6--锚杆(索)的设计与施工

第六章锚杆（索）设计与施工§6.1概述§6.2锚杆（索）设计与计算§6.3锚杆（索）构造设计§6.4锚杆（索）的施工§6.5锚杆（索）的试验与观测npvptp§6.1概述§6.1.1岩土锚固技术的发展与应用1.岩土锚固技术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。2.基本原理岩土锚固的基本原理是利用锚杆（索）周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖的自身稳定。αβ锚杆（索）加固原理示意图npvptp§6.1.2锚杆（索）的结构与分类1.锚杆（索）的结构锚（索）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。锚杆结构示意图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-锚固段长度单体锚杆组成单体锚索组成单体锚索组成单体锚索组成单体锚索组成锚索结构示意图1-台座；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-自由隔离层；6-钻孔；7-对中支架；8-隔离架；9-钢绞线；10-架线环；11-注浆体；12-到向槽；Lf-自由段长度；La-锚固段长度2.锚杆的分类（1）按应用对象分类岩石锚杆（索）：内锚段锚固于各类岩层中，而自由段可以位于岩层或土层中。土层锚杆（索）：锚固于各类土层中的锚杆。（2）按是否施加预应力分类预应力锚杆（索）：锚杆锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受载状态。非预应力锚杆（索）：锚杆（索）锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态。（3）按锚固形态分类圆柱形锚杆、端部扩大头锚杆、连续球形锚杆。（4）按锚固机理分类粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆。圆柱形锚杆端部扩大头锚杆连续球形锚杆§6.1.3锚杆（索）在边坡处治中的应用1.采用锚杆（索）加固边坡，提供足够的抗滑力。2.采用锚杆加固岩石边坡，增加岩体自身强度，提高边坡的稳定性。3.锚杆在边坡加固中与其他支挡结构联合使用。（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。（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。（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。（4）锚杆与混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙。（5）锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构。（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。§6.2锚杆（索）设计与计算§6.2.1锚杆（索）设计的基本原则1.设计锚杆的使用寿命不小于公路或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用年限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用年限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。2.当对支护结构变形量容许值要求较高、或岩层边坡施工期稳定性较差、或土层锚固性较差、或采用了钢绞线和精轧钢时，宜采用预应力锚杆。3.设计的锚杆必须达到设计的锚固力要求，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。4.非预应力锚杆长度一般不超过16m，单锚吨位一般为100-400KN，最大设计吨位不超过450KN，预应力锚杆（索）一般不超过50m，单锚设计吨位一般500-2500KN，最大设计荷载不超过3000KN。5.进行锚杆设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆施工完毕后应进行抗拔试验。锚杆特征锚固型式锚杆类别材料锚杆承载力设计值（kN）锚杆长度（m）应力状况注浆方式锚固体形式备注土层锚杆钢筋（II、III级）＜450＜16非预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型扩孔型锚杆超长时，施工安装难度较大钢绞线高强钢丝450～800＞10预应力压力灌浆二次高压灌浆连续球型、扩孔型锚杆超长时施工方便精轧螺纹钢筋400～800＞10预应力同上同上杆体防腐性好，施工安装方便岩层锚杆钢筋（II、III级）＜450＜16非预应力常压灌浆圆柱型锚杆超长时，施工安装难度较大钢绞线高强钢丝500～3000＞10预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型锚杆超长时施工方便精轧螺纹钢筋400～1100＞10预应力或非预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型杆体防腐性好，施工安装方便§6.2.2锚杆（索）的设计程序结束对预应力锚杆要确定预应力张拉值和锁定值工程地质调查边坡稳定分析与破坏方式推断采用锚杆方案的可行性经济性判断选择锚杆型式，确定锚杆间距、排数、倾角，计算每根锚杆轴线承载力设计值计算边坡作用在支挡结构上的侧压力计算锚筋面积，选择锚筋材料和数量根据锚筋承载力设计值进行锚固体设计，确定锚固体形式，锚固段长度，锚固体直径，注浆材料和工艺确定锚杆自由段长度和总长外锚头及防腐等构造设计必要时进行锚杆挡墙的整体稳定性演算锚杆施工工艺建议、试验、验收和监测要求锚杆基本试验施工信息反馈，必要时调整锚杆设计施工与监测试验结果不满足设计参数要求时§6.2.3锚杆（索）的布设锚杆的布置与安设角度原则上应根据实际地层情况以及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定。（1）锚杆上覆地层厚度应不小于4.0m，以避开车辆反复荷载的影响，也避免采用高压注浆使上覆地层隆起。（2）锚杆间距宜为1.25～3m，且不应大于锚杆长度的一半；对I、II类岩体边坡最大间距不得大于3m，对III类岩体边坡最大间距不得大于2m。（3）锚固角需要考虑邻近状况、锚固地层位置和施工方法。一般锚杆的俯角不小于15°，不大于45°。理论分析表明，锚索满足下式是最经济的：式中：b——锚索倾角；q——滑面倾角；f——滑面内摩擦角。(45/2)bq§6.2.4锚杆（索）锚固设计荷载的确定锚杆（索）锚固设计荷载应根据边坡的推力大小和支挡结构的类型综合考虑确定。首先应当计算边坡的推力或侧压力，然后根据支挡结构的形式计算该边坡要达到稳定需要锚固提供的支撑力。根据这个支撑力和锚杆数量、布置便可确定出锚杆（索）锚固荷载的大小。a)岩质滑坡根据极限平衡法进行计算，应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。)cos(tansin/bfbFPtF——滑坡推力设计值（kN）;Pt——设计锚固力(kN)；——滑动面内摩擦角(°)。/sintancos()tPFbbnpvptpαβ锚杆（索）加固原理示意图npvptpb)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。所需锚固力为：Pt=F/cosθ1.锚杆锚筋的截面积计算假设锚杆轴向设计荷载为Pt，则可由下式初步计算出锚杆要达到设计荷载Pt所需要的锚筋截面：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，对于永久锚杆取2.2-2.4；fptk——锚筋（钢丝、钢绞线）抗拉强度设计值。§6.2.5锚杆（索）锚筋的设计'tgptkkPAf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Ag≥Ag’。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因素综合考虑。对于棒式锚杆，都采用钢筋做锚筋。如果是非预应力锚杆一般选用普通HRB335、HRB400级热轧钢筋；如果是预应力锚杆可选用HRB335、HRB400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Φ22-32。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。3.按实际锚筋截面计算锚杆承载力设计值按实际锚筋配置截面计算锚杆承载力设计值：'gptkgtAfNPk§6.2.6锚杆（索）的锚固力计算与锚固体设计锚杆极限锚固力（极限承载力）：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，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）：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）。1.圆柱形锚杆锚固力与锚固长度计算根据锚固机理，锚杆的极限锚固力可按下式计算：式中：L——锚固体长度；d——锚固体直径；qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度。锚杆要达到锚固力设计值Ng所需要的最小锚固体长度：suLdqPsgdqkNmLgskNmdqLusPLdq锚固力计算模式图2.端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算端部扩大头型锚杆的极限锚固力由三部分组成：直孔段圆柱形锚固体摩擦阻力、扩孔段圆柱形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（6.5）计算，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：粘性土中锚杆的极限锚固力计算：式中：Pu——锚杆极限锚固力；L1,L2,D,d——锚固体结构尺寸；qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值；h,g——扩大头上覆土层的厚度和土体容重；Cu——土体不排水抗剪强度；bc——锚固力因数。hdDqDLqdLPcssugb)(224121ucssucdDqDLqdLPb)(224121221124()usscPdLqDLqDdhbg221124()usscuPdLqDLqDdcb锚杆的最小锚固长度为：砂性土：粘性土：在实际工程中，为了便于计算常将上面两式简化为：式中：Bc——扩大头承载力修正系数，对于临时锚杆取4.5-6.5，对于永久性锚杆取3.0-5.0。221124221124()()gsscgsscukNdLqDLqDdhkNdLqDLqDdcbgbucskskgcBdDqDLqdLN)(22412111221124221124()()gsscgsscukNdLqDLqDdhkNdLqDLqDdcbgb22111124()gsscukkNdLqDLqDdBc3.锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度计算对于坚硬岩石，如果锚固体与岩层之间的极限摩阻力大于锚筋与锚固砂浆之间的极限握裹力，锚杆首先从锚筋与锚固砂浆之间剪切破坏。极限握裹力计算公式：最小握裹长度：式中：L——锚固体长度；dg——锚筋直径；n——锚筋数量；qg——锚筋与锚固砂浆之间的极限粘结强度，Lg——锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度。圆柱形L=max(Lm,Lg),端部扩大头型L=max(La,Lg)ggguggkNgndqPLndqLggguggkNgndqPLndqL1.非预应力土层锚杆弹性变形的计算对于土层锚杆在外荷载作用下，除了锚杆自由段产生变形外，锚固段也存在一部分变形，一般需通过试验确定，在初步设计时可以近似估算：（6.13）式中：Sc——锚杆弹性变形；Lf,La——锚杆自由段和锚固段长度；A,Ac——杆体截面面积和锚固体截面面积；Es,Ec——杆体弹性模量和锚固体组合弹性模量，可由下式确定：（6.14）Am,Em——锚固体中砂浆体的截面面积和弹性模量。§6.2.7锚杆（索）的弹性变形计算gAELAELcNSccasf)(3mmmsAAEAAEcE3()fasccLLcgEAEASNsmmmAEAEcAAE2.非预应力岩石锚杆弹性变形计算非预应力岩石锚杆的弹性变形主要为锚杆自由段的弹性变形，估算公式为：（6.15）3.预应力锚杆（索）弹性变形的计算预应力锚杆在受到的轴向拉力小于预应力实际保留值时，可按刚性拉杆考虑；如果承受的轴向拉力大于预应力保留值时，预应力锚杆将再次产生拉伸变形，此时锚杆的变形量可根据拉力超出预应力保留值的增量代入式（6.13）和（6.15）中的Sc计算变形量。gAELcNSsffsLcgEASN§6.2.8锚杆（索）的锁定荷载和锚头设计（1）边坡坡体结构完整性较好时，可将设计锚固力的100%作为锁定荷载。（2）边坡坡体有明显蠕变且预应力锚杆与抗滑桩相结合，或因坡体地层松散引起的变形过大，应由拉张试验确定锁定荷载，这种情况下锁定荷载一般取设计锚固力的50%-80%。（3）当边坡具有崩滑性时，锁定荷载