深基坑工程土层锚杆实用教案

1、土层(t cn)锚杆的发展 土层锚杆是在岩石锚杆的基础上发展起来的。用于隧道(sudo)支护的岩石锚杆历史悠久，但直到1958年德国一个公司才首先在深基坑开挖中将其用于挡土墙支护。 土层锚杆具有以下一系列优点： 1）与内支撑相比，挖土施工空间大。 2）锚杆施工机械设备作业空间不大，适用于各种场地条件。 3）锚杆的设计拉力可由抗拔试验获得，从而可以保证可靠的设计安全度。 4）可以对锚杆施加预拉力，基坑变形容易控制。 5）施工时的噪声很小。第1页/共61页第一页，共61页。 锚杆支护在我国也是首先用于地铁隧道的，80年代初开始用于高层建筑基坑支护。土层锚杆以普通压力灌浆的居多，也有二次灌浆及高压灌

2、浆的，受拉杆件（锚筋）有粗钢筋、高强度钢丝束、钢绞线等，层数从一层发展到了四层，并已制定了多个行业规范。目前(mqin)土层锚杆的应用已相当普遍，并且都为预应力锚杆。 当然，任何技术的发展都是永恒的。锚杆技术的工艺材料、施工机具和理论研究等还在不断发展之中。第2页/共61页第二页，共61页。4.2 锚杆的构造(guzo)及类型 锚杆由锚头、锚筋和锚固体三部分组成。见图4-2至图4-7。 锚头是锚杆体的外露部分。 锚固体通常位于(wiy)钻孔的深部。 锚头与锚固体间一般还有一段自由段。 锚筋是锚杆的主要部分。贯穿锚杆全长。图4-2 锚杆联结(linji)挡土桩、墙并锚固于土中的示意图第3页/共6

3、1页第三页，共61页。图4-3钢筋(gngjn)锚杆锚头装置图4-4多根钢束锚杆锚头装置(zhungzh) 第4页/共61页第四页，共61页。图4-5 钢绞线及钢丝(n s)索锚夹具示意图4-6 定位(dngwi)分隔器第5页/共61页第五页，共61页。图4-7 腰梁第6页/共61页第六页，共61页。第7页/共61页第七页，共61页。图4-8 锚固体的基本(jbn)类型第8页/共61页第八页，共61页。4.3 锚杆的抗拔作用(zuyng)锚杆抗拔原理 当锚固段锚杆受力后，首先通过(tnggu)锚杆(索)与周边水泥砂浆间的握裹力传到砂浆中，然后通过(tnggu)砂浆传到周围土体。随着荷载增加，锚

4、索与水泥砂浆之间的粘结力（握裹力）逐渐从锚固体的上部向锚固体的下部和外部发展，当应力传到锚固体的外侧时，就会在锚固体与土体间产生(chnshng)摩擦力，随着摩擦力的增大，锚固体与土体间可能发生相对位移，摩擦力又进一步增大，直到极限摩阻力。第9页/共61页第九页，共61页。锚杆的极限(jxin)(jxin)承载能力 锚杆极限承载力的确定(qudng)是锚杆支护设计的重要内容。 普通灌浆锚杆（注浆压力0.30.5MPa）的极限承载能力（抗拔力）可以用下式确定(qudng)： Nu = LmD (4-2) 式中 Nu 锚杆极限承载能力（轴力）； Lm 锚固段长度； D 锚杆孔径（或锚固体直径）；

5、土的抗剪强度。 显然：锚杆的极限承载力是锚固体的直径、长度及土的抗剪强度的函数。第10页/共61页第十页，共61页。 在设计时对锚杆极限承载力一般是有要求的，而锚固体的直径(钻孔直径)主要决定于钻孔设备。因此，只要能够确定土体的抗剪强度，就能容易(rngy)的确定锚杆的长度了。由此看来，土的抗剪强度在确定土层锚杆的承载能力或在土层锚杆的设计中都至关重要。 = tan + c = K0 h K0 土层系数，通常砂土K0 = 1，粘土K0 = 0.5； h 覆盖土层的高度，一般取锚固段中心到地面的高度（m）。 第11页/共61页第十一页，共61页。影响(yngxing)(yngxing)锚杆抗拔力

6、的因素 如前所述，锚杆的抗拔力显然与锚固体的直径和长度密切相关。但除了锚固体的这两个几何参数外，还有土层性质，注浆压力以及(yj)锚杆的形式三个因素。即： 一、土层性质的影响 土层的强度一般低于砂浆强度，如果施工灌浆的工艺良好，土层锚杆的抗拔力将主要决定于锚固体外围的土层抗剪强度。土体的抗剪强度变化很大，所以相同参数和施工质量的锚杆，抗拔力可以有很大的不同。倾角与长度是锚杆能否伸入优良土层的决定因素，设计时应给予重视。第12页/共61页第十二页，共61页。二、注浆压力(yl)(yl)的影响灌浆压力(yl)(yl)对锚杆的抗拔力有很大影响。注浆压力(yl)(yl)越大，水泥浆颗粒越能够渗入到周围

7、深部的土层中去，改善了原状土体的力学性能，增加锚固体与土层的摩擦力，也就增加了锚杆的抗拔力。曾有人做过试验，同一粉砂层中的相同长度的锚杆，当施工用的灌浆压力(yl)(yl)为1Mpa1Mpa时其极限抗拔力为300kN300kN，当灌浆压力(yl)(yl)增加到2.5Mpa2.5Mpa时，其极限抗拔力达900kN900kN。试验也已证明：虽然锚杆的承载力随灌浆压力(yl)(yl)的增大而增大，但并不是无止尽的增加。英国ATCATC有限公司的试验结论是：当注浆压力(yl)(yl)超过4Mpa4Mpa后，抗拔力增长就很小了。第13页/共61页第十三页，共61页。三、锚杆形式(xngsh)的影响无论是

8、带单个扩大头的锚固体锚杆，还是有多截头圆锥形的异形锚固体锚杆，它们的抗拔力都比普通锚杆大得多。第14页/共61页第十四页，共61页。4.5 锚杆设计(shj)设计(shj)步骤1. 调查基坑及周边场地状况，确定工程的重要性等级，选取锚杆支护结构的安全系数。作为锚杆支护设计的第一步，必须详细调查了解基坑及其周边的场地状况，如：地形、地貌，既有建筑物、构筑物、道路、管线(gunxin)、地下埋设物与建筑红线等，以及它们与基坑的相对位置。据此确定要重点保护的对象，工程的安全等级，锚杆支护结构的安全系数等。2. 进行工程地质与水文地质勘察，确定地层参数地下水位、上层滞水，场地附近有无渗水源头，工程施工

9、是否在雨季或冬季，土层类型、级配、强度等。第15页/共61页第十五页，共61页。3. 设计计算（1）计算单位长度挡墙的土压力。（2）根据土压力，计算锚杆的轴力（考虑倾角及间距）。（3）计算锚杆的锚固体长度。（4）计算锚杆的自由段长度。（5）计算锚杆（锚索）的断面(dun min)尺寸。（6）计算连接锚杆锚头的腰梁断面(dun min)尺寸。4. 核算桩、墙与锚杆的整体稳定。5. 绘制锚杆施工图。第16页/共61页第十六页，共61页。锚杆布置(bzh)一、锚杆层数一般在基坑施工中，需先挖土到锚杆位置，然后进行锚杆施工，待锚杆预应力张拉后，方可挖下一步土。因此(ync)，多一层锚杆，就要增加一次施

10、工循环。在可能情况下，应尽量减少布置锚杆的层数。如在粘土、砂土地区，1213m深的基坑，一般用一层锚杆即可（即使挡土桩悬臂56m）。第17页/共61页第十七页，共61页。二、锚杆间距锚杆间距过大，必然要增大(zn d)(zn d)单根锚杆的承载力，要么增加锚杆长度，要么增加锚杆直径，要么采用特殊的施工机械加工异型锚杆，而这些措施往往不如多加几根锚杆容易。如果间距过小，由于锚杆之间土体的相互影响，单个锚杆的抗拉力往往不能很好发挥，容易产生所谓的“群锚效应”。第18页/共61页第十八页，共61页。三、锚杆倾角锚杆倾角是锚杆与水平方向的夹角，它与施工机械性能有关，与地层土质有关系。但是，从理论上讲，

11、锚杆的抗拉力只有水平分力是有效的，而垂直分力非但无效，相反增加了支护桩对桩底土层的压力，因此，水平布置的锚杆（倾角= 0 0= 0 0）效果最好。不过水平钻孔成孔困难，同时为了放置锚杆及注浆的方便，一般设计成斜土锚，倾角在150350150350之间。有时使用较大的倾角是为了将锚固段安设到较深的优质土层中，或者是为了将锚头安设在地下水位以上，防止(fngzh)(fngzh)孔口涌砂。第19页/共61页第十九页，共61页。四、规程对锚杆间排距等参数的规定1. 锚杆上覆土层厚度不宜小于4.0m。有的资料认为不宜小于56m。2. 锚杆的水平和垂直间距一般不宜大于4.0m。最小的垂直距离(jl)不宜小

12、于2.5m，最小的水平距离(jl)不宜小于1.5m，以避免群锚效应而降低锚固力。3. 锚杆倾角一般不应小于100，不应大于450，以150350为好。第20页/共61页第二十页，共61页。锚杆抗拔安全系数(nqun xsh)(nqun xsh)一、国外对锚杆抗拔安全系数的规定土层锚杆的抗拔安全系数是指土层锚杆的极限抗拔力与锚杆的设计容许抗拔力比值(bzh)。现将有关国家和地区的规定列入表4-7。表4-7 国外的土层锚杆的抗拔力安全系数国 名临时性土层锚杆 永久性土层锚杆德国(DIN4125)1.331.50日 本(JSFD-77)1.502.50法 国1.332.00英 国2.002.003.

13、00第21页/共61页第二十一页，共61页。二、我国工程建设标准化协会(xihu)(xihu)行业规范的规定 我国工程建设标准化协会行业(hngy)规范土层锚杆设计与施工规范（CECS22-90）的规定如表4-8。 表4-8 中国的土层锚杆的抗拔力安全系数锚杆破坏后危害程度安全系数K临时性锚杆永久性锚杆危害轻微，不构成公共安全1.41.8危害较大，但公共安全无问题1.62.0危害大，会出现公共安全问题1.82.2第22页/共61页第二十二页，共61页。锚固段长度计算锚固段长度计算(j sun) (j sun) 根据公式Nu = Lm D，并考虑抗拔力安全系数K，容易得到锚固段长度Lm： （4-

14、4） 其中：Nt为轴向拉力设计值，D为锚固体的直径，可取钻头直径的1.2倍；h应取锚固段中心到地面的高度，且不少于4m； K的取值如前所述，一般工程可取1.5，特别重要的工程或永久性工程可取2.0。实际(shj)工程中锚固段长度L m也不应小于4m。NoImage)tan(0chKDKNDNKLttm第23页/共61页第二十三页，共61页。自由自由(zyu)(zyu)段长度计算段长度计算 在图4-11中，O点为土压力零点，OE为假想滑裂面，锚杆AD与水平线AC的夹角为 ，欲求(y qi)自由段AB的长度Lf 。 AOB = 450 - /2， ABO =EBD =ACB +CAB = 450

15、+/2 + 按正弦定律： AB : sinAOB = AO : sinABO 所以自由端长度： Lf = AOsin(450 / 2)/sin(450 +/2+ ) 设计时取Lf = Lf+15m图4-11 锚杆自由(zyu)段长度计简图AOAO为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为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。等处的距离。第24页/共61页第二十四页，共61页。锚杆（索）截面(jimin)计算 土层锚杆（索）截面积可按下式计算： As = Kmj Nt / fyk 式中：As 钢筋截面积（mm2）；K mj 安全

16、系数；N t 土层锚杆（索）的设计(shj)轴向拉力（kN）； fyk 锚杆（索）材料的强度标准值（N/mm2）。第25页/共61页第二十五页，共61页。4.6 锚杆整体(zhngt)稳定计算整体(zhngt)破坏模式 锚杆抗拔力虽已有安全系数，但是挡土桩、墙、锚杆、土体组成的结构，有可能出现整体性破坏。一种是：包括锚杆、支护桩墙在内的整个(zhngg)体系，从桩脚沿着某个曲面向基坑内滑动，造成土体破坏，如图4-12所示；图4-12 整体(zhngt)下滑第26页/共61页第二十六页，共61页。另一种是：由于锚杆长度不足，锚杆设计拉力(ll)过大，导致从桩墙底部到锚固段中点附件产生一条深层剪切

17、滑缝，使围护结构倾覆，如图4-13所示。图4-13 深层破裂(pli)、整体倾覆第27页/共61页第二十七页，共61页。整体(zhngt)稳定性验算 整体下滑的稳定性验算(yn sun)应当按土坡稳定性分析的方法用圆弧条分法进行验算(yn sun)，同学们参看有关土力学教材。 对于深部破裂、整体倾覆的稳定性验算(yn sun)可用德国的克兰茨（E.Kranz）方法。对于单层锚杆维护桩墙的深层破裂、整体倾覆的稳定性验算(yn sun)如下页的图4-14所示。第28页/共61页第二十八页，共61页。 联结桩脚C点与锚固体中心点O，假设直线CO就是深层滑裂线；再过O点向上作垂直线交地面与D。这样，可

18、能出现倾覆的整个土体就是楔体BCOD。 土楔上的作用力包括： 土楔自重和地面超载G，挡土桩的支撑力Ea (主动土压力(yl)的反力)，OD面上的主动土压力(yl)E1 ，CO面上的总反力Q，以及锚杆的拉力R。图4-14 Kranz假设(jish)的倾覆楔体第29页/共61页第二十九页，共61页。 土楔体处于平衡状态，上述五个力组成闭合的力多边形，如图4-15，以此可以求得锚固体所能承受的最大拉力Rmax，或它的水平(shupng)分力Rhmax。 需要注意的是，在E.Kranz分析方法中，认为实际桩墙与土体之间的摩擦角和假想垂直破裂面OD上的摩擦角都是。实际情况如何需要我们去进一步研究。图4-

19、15 Kranz法的力多边形第30页/共61页第三十页，共61页。 可以推得锚固体可以承受的最大水平力Rhmax。 (4-5) 土层锚杆的设计轴向力与最大锚固力之比就是(jish)抗倾覆安全系数，一般要求大于1.5，即： 其中：Nt 锚杆设计的轴向拉力；Tt 锚杆轴向拉力的水平分力。 )tan(tan1)tan(tan)(1hah1hahhmaxEEGEER5 . 1maxmaxhttSORTRNK第31页/共61页第三十一页，共61页。 两层以上土层锚杆的支护体系因深部破裂产生的抗倾覆稳定性计算方法与以上单层锚杆围护结构深部破裂的稳定性验算方法类似，只是可能出现的深层破裂面更多，需要进行稳定

20、性验算的块体更多，计算更复杂。例如，双层锚杆可能有三个滑裂面，三层锚杆可能有6个滑裂面。 一般设计是否要核算锚杆整体(zhngt)稳定，需视锚固段是否伸入桩、墙脚下而定。加拿大有关规程对多层锚杆系统给出了下页图4-16所示的三种情况。第32页/共61页第三十二页，共61页。(a) 图锚杆全部在墙脚以上，要考虑全部核算(h sun)其整体稳定，虚线是假定的拉结墙和假定的土体滑裂面。(b) 图要对上面的两道锚杆核算(h sun)其整体抗倾覆稳定性。(c) 图中的三道锚杆都伸入到了墙脚以下，不需作整体稳定的核算(h sun)。图4-16 不同情况下的整体(zhngt)抗倾覆稳定性验算第33页/共61

21、页第三十三页，共61页。4.7锚杆(索)的试验与观测锚杆(索)的性能试验锚杆的性能试验(又称为破坏性试验或基本试验)是在锚固工程开工前为了检验设计锚杆性能所进行的锚杆破坏性抗拔试验，其目的是为了确定锚杆的极限承载力，检验锚杆在超过设计拉力并接近极限拉力条件下的工作性能和安全程度，及时发现锚索设计施工中的缺陷，以便在正式使用锚杆前调整锚杆结构参数或改进锚杆制作工艺(gngy)。性能试验的锚杆数量一般为三根，用作性能试验的锚杆参数、材料和施工工艺(gngy)必须与工程锚杆相同，并且必须在与安设工程锚杆相同的地层中进行。张拉过程中采用逐级循环加荷，每级循环荷载的增量为0.1Agfptk0.15Agf

22、ptk(fptk为所配锚筋的抗拉强度设计值，Ag为实际锚筋配置截面)；在各级荷载下锚束受力与伸长值量测应同步进行，每一循环中的最大荷载稳定时间为10min，其余均为5min；最大荷载为第34页/共61页第三十四页，共61页。锚杆的破断荷载，但不应超过锚筋强度标准值的0.8倍(即为0.8Agfptk)。加荷过程及观测时间如表6.11所示，图6.14为基本试验(shyn)(QS)曲线。锚杆试验(shyn)中出现下列情况之一时可视为破坏，应终止加载：(1) 锚头位移不收敛，锚固体从岩土层中拔出或锚杆从锚固体中拔出；(2)锚头总位移量超过设计允许值；(3)土层锚杆试验(shyn)中后一级荷载产生的锚头

23、位移增量，超过上一级荷载位移增量的2倍。第35页/共61页第三十五页，共61页。第36页/共61页第三十六页，共61页。第37页/共61页第三十七页，共61页。锚杆(索)的验收试验锚杆验收试验是在锚固工程完工后为了检验所施工的锚杆是否达到设计的要求而进行的检验性抗拔试验，该试验起到鉴别工程是否符合要求的目的。通常验收试验检验的锚杆的数量应不少于锚杆总数的5，且一个边坡不得少于3根。验收试验最大试验荷载：对于永久性锚索应为设计轴向拉力值的l.5倍；对于临时性锚索应为设计轴向拉力值的1.2倍。荷载分级施加并测读各级荷载下的伸长值。试验结果进行计算机处理，并绘制(huzh)试验荷载位移(QS)曲线。

24、锚杆验收试验满足以下条件，即为合格： 1)验收试验所得的总弹性位移超过自由段长度理论弹性伸长的80，但小于自由段长度与12锚固段长度之和的理论弹性伸长。 2)在最大试验荷载作用下，锚头位移趋于稳定。锚杆验收试验加荷等级与观测时间见表6.12。第38页/共61页第三十八页，共61页。第39页/共61页第三十九页，共61页。锚杆(索)的蠕变试验在软粘土中设置的锚杆，在较大荷载作用下会产生很大的蠕变变形，为了掌握软粘土中的锚杆的工作特性，国内外的有关标准都对锚杆的蠕变试验作了相应的规定。我国有关锚杆标准规定，凡塑性指数大于20的土层中的锚杆，均应进行蠕变试验，且试验的根数不应少于3根。蠕变试验的加荷

25、等级和观测时间应满足表6.13的要求，在观测时间内，荷载必须保持恒定，每级荷载下观测蠕变量随时间的变化。最后将每级荷载下的锚杆蠕变量一时间对数曲线在slgt坐标系中绘出。定义(dngy)Slgt曲线的斜率值(slgt曲线为直线)为蠕变系数，即：第40页/共61页第四十页，共61页。式中：Ks某一级荷载下的蠕变系数；slt1时刻的蠕变量；s2t2时刻的蠕变量。锚杆蠕变试验所测得的最后一级荷载下的最终一段观测(gunc)时间内的蠕变系数不应大于2.0mm。第41页/共61页第四十一页，共61页。锚杆(索)的长期观测锚杆施工完毕后，为了了解锚杆预应力损失情况和锚杆的位移变化规律，以便确认锚杆的工作(

26、gngzu)能力，需要对锚杆进行长期观测，一般连续观测时间超过24小时就可看作是长期观测。在观测结果过程，如果发现锚杆的工作(gngzu)性能较差或不能完全承担锚固力，可以根据观测结果，采用二次张拉锚杆或增设锚杆数量等措施，以保证边坡锚固工程的可靠性。锚杆预应力变化的可采用测力计，测力计按照机械、振动、电气和光弹原理制作成不同类型，锚杆长期观测中应当选择精度高、准确可靠的测力计，测力计一般安装在传力板和锚具之间并始终保持中心受荷。由于锚杆张拉锁定后头几个月预应力损失较大，一年后逐渐递减，两年后预应力损失基本终止，趋于稳定状态。故张拉锁定后的长期监控时间一般不得少于l年，但如遇自然环境恶劣并对边

27、坡稳定性有较严重影响时，监控时间应适当延长。且每个工点不得少于35个观测点。同时在混凝土浇筑过程中应有专人对观测设施进行监护。锚杆张拉锁定后第一个月内每日观测l次；23个月内每周观测1次；46个月内每月观测3次；7个月1年内每月观测2次；l年以后每月观测1次。在观测过程中，如出现异常，应立即进行检查，处理完毕后，方能继续观测。观测成果及时整理，第一年内的观测成果将作为工程验收的资料。第42页/共61页第四十二页，共61页。4.8 锚杆施工(sh gng)施工(sh gng)机械 我国现用的有日本矿研株式会RPD型钻机、德国Krupp公司钻机以 及 北 京 市 机 械(jxi)施工公司研制的MZ

28、型钻机等。克虏伯公司钻机的外视 如 右 图 4 - 1 7 。图4-17 德国Krupp DHR80A型钻机(zunj)第43页/共61页第四十三页，共61页。施工工艺一、锚杆施工顺序(shnx)(shnx)场地挖土后按图4-184-18顺序(shnx)(shnx)施工，并循环进行第二层、三层施工。 图4-18 锚杆施工顺序示意图(a) 钻孔；(b) 插放钢筋(gngjn)或钢绞线；(c) 灌浆；(d) 养护；(e) 安装锚头，预应力张拉；(f ) 挖土第44页/共61页第四十四页，共61页。二、工艺流程干作业的工艺流程是：施工准备移机就位校正孔位调整角度钻孔(zun kn)(zun kn)接

29、螺旋钻杆，继续钻孔(zun (zun kn)kn)到预定深度退螺旋钻杆插放钢筋或钢绞线插入注浆管灌水泥浆养护上腰梁及锚头（如地下连续墙或桩顶圈梁则不需腰梁）预应力张拉锁紧螺栓或楔片锚杆施工完继续挖土。在卵石或岩石中常用湿作业法施工。湿作业的工艺流程与干作业类似，主要是在钻孔(zun kn)(zun kn)过程中加入了水的冲洗。第45页/共61页第四十五页，共61页。施工(sh gng)要点一、施工准备1. 挖土至锚头下5060cm，并平整好锚杆施工操作范围内的场地，以便(ybin)于钻孔作业。2. 采用湿作业施工时，要挖好排水沟、沉淀地、集水坑，准备好潜水泵，使成孔时排出的泥水通过排水沟到沉淀

30、池，再入集水坑用水泵抽出，同时准备钻孔用水。3. 其他准备，包括电源、注浆机泵、注浆管钢索、腰梁、预应力张拉设备等。第46页/共61页第四十六页，共61页。二、钻孔钻孔前按设计及土层定出孔位，并作出标记。锚杆水平方向孔距误差不大于50mm50mm，垂直方向孔距误差不大于100mm100mm。钻孔底部偏斜尺寸，不大于长度的3%3%，可用钻孔测斜仪控制钻孔方向。钻孔的费用一般(ybn)(ybn)占成本的3030以上，有时甚至超过5050。扩孔的方法有4 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。 第47页

31、/共61页第四十七页，共61页。三、灌浆1. 灌浆材料(cilio)一般要用325号以上的水泥，水灰比0.40.45。如用砂浆，则配合比为1:11:2，砂粒不大于2mm，但砂浆只能用于一次注浆。2. 水泥浆或砂浆搅拌后，用0.112Mpa的压力泵，以及耐高压的塑料管，将水泥浆注入钻孔内。3. 如需在锚固段采用压力灌浆，就要在外套管口戴上灌浆帽（压紧器Packer）进行压力灌浆，第一级可从0.3 0.5Mpa开始，以后逐渐加大压力到23MPa。第48页/共61页第四十八页，共61页。四、预应力张拉1. 锚体养护一般达到水泥（砂浆）强度的70%值，可以进行预应力张拉。2. 正式张拉前，应取设计拉力的10%20%，对锚杆预张12次，使各部位接触紧密(jnm)，3. 正式张拉宜分级加载，每级加载后，保持3min，记录伸长值。张拉到预应力设计荷载时，应保持1