塑料（GlassFRP）、碳纖維增強塑料（CabronFRP）、阿拉米德纖維增強塑料（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（重量約為普通鋼筋的1/5，強度約為普通鋼筋的6倍）、抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點。雖然碳纖維增強塑料錨桿的性能在三種纖維增強塑料筋中最適合土遺址保護用錨固材料，但其造價較高，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，且其造價較低，滿足土遺址保護上大量使用的需求。

（二）土遺址保護灌漿材料灌漿材料強度對錨桿錨固力影響很大，灌漿體強度越大，錨固力就越大，應(yīng)力擴散得越慢。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法選用。目前土遺址保護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程中，采用高強度改性泥漿（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%有機硅改性丙烯酸樹脂乳液按水灰比0.38~0.45配成泥漿。必要時粉煤灰比例可以適當增大，以增強其流動性?？紤]到文物的特性，水泥砂漿類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，以免帶來保護性的破壞。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?shù)氐姆弁?，F(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?shù)胤弁?。粉煤灰和當?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)巖當中時，灌漿體和巖體的粘結(jié)強度以及錨桿和灌漿體之間粘結(jié)強度足夠，且錨固段長度足夠，主要由錨桿的屈服強度來決定可以提供錨固力的大小。當錨桿所承受拉力超過鋼筋屈服強度時，錨桿就會被拉斷。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)巖當中時，灌漿體和巖體的粘結(jié)強度可能比錨桿和灌漿體的粘結(jié)強度還要高，當錨桿和灌漿體的粘結(jié)強度不足以抵抗外荷載時，錨桿和灌漿體的結(jié)合面就會發(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，灌漿體和土體的粘結(jié)強度可能比錨桿和灌漿體的粘結(jié)強度要低得多，這使灌漿體和巖土體的粘結(jié)強度所能發(fā)揮的摩阻力比錨桿和光漿體的粘結(jié)強度所能發(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.灌漿體的破壞當施加于錨桿上的荷載向灌漿體傳遞時，灌漿體就會膨脹受壓，進一步通過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，當壓力超過灌漿體的抗壓強度時，灌漿體就會被壓碎破壞，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錨桿的錨固段底端有膨脹體且錨固段長度較短受荷相對較大時，膨脹體所受壓力較大，該處灌漿體和巖土體界面的剪應(yīng)力以及膨脹體對周圍巖土體的亞應(yīng)力都較大，和值增大到一定程度時，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。如果錨桿錨固段長度足夠，一般不會出現(xiàn)此種破壞形式。2.群錨效應(yīng)引起的土體破壞當錨桿布置較密時，巖土體受力區(qū)的重疊必然會引起應(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。外部增加纖維保護材料，同時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?？够叩脑黾哟蟠蟮奶岣吡斯酀{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、開裂墻體之間的連接來提高墻體整體的穩(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、當前研究存在的問題

錨固技術(shù)在土遺址加固保護中得到廣泛應(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，給錨桿力學行為及錨固機理的研究帶來了很大困難。而且目前各種新型錨桿應(yīng)用在土遺址保護中沒有現(xiàn)成的規(guī)范可循，亟需要有一套詳盡的錨桿研究資料來指導(dǎo)加固設(shè)計及施工。

總之，目前存在的問題表現(xiàn)在如下幾個方面：第一，目前對錨固力的試驗研究中，考慮的因素太少。資料顯示，錨固力的大小與錨桿長度、鉆孔直徑、錨桿直徑、灌漿體強度、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中，僅有錨固長度和灌漿體強度對錨固力的影響研究，沒有考慮其他因素。第二，缺少影響錨固體應(yīng)力分布因素的系統(tǒng)研究。土遺址錨桿的試驗大多集中在對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，缺少針對土遺址錨固系統(tǒng)具體的設(shè)計施工方法。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，未對其提出一種具體的計算設(shè)計方法。