高层建筑施工第三章 高层建筑深基坑支护7土锚设计与施工

第七节土锚设计与施工一、土锚概述土层锚杆，亦称土锚，它的一端与支护结构联结，另一端锚固在土体中，将支护结构所承受的荷载（侧向的土压力、水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等）通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。•二、土锚计算•土层锚杆一般由拉杆、锚头、腰梁、自由段保护套管和锚固体等组成。如图3-70所示。•土锚根据潜在滑裂面，分为自由段（非锚固段）lf和锚固段la（图3-71）。•锚固段是承载力的主要来源。•（一）土锚布置•根据《建筑基坑支护技术规程》，土锚的上下排垂直间距不宜小于2m；水平间距不宜小于1.5m；土锚锚固体上覆土层厚度不宜小于4m。•土锚的倾角宜为15º～25º，且不应大于45º。•土锚自由段长度不宜小于5m，并应超过潜在滑裂面1.5m。土锚的锚固段长度不宜小于4m。•拉杆（拉索）下料长度，应为自由段、锚固段及外露长度之和。外露长度需满足锚固及张拉作业的要求。•土锚的锚固体宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于M10。•（二）土锚计算•1.土锚承载力计算：锚杆承载力计算，应符合下式要求：•（3-18）•式中Td——锚杆水平拉力设计值，由式（3-18）计算；•θ——锚杆与水平面的倾角；•Nu——锚杆轴向受拉承载力设计值。•规程规定，对安全等级为一级和缺乏地区经验的二级基坑侧壁，土锚应进行基本试验（极限抗拔力试验如图3-72），Nu值取基本试验确定的极限承载力Pug除以受拉抗力分项系数；•基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时，可按式（3-19）计算土锚轴向受拉承载力设计值，并进行锚杆验收试验：式中d1——扩孔锚固体直径（cm）；•d——非扩孔锚杆或扩孔锚杆的直孔段锚固体直径（cm）；•l1——直孔部分的锚固段长度（cm）；•l2——土中扩孔部分的锚固段长度（cm）；•——土体与锚固体的极限摩阻力标准值，应根据当地经验取值（MPa）。•γs——锚杆轴向受拉抗力分项系数，取1.3；•q——扩孔部分土层的抗压强度（MPa）。•Pug——土层锚杆的极限抗拔力设计值（KN）•基坑侧壁安全等级为三级时，亦按式（3-19）计算Nu值。•对于塑性指数大于17的黏性土层中的土锚，应进行徐变试验。)(22212211ddqldldPNssugu21,•2.拉杆（拉索）截面计算：普通钢筋的截面面积，按下式计算•（3-20）•预应力钢筋的截面面积，按下式计算：•（3-21）•式中As、Ap——普通钢筋、预应力钢筋拉杆的截面面积；•fy、fpy——普通钢筋、预应力钢筋拉杆的抗拉强度设计值。•3.锚杆自由段长度计算（如图3-73）••（3-22）••Lt—锚杆锚头中点至基坑底面以下基坑外侧荷载标准值与基坑内侧抗力标准值相等处的距离•—土体各土层厚度加权内摩擦角标准值•θ—锚杆倾角kksin45/sin4522ftllk•3.土锚计算实例•某大厦高24层，地下室2～3层，基础挖土13m，土质为砂土和卵石，桩基采用直径800mm的人工挖孔的灌注桩，桩距1.5m。工程施工场地狭窄，两面临街，一面紧靠民房，基础挖土不可能放坡大开挖，需用支护结构挡土，垂直开挖，但挡土板桩不能在地面进行拉结，如作为悬臂桩则截面不满足要求，且变形亦大，因此决定采用一道土锚拉结板桩。•（1）土锚受力计算•根据地质资料及施工条件，确定如下参数：•1）土锚设置在地面下4.5m处，水平间距1.5m，钻孔的孔径为ф140mm，土层锚杆的倾角为13o；•2）地面均布荷载10KN/m2；•3）计算主动土压力时，按照土层种类，土的平均重力密度，计算被动土压力时，根据土层情况，土的重力密度。主动土压力处的内摩擦角，被动土压力处土的内摩擦角，土的粘聚力c=0。•A.挡土板桩的入土深度计算（图3-74）•三、土层锚杆施工•土层锚杆施工，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。在正式开工之前还需进行必要的准备工作。•（一）施工准备工作•在土层锚杆正式施工之前，一般需进行下列准备工作：•1.土层锚杆施工必须清楚施工地区的土层分布和各土层的物理力学特性（天然重度、含水量、孔隙比、渗透系数、压缩模量、凝聚力、内摩擦角等）。这对于确定土层锚杆的布置和选择钻孔方法等都十分重要；•还需了解地下水位及其随时间的变化情况，以及地下水中化学物质的成分和含量，以便研究对土层锚杆腐蚀的可能性和应采取的防腐措施；•2.要查明土层锚杆施工地区的地下管线、构筑物等的位置和情况，慎重研究土层锚杆施工对它们产生的影响；•3.要研究土层锚杆施工对邻近建筑物等的影响，如土层锚杆的长度超出建筑红线、还应得到有关部门和单位的批准或许可；•同时也应研究附近的施工（如打桩、降低地下水位、岩石爆破等）对土层锚杆施工带来的影响；•4.要编制土层锚杆施工组织设计，确定土层锚杆的施工顺序；保证供水、排水和动力的需要；制订钻孔机械的进场、正常使用和保养维修制度；安排好施工进度和劳动组织；在施工之前还应安排设计单位进行技术交底，以全面了解设计的意图。•（二）钻孔•土层锚杆的钻孔工艺，直接影响土层锚杆的承载能力、施工效率和整个支护工程的成本。钻孔的费用一般占成本的30％以上，有时甚至超过50％。钻孔时注意尽量不要扰动土体，尽量减少土的液化，要减少原来应力场的变化，尽量不使自重应力释放。•土层锚杆的成孔设备，国外一般采用履带行走全液压万能钻孔机，孔径范围50～320mm，具有体积小，使用方便，适应多种土层，成孔效率高等优点。国内使用的有螺旋式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机，亦有的采用改装的普通地质钻机成孔。在黄土地区亦可采用洛阳铲形成锚杆孔穴，孔径70～80mm。•钻孔方法的选择主要取决于土质和钻孔机械。•常用的土层锚杆钻孔方法有螺旋钻孔干作业法、压水钻进成孔法、潜钻成孔法等，应用较多的为压水钻进法，可把成孔过程中的钻进，出渣，清孔等工序一次完成，可防止塌孔，不留残土，能适用于各种软硬土层，但施工现场积水较多。当土层无地下水时，亦可用螺旋钻孔干作业法来成孔，一般是先成孔，清除废土，然后插入拉杆，施工时采取多个平行作业。钻出的孔洞用空气压缩机风管冲洗孔穴；将孔内孔壁残留废土清除干净。•扩孔的方法有4种：机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔。压浆扩孔在国外广泛采用，但需用堵浆设施。我国多用二次灌浆法来达到扩大锚固段直径的目的。•（三）安放拉杆•土层锚杆用的拉杆，常用的有钢管（钻杆用作拉杆）、粗钢筋、钢丝束和钢绞线。主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择。承载能力较小时，多用粗钢筋：承载能力较大时，我国多用钢绞线。•1.钢筋拉杆•钢筋拉杆由一根或数根粗钢筋组合而成，如为数根粗钢筋则需用绑扎或电焊连接成一体。其长度应按锚杆设计长度加上张拉长度（等于支撑围凛高度加锚座厚度和螺母高度）。钢筋拉杆防腐蚀性能好，易于安装，当土层锚杆承载能力不很大时应优先考虑选用。•对有自由段的土层锚杆，钢筋拉杆的自由段要做好防腐和隔离处理。防腐层施工时，宜先清除拉杆上的铁锈，再涂一度环氧防腐漆冷底子油，待其干燥后，再涂一度环氧玻璃铜（或玻璃聚胺酯预聚体等），待其固化后，再缠绕两层聚乙烯塑料薄膜。•土层锚杆的长度一般都在10m以上，有的达30m甚至更长。为了将拉杆安置在钻孔的中心，防止自由段产生过大的挠度和插入钻孔时不搅动土壁；对锚固段，还为了增加拉杆与锚固体的握裹力，所以在拉杆表面需设置定位器（或撑筋环），如图3-76所示。钢筋拉杆的定位器用细钢筋制作，在钢筋拉杆轴心按120°夹角布置，间距一般2-2.5m。定位器的外径宜小于钻孔直径lcm。2.钢丝索拉杆钢丝束拉杆可以制成通长一根，它的柔性较好，往钻孔中沉放较方便。但施工时应将灌浆管与一钢丝束绑扎在一起同时沉放．否则放置灌浆管有困难。钢丝束拉杆的自由段需理顺扎紧，然后进行防腐处理。防腐方法可用玻璃纤维布缠绕两层，外面再用粘胶带缠绕；亦可将钢丝束拉杆的自由段插入特制护管内，护管与孔壁间的空隙可与锚固段同时进行灌浆。钢丝束拉杆的锚固段亦需用定位器，该定位器为撑筋环，如图3-77所示。钢丝束的钢丝分为内外两层，外层钢丝绑扎在撑筋环上，撑筋环的间距为0.5-1.0m,这样锚固段就形成一连串的菱形，使钢丝束与锚固体砂浆的接触面积增大，增强了粘结力，内层钢丝则从撑筋环的中间穿过。•3.钢铰线拉杆•钢绞线拉杆的柔性更好，向钻孔中沉放更容易，因此在应用的比较多，用于承载能力大的土层锚杆。•锚固段的钢绞线要仔细清除其表面的油脂，以保证与锚固体砂浆有良好的粘结。自由段的钢绞线要套以聚丙烯防护套等进行防腐处理。•钢绞线拉杆需用特制的定位架。•（四）压力灌浆•压力灌浆是土锚施工中的一个重要工序。施工时，应将有关数据记录下来，以备将来查用。•灌浆的作用是：•①形成锚固段，将锚杆锚固在土层中；•②防止钢拉杆腐蚀；•③充填土层中的孔隙和裂缝。•灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种。二次灌浆法可以显著提高土锚的承载能力。•一次灌浆法只用一根灌浆管，利用泥浆泵进行灌浆，灌浆管端距孔底10cm～20cm，待浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞入孔口，并用湿粘土封堵孔口，严密捣实，再以2～4MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才告结束。•二次灌浆法要用两根灌浆管，第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50cm左右（图3-78），管底出口处用黑胶布等封住，以防沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100cm左右，管底出口处亦用黑胶布封位，且从管端50cm处开始向上每隔2m左右作出lm长的花管，花管的孔眼为￠8mm，花管做几段视锚固段长度而定。•（五）张拉和锚固•土锚灌浆后，待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度等级的75％以上，便可对土锚进行张拉和锚固。张拉前先在支护结构上安装围檩。张拉用设备与预应力结构张拉所用者相同。•从我国目前情况看，张拉端钢拉杆为变形钢筋者，其端部加焊一螺母端杆，用螺母锚固。钢拉杆为光圆钢筋者，可直接在其端部攻丝，用螺母锚固。如用精轧钢纹钢筋，可直接用螺母锚固。张拉粗钢筋用一般单作用千斤顶。•四、土锚试验•土层锚杆的承载力尚无完善的计算方法，主要根据经验或通过试验确定，试验项目包括极限抗拔试验，性能试验和验收试验。•1.极限抗拔力试验•试验方法与步骤在现场钻孔灌浆后的锚杆，待浆液达到70%以上的强度后才能进行抗拔试验。试验步骤如下。•（1）安装支架及千斤顶；（2）试验开始时按事先预计极限荷载的1/10施加荷载，最终每级按预计极限荷载的1/15施加荷载直至破坏；（3）加荷后每隔5～10min测读一次变位数值，每级加载阶段内记录不少于三次；（4）在某级荷载作用下，连续三次变位值不超过0.1mm即视为稳定，可施加下一级荷载；•（5）在某级荷载作用下，变位值不断增加直至两小时仍不能稳定即认为已达极限破坏，并转入卸荷试验；•（6）卸荷分级为加荷的2～4倍，每次卸荷后视土层情况10～30min记录一次变位量，完全卸荷后再读2～3次，读完残余变位后试验才告全部结束。•2.性能试验•试验方法与抗拔试验相同，但张拉试验只做到1.0～1.2倍设计荷载。这样做是为了取得锚杆变位性状的数据，进一步核定锚杆是否已达到设计预定的承载能力。•3.验收试验•验收试验是以张拉试验所获得的变位特性为依据，取锚杆总数的5%进行张拉试验，并与张拉试验资料比较，确认设计荷载的安全性，这种试验也称确认试验，一般以0.8～1.0倍设计荷载为张拉力一次加荷，如果在所定的荷载时间内变位不见增加，而且塑性变化与张拉试验时大体相同或更小即认为合格。•五、案例：天津邮电管网大厦基坑工程（1）工程概况管网大厦基坑深度-11m，支护结构采用钻孔灌注桩做围护墙体，并以二道拉锚做墙体支撑，基坑施工顺序为：①在地面上沿基坑边坡取土，挖去一层土；②施工灌注桩（φ800，L=22m＠1000mm），并在桩顶上浇制圈梁；③在灌注桩后背1500mm处，用深层搅拌桩（水泥用量12%，φ700咬合15cm，L=15m），沿基坑周边做成700厚水