锚杆(索)设计与施工

锚杆(索)设计与施工内容提要锚杆(索)的结构、分类及其应用锚杆(索)的设计与计算锚杆(索)的构造设计锚杆(索)的施工锚杆(索)的试验与观测1概述1.1岩土锚固技术应用岩土锚固技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的强度和自稳能力的一门工程技术；由于这种技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。岩土锚固的基本原理就是利用锚杆(索)周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力以保持地层开挖面的自身稳定。使用锚（杆）索，可以为结构承受外荷提供抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力。在岩土锚固中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。1.2锚杆(索)的结构与分类1）锚杆（索）的结构锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由段和锚固段组成，如图1所示。(1)锚头：锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，由垫墩、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。(2)锚固段：锚杆远端将拉力传递给稳定地层的部分锚固深度和长度应按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。1-台座，2-锚具3-承压板，4-支挡结构5-钻孔，6-自由隔离层7-钢筋，8-注浆体Lf-自由段长度La-锚固段长度1-台座；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-钻孔；6-自由隔离层；7-钢筋；8-注浆体；Lf-自由段长度；La-锚固段长度(3)自由段：将锚头拉力传至锚固段的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和注浆体组成。(4)锚杆配件：为了保证锚杆受力合理、施工方便而设置的部件，如定位支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等(图2)。1-台坐；2-锚具；3-承压板；4-支档结构；5-自由隔离层；6-钻孔；7-对中支架；8-隔离架；9-钢绞线；l0-架线环；11-注桨体；12-导向帽；Lr-自由段；La-锚固段2）分类按是否预先施加应力分为：预应力锚杆(索)和非预应力锚杆(索)。非预应力锚杆是指锚杆锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态；预应力锚杆是指锚杆锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受载状态。按锚固形态分为：圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆(索)和连续球型锚杆(索)。除此之外，按锚固机理还可分为有粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆。目前在边坡加固工程中广泛采用的锚钉也是一种较短的粘结型锚杆，它是通过在边坡中埋入短而密的粘结型锚杆使锚杆与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性；这种锚杆一般适用于土质地层和松散的岩石地层。1.3锚杆(索)在边坡处治中的应用采用锚杆(索)加固边坡，能够提供足够的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移，这是一般支挡结构所不具备的力学作用。另外锚杆在边坡加固中通常与其他支挡结构联合使用，例如：(1)锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式锚杆挡墙。排桩可以是钻孔桩、挖孔桩或劲性混凝土桩，锚杆可以是预应力或非预应力锚杆。如图3所示(2)锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式锚杆挡墙，锚杆锚点设在格架结点上，锚杆可以是预应力锚杆(索)或非预应力锚杆(索)。如图4所示。(3)锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土板肋式锚杆挡墙，这种结构主要用于直立开挖的Ⅲ、Ⅳ类岩石边坡或土质边坡支护，一般采用自上而下的逆作法施工。如图5所示。(4)锚杆与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙。这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡，如图6所示。(5)锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构，适用于岩石边坡。锚杆在边坡支护中主要承担岩石压力，限制边坡侧向位移，而面板则用于限制岩石单块塌落并保护岩体表面防止风化。锚板可根据岩石类别采用现浇板或挂网喷射混凝土层。(6)锚钉加固边坡，在边坡中埋入短而密的抗拉构件与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性。这种方法主要用于土质边坡和松散的岩石边坡，加固高度较小，多用于临时边坡加固2锚杆(索)的设计与计算2.1锚杆(索)设计的基本原则在计划使用锚杆的边坡工程中，应充分研究锚固工程的安全性、经济性和施工的可行性。设计前认真调查边坡工程的地质条件，并进行工程地质勘察及有关的岩土物理力学性能实验，以提供锚固工程范围内的岩土性状、抗剪强度、地下水、地震等资料。对于土质边坡还应提供土体的物理性质和物理状态指标。设计锚杆的使用寿命应不小于公路或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用期限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用期限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。对于永久性锚杆的锚固段不应设在有机质土、液限大于50％或相对密度小于0.3的土层中；因有机质土会引起锚杆的腐蚀破坏；液限大于50％的土层由于其高塑性会引起明显的徐变而导致锚固力不能长期保持恒定；相对密度小于0.3的土层松散不能提供足够的锚固力。当对支护结构变形量容许值要求较高、或岩质边坡施工期稳定性较差、或土层锚固性能较差、或采用了钢绞线和精轧钢时，宜采用预应力锚杆。但预应力作用对支承结构的加载影响、对锚固地层的牵引作用以及相邻构筑物的不利影响应控制在安全范围之内。设计的锚杆必须达到所设计的锚固力要求，防止边坡滑动剪断锚杆，锚杆选用的钢筋或钢绞线必须满足有关国家标准，特别是预应力钢绞线，除了满足GB／T5224—2003标准外，还必须获得IS09002国际质量认证；同时必须保障钢筋或钢绞线有效防腐，以避免锈蚀导致材料强度降低。非预应力锚杆长度一般不要超过l6m，单锚设计吨位一般为l00～400kN，最大设计荷载一般不超过450kN。预应力锚杆(索)长度一般不要超过50m，单束锚索设计吨位一般为500～2500kN，最大设计荷载一般不超过3000kN，预应力锚索的间距一般为4～10m。进行锚杆设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆施工完毕后必须对锚杆进行抗拔试验，验证锚杆是否达到设计承载力的要求；同时对于大型滑坡在采用预应力锚索加固后必须进行至少一年的位移监测。2.2锚杆(索)的设计程序锚杆(索)设计流程图如图7所示。在边坡锚杆加固中要选择合理的锚杆型式，必须结合被加固边坡的具体情况，根据锚固段所处的地层类型、工程特征、锚杆承载力的大小、锚杆材料、长度、施工工艺等条件综合考虑进行选择。表6.1给出了土层、岩层中的预应力和非预应力常用锚杆类型的有关参数，可供边坡锚杆加固选型使用。2.3锚杆(索)设计锚固力的确定极限锚固力：通常由破坏性拉拔试验确定。极限拉拔力指锚索沿握裹砂浆或砂浆固结体沿孔壁滑移破坏的临界拉拔力；容许锚固力：指极限锚固力除以适当的安全系数(通常为2.0~2.5)，它将为设计锚固力提供依据。设计锚固力：通常取容许锚固的70%~80%，设计锚固力根据滑坡或边坡的稳定性确定。设计锚固力的确定可分为两种情况：（1）岩质滑坡根据极限平衡法进行计算，须考虑预应力沿滑面施加的抗滑力和垂直滑面施加的法向阻滑力。具体计算公式参见“滑坡防治工程设计与施工技术规范”（DZ0240—2004）附录1。（a）稳定性评价稳定系数：其中：V为后缘裂缝静水压力U为沿滑面扬压力A为地震力cos)cos(sintan)sin)sin(cos(VAWCLUVAWKf221HVWLHUW21（b）设计锚固力：其中：如果锁定锚固力低于设计锚固力的50％时，可不考虑预应力锚索产生的法向阻滑力，稳定系数计算公式简化如下：costansinsbsKCLWKKTcos)cos(sinVAWWtan)sin)sin(cosUVAWWbcoscos)cos(sintan)sin)sin(cos(TVAWCLUVAWKfcossbsKCLWKKT（2）堆积层(包括土质)滑坡根据传递系数法进行计算，考虑预应力锚索沿滑面施加的抗滑力，可不考虑垂直滑面产生的法向阻滑力。具体计算公式参见“滑坡防治工程设计与施工技术规范”（DZ0240—2004）附录1。2.4锚杆(索)锚筋的设计按照设计程序，在确定出锚杆轴向设计锚固力后，需要对锚杆进行结构设计，结构设计的第一步就是根据锚杆轴向设计锚固力计算锚杆的锚筋截面，并选择合理的钢筋或钢绞线配置锚筋；在配置锚筋后可由锚筋的实际面积和锚筋的抗拉强度标准值计算出锚杆承载力设计值，然后方能进行锚杆体和锚固体的设计计算。(1)锚杆锚筋的截面积计算：假设锚杆轴向设计荷载为N，则可由下式初步计算出锚杆要达到设计荷载N所需的锚筋截面：(1)式中：Ag——由N计算出的锚筋截面；k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8对于永久性锚杆取2.2～2.4；fpkt——锚筋(钢丝、钢绞线、钢筋)抗拉强度设计值。gptkkNAf(2)锚筋的选用：根据锚筋截面计算值Ag，对锚杆进行锚筋的配置，要求实际的锚筋配置截面。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆承载力、锚杆的长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因数综合考虑。对于采用棒式锚杆，都采用钢筋做销筋。如果是普通非预应力锚杆，由于设计轴向力一般小于450kN,长度最长不超过20m．因此锚筋一般选用普通Ⅱ、Ⅲ级热轧钢筋，如果是预应力锚杆可选用Ⅱ、Ⅲ级冷拉热轧钢筋或其他等级的高强精轧螺纹钢筋。钢筋的直径一般选用2～32。对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆应优先选用钢绞线、高强钢丝，这样不但可以降低锚杆的用钢量，最大限度地减少钻孔和施加预应力的工作量，而且可以减少预应力的损失。(3)按实际锚筋截面计算锚杆承载力设计值：假设实际锚筋配置截面为Ag(Ag≥Ag′)，由下式按实际锚筋计算锚杆承载力设计值：(2)式中：Ng——实际锚筋配置情况下锚杆的承载力设计值；k——安全系数，取值同前；fptk——所配锚筋(钢丝、钢绞线或钢筋)的抗拉强度设计值。gptkgAfNNk2.5锚杆(索)的锚固力计算与锚固体设计锚杆(索)的锚固力也可称为锚杆(索)承载力。锚杆极限锚固力(极限承载力)是指锚杆锚筋沿握裹砂浆或砂浆沿孔壁产生滑移破坏时所能承受的最大临界拉拔力，它可以通过破坏性拉拔试验确定。锚杆容许锚固力(容许承载力)是极限锚固力(极限承载力)除以适当的安全系数(通常为2.0～2.5)，这种锚固力在《公路钢筋混凝土规范》中称为容许承载力，而在《工民建钢筋混凝土结构规范》中又称为锚杆锚固力(承载力)标准值；这种标准值为设计锚固力提供参考，通常锚杆容许锚固力是锚杆设计锚固力(或称为锚固力设计值)的1.2～1.5倍。在设计时，锚杆的设计荷载必须小于锚固力设计值。锚杆锚固力的计算方法随锚固体形式不同而异，圆柱型锚杆的锚固力由锚固体表面与周围地层的摩擦力提供；而端头扩大型锚杆的锚固力则由扩座端的面承力及与周围地层的摩擦力提供。(1)圆柱型锚杆锚固力与锚固长度计算对于圆柱型锚杆，根据锚固机理，锚杆的极限锚固力可按下式计算：(3)式中：L——锚固体长度；d——锚固体长度；qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度。式(2)给出了锚杆承载力设计值Ng(≥锚杆设计荷载)，由式3)可得锚杆要达到锚固力设计值Ng所需的最小锚固体长度：(4)式中：Lm——锚固体长度；k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8对于永久性锚杆取2.2～2.4；Ng——锚杆锚固力设计值；qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值(表6.5)。usPLdqgmskNLdq(2)端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算如图6.12所示，端部扩大头型锚杆的极限锚固力由三部分组成：直孔段圆柱型锚固体摩阻力、扩孔段圆柱型锚固体摩阻力以及扩大头端面承载力。前两项摩阻力可由式(3)计算，而扩大头端面承载力目前主要运用锚定板抗拔力计算公式近似计算。砂土中锚杆的极限锚固力计算：(5)粘性土中锚杆的极限锚固力计算：(6)22121()4usscPdLqDLqDdh221