8th深基坑与边坡工程

4土土层锚锚杆4.1锚锚杆的的发展展与应应用锚杆是是一种种新型型受拉拉杆件件，它它的一一端与与工程程结构构物或或挡土土桩墙墙联结结，另另一端端锚固固在地地基的的土层层或岩岩层中中，以以承受受结构构物的的上托托力、、拉拔拔力、、倾侧侧力或或挡土土墙的的土压压力、、水压压力，，它是是利用用地层层的锚锚固力力来达达到维维持结结构物物稳定定的。。4.1.1锚杆在在土木木工程程中的的应用用4.1.2土土层锚锚杆的的发展展土层锚锚杆是是在岩岩石锚锚杆的的基础础上发发展起起来的的。用用于隧隧道支支护的的岩石石锚杆杆历史史悠久久，但但直到到1958年德德国一一个公公司才才首先先在深深基坑坑开挖挖中将将其用用于挡挡土墙墙支护护。土层锚锚杆具具有以以下一一系列列优点点：1）与与内支支撑相相比，，挖土土施工工空间间大。。2）锚锚杆施施工机机械设设备作作业空空间不不大，，适用用于各各种场场地条条件。。3）锚锚杆的的设计计拉力力可由由抗拔拔试验验获得得，从从而可可以保保证可可靠的的设计计安全全度。。4）可可以对对锚杆杆施加加预拉拉力，，基坑坑变形形容易易控制制。5）施施工时时的噪噪声很很小。。锚杆支支护在在我国国也是是首先先用于于地铁铁隧道当然，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。4.2锚杆的的构造造及类类型锚杆由由锚头头、锚锚筋和和锚固固体三三部分分组成成。见见图4-2至图4-7。锚头是是锚杆杆体的的外露露部分分。锚固体体通常常位于于钻孔孔的深深部。。锚头与与锚固固体间间一般般还有有一段段自由由段。。锚筋是是锚杆杆的主主要部部分。。贯穿穿锚杆杆全长长。图4-2锚杆联联结挡挡土桩桩、墙墙并锚锚固于于土中中的示示意图图图4-3钢筋锚锚杆锚头装装置图4-4多根钢钢束锚锚杆锚头头装置置图4-5钢绞线线及钢钢丝索索锚夹夹具示示意图4-6定位分分隔器器图4-7腰梁图4-8锚固体体的基基本类类型4.3锚杆的的抗拔拔作用用4.3.1锚杆抗抗拔原原理当锚固固段锚锚杆受受力后后，首首先通通过锚锚杆(索)与周周边水水泥砂砂浆间间的握握裹力力传到到砂浆浆中，，然后后通过过砂浆浆传到到周围围土体体。随随着荷荷载增增加，，锚索索与水水泥砂砂浆之之间的的粘结结力（（握裹裹力））逐渐渐从锚锚固体体的上上部向向锚固固体的的下部和外外部发发展，，当应应力传传到锚锚固体体的外外侧时时，就就会在在锚固固体与与土体体间产产生摩摩擦力力，随随着摩摩擦力力的增增大，，锚固固体与与土体体间可可能发发生相相对位位移，，摩擦擦力又又进一一步增增大，，直到到极限限摩阻阻力。。4.3.2锚杆的的承载载能力力锚杆承承载力力的确确定是是锚杆杆支护护设计计的重重要内内容。。普通灌灌浆锚锚杆（（注浆浆压力力0.3~0.5MPa）的的承载载能力力（抗抗拔力力）可可以用用下式式确定定：Nt=LmπDτ(4-2)式中Nt—锚锚杆承承载能能力（（轴力力）；；Lm—锚锚固段段长度度；D—锚锚杆孔孔径（（或锚锚固体体直径径）；；τ—土土的抗抗剪强强度。。显然：：锚杆杆的承承载力力是锚锚固体体的直直径、、长度度及土土的抗抗剪强强度的的函数数。在设计计时对对锚杆杆承载载力一一般是是有要要求的的，而而锚固固体的的直径径(钻钻孔直径径)主要决决定于于钻孔孔设备备。因因此，，只要要能够够确定定土体体的抗抗剪强强度，，就能能容易易的确确定锚锚杆的的长度度了。。由此此看来来，土土的抗抗剪强强度在在确定定土层层锚杆杆的承承载能能力或或在土土层锚锚杆的的设计计中都都至关关重要要。=tan+c=KhK—土层系系数，，通常常砂土土K=1，粘土土K=0.5；h—覆盖土土层的的高度度，一一般取取锚固固段中中心到到地面面的高高度（（m）。4.3.3影响锚锚杆抗抗拔力力的因因素如前所所述，，锚杆杆的抗抗拔力力显然然与锚锚固体体的直直径和和长度度密切切相关关。但但除了了锚固固体的的这两两个几几何参参数外外，还还有土土层一、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。二、注注浆压压力的的影响响灌浆压压力对对锚杆杆的抗抗拔力力有很很大影影响。。注浆浆压力力越大大，水水泥浆浆颗粒粒越能能够渗渗入到到周围围深部部的土土层中中去，，改善善了原原状土土体的的力学学性能能，增增加锚锚固体体与土土层的的摩擦擦力，，也就就增加加了锚锚杆的的抗拔拔力。。曾有有人做做过试试验，，同一一粉砂砂层中中的相相同长长度的的锚杆杆，当当施工工用的的灌浆浆压力力为1Mpa时其极极限抗抗拔力力为300kN，当灌灌浆压压力增增加到到2.5Mpa时，其其极限限抗拔拔力达达900kN。试验也也已证证明：：虽然然锚杆杆的承承载力力随灌灌浆压压力的的增大大而增增大，，但并并不是是无止止尽的的增加加。英英国ATC有限公公司的的试验验结论论是：：当注注浆压压力超超过4Mpa后，抗抗拔力力增长长就很很小了了。三、锚杆形形式的影响响无论是是带单单个扩扩大头头的锚锚固体体锚杆杆，还还是有有多截截头圆圆锥形形的异异形锚锚固体体锚杆杆，它它们的的抗拔拔力都都比普普通锚锚杆大大得多多。4.5锚杆设设计4.5.1设计步步骤1.调查基基坑及及周边边场地地状况况，确确定工工程的的重要要性等等级，，选取取锚杆杆支护护结构构的安安全系系数。。作为锚锚杆支支护设设计的的第一一步，，必须须详细细调查查了解解基坑坑及其其周边边的场场地状状况，，如：：地形形、地地貌，，既有有建筑筑物、、构筑筑物、、道路路、管管线、、地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，工程施工是否在雨季或冬季，土层类型、级配、强度等。3.设设计计计算算（1））计算算单位位长度度挡墙墙的土土压力力。（2））根据据土压压力，，计算算锚杆杆的轴轴力（（考虑虑倾角角及间间距））。（3）计计算锚杆杆的锚固固体长度度。（4）计计算锚杆杆的自由由段长度度。（5）计计算锚杆杆（锚索索）的断断面尺寸寸。（6）计计算连接接锚杆锚锚头的腰腰梁断面面尺寸。。4.核算桩、、墙与锚锚杆的整整体稳定定。5.绘制锚杆杆施工图图。4.5.2锚锚杆布置置一、锚杆杆层数一般在基基坑施工工中，需需先挖土土到锚杆杆位置，，然后进进行锚杆杆施工，，待锚杆杆预应力力张拉后后，方可可挖下一一步土。。因此，，多一层层锚杆，，就要增增加一次次施工循循环。在可能情情况下，，应尽量量减少布布置锚杆杆的层数数。如在粘土土、砂土土地区，，12~13m深的基基坑，一一般用一一层锚杆杆即可（（即使挡挡土桩悬悬臂5~6m））。二、锚杆杆间距锚杆间距距过大，，必然要要增大单单根锚杆杆的承载载力，要要么增加加锚杆长长度，要要么增加加锚杆直直径，要要么采用用特殊的的施工机机械加工工异型锚锚杆，而而这些措措施往往往不如多多加几根根锚杆容容易。如果间距距过小，，由于锚锚杆之间间土体的的相互影影响，单单个锚杆杆的抗拉拉力往往往不能很很好发挥挥，容易易产生所所谓的““群锚效效应”。。三、锚杆杆倾角锚杆倾角角是锚杆杆与水平平方向的的夹角，，它与施施工机械械性能有有关，与与地层土土质有关关系。但但是，从从理论上上讲，锚锚杆的抗抗拉力只只有水四、规程程对锚杆杆间排距距等参数数的规定定1.锚锚杆上覆覆土层厚厚度不宜宜小于4.0m。有的的资料认认为不宜宜小于5~6m。2.锚锚杆的水水平和垂垂直间距距一般不不宜大于于4.0m。最最小的垂垂直距离离不宜小小于2.5m，，最小的的水平距距离不宜宜小于1.5m，以避避免群锚锚效应而而降低锚锚固力。。3.锚锚杆倾角角一般不不应小于于100，不应大大于450，以150~350为好。4.5.3锚杆抗拔拔安全系系数一、国外外对锚杆杆抗拔安安全系数数的规定定土层锚杆杆的抗拔拔安全系系数是指指土层锚锚杆的极极限抗拔拔力与锚锚杆的设设计容许许抗拔力力比值。。现将有有关国家家和地区区的规定定列入表表4-7。表4-7国国外的土土层锚杆杆的抗拔拔力安全全系数国

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2.002.00~3.00二、我国国工程建建设标准准化协会会行业规规范的规规定我国工程程建设标标准化协协会行业业规范《《土层锚锚杆设计计与施工工规范》》（CECS22-90）的规定定如表4-8。表4-8中国的土土层锚杆杆的抗拔拔力安全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1.82.24.5.4锚锚固段长长度计算算根据公式式Nt=Lm⋅πDτ，并考虑虑抗拔力力安全系系数K，容易得得到锚固固段长度度Lm：（4-4）其中：D为锚固体体的直径径，可取取钻头直直径的1.2倍倍；h应取锚固固段中心心到地面面的高度度，且不不少于4m；K的取值如如前所述述，一般般工程可可取1.5，特特别重要要的工程程或永久久性工程程可取2.0。。实际工程程中锚固固段长度度Lm也不应小小于4m。4.5.5自由段长长度计算算在图4-11中，O点为土压力零零点，OE为假想滑裂面，锚杆AD与水平线AC的夹角为，欲求自由段段AB的长度Lf。∠AOB=450-φ/2，∠ABO=∠EBD=∠ACB+∠CAB=450+φ/2+按正弦定律：：AB:sin∠AOB=AO:sin∠ABO所以自由端长长度：Lf=AO×sin(450–φ/2)/sin(450+φ/2+)设计时取Lf=Lf+15m图4-11锚杆自由端长度计简图4.5.6锚锚杆（索））截面计算土层锚杆（索索）截面积可可按下式计算算：As=KmjNt/fyk式中：As—钢筋截面积（（mm2）；Kmj—安全系数；Nt—土层锚杆（（索）的设计计轴向拉力（（kN）；fyk—锚杆（索））材料的强度度标准值（N/mm2）。4.6锚杆杆整体稳定计计算4.6.1整整体破坏模模式锚杆抗拔力虽虽已有安全系系数，但是挡挡土桩、墙、、锚杆、土体体组成的结构构，有可能出出现整体性破破坏。一种是是：包括锚杆杆、支护桩墙墙在内的整个个体系，从桩桩脚沿着某个个曲面向基坑坑内滑动，造造成土体破坏坏，如图4-12所示；图4-12整体下滑另一种是：由由于锚杆长度不足，，锚杆设计拉力过大大，导致从桩墙底部部到锚固段中点附件件产生一条深层剪切切滑缝，使围护结构倾倾覆，如图4-13所示。图4-13深层破裂、整整体倾覆4.6.2整整体稳定性性验算整体下滑的稳稳定性验算应应当按土坡稳稳定性分析的的方法用圆弧弧条分法进行验算，同同学们参看有有关土力学教教材。对于深部破裂裂、整体倾覆覆的稳定性验验算可用德国国的克兰茨（（E.Kranz）方法法。对于单层层锚杆维护桩桩墙的深层破裂、整整体倾覆的稳稳定性验算如下页的图4-14所示示。联结桩脚C点与锚固体中中心点O，假设直线CO就是深层滑裂裂线；再过O点向上作垂直直线交地面与与D。这样，可能能出现倾覆的的整个土体就就是楔体BCOD。土楔上的作用力包括括：土楔自自重和地面超超载G，挡土桩的支支撑力Ea(主动土压力的的反力)，OD面上的主动土土压力E1，CD面上的总反力力Q，以及锚杆的的拉力R。图4-14Kranz假设的倾覆楔楔体土楔体处于平平衡状态，上上述五个力组组成闭合的力力多边形，如如图4-15，以此可以以求得锚固体体所能承受的的最大拉力Rmax，或它的水平平分力Rhmax。需要注意的是是，在E.Kranz分分析方法中，，认为实际桩桩墙与土体之之间的摩擦角角和假想垂直直破裂面OD上的摩擦角都都是。实际情况况如何需要我我们去进一步步研究。图4-15Kranz法的力多边形形可以推得锚固固体可以承受受的最大水平平力Rhmax。(4-5)最大锚固力与与土层锚杆的的设计轴向力力之比就是抗抗倾覆安全系系数，一般要要求大于1.5，即：其中：Nt—锚杆设计的轴轴向拉力；Tt—锚杆轴向拉力力的水平分力力。两层以上土层层锚杆的支护护体系因深部部破裂产生的的抗倾覆稳定定性计算方法法与以上单层层锚杆围护结结构深部破裂裂的稳定性验验算方法类似似，只是可能能出现的深层层破裂面更多多，需要进行行稳定性验算算的块体更多多，计算更复复杂。例如，，双层锚杆可能能有三个滑裂裂面，三层锚杆可能能有6个滑裂面。一般设计是否否要核算锚杆杆整体稳定，，需视锚固段段是否伸入桩桩、墙脚下而而定。加拿大大有关规程对对多层锚杆系系统给出了下下页图4-16所示的三种情情况。(a)图锚杆全部部在墙脚以以上，要考考虑全部核核算其整体体稳定，虚虚线是假定定的拉结墙墙和假定的的土体滑裂裂面。(b)图要对上面面的两道锚锚杆核算其其整体抗倾倾覆稳定性性。(c)图中的三道道锚杆都伸伸入到了墙墙脚以下，，不需作整整体稳定的的核算。图4-16不同情况下下的整体抗抗倾覆稳定定性验算4.7锚锚杆的试验验4.7.1锚杆极极限承载力力

4.7.2锚锚固体受受力与变形形测试及分分析4.7.3锚杆张拉与与预应力损损失一、锚杆张张拉的必要要性二、预应力力值损失的的原因三、预应力力锁定值4.8锚杆施工4.8.1施工机械我国现用的的有日本矿矿研株式会会RPD型钻机、德德国Krupp公司钻机以以及北京市市机械施工工公司研制制的MZⅡ型钻机等等。克虏伯伯公司钻机机的外视如如右图4-17。。图4-17德国KruppDHR80A型型钻机4.8.2施工工艺一、锚杆施施工顺序场地挖土后后按图4-18顺顺序施工，并循循环进行第第二层、三三层施工。。图4-18锚杆施工顺顺序示意图图(a)钻孔；；(b)插放钢钢筋或钢绞绞线；(c)灌浆；；(d)养护；；(e)安装锚锚头，预应应力张拉；；(f)挖土二、工艺流流程干作业的工工艺流程是是：施工准备→→移机就位位→校正孔孔位调整角角度→钻孔孔→接螺旋旋钻杆，继继续钻孔到到预定深度度→退螺旋旋钻杆→插插放钢筋或或钢绞线→→插入注浆浆管→灌水水泥浆→养养护→上腰腰梁及锚头头（如地下下连续墙或或桩顶圈梁梁则不需腰腰梁）→预预应力张拉拉→锁紧螺螺栓或楔片片→锚杆施施工完继续续挖土。在卵石或岩岩石中常用用湿作业法施工。湿作业的工艺流程与与干作业类类似，主要要是在钻孔过程中加加入了水的冲洗。4.8.3施工要要点一、施工准准备1.挖土土至锚头下下50~60cm，，并平整好好锚杆施工工操作范围围内的场地地，以便于于钻孔作业业。2.采用用湿作业施施工时，要要挖好排水水沟、沉淀淀地、集水水坑，准备备好潜水泵泵，使成孔孔时排出的的泥水通过过排水沟到到沉淀池，，再入集水水坑用水泵泵抽出，同同时准备钻钻孔用水。。3.其他他准备，包包括电源、、注浆机泵泵、注浆管管钢索、腰腰梁、预应应力张拉设设备等。二、钻孔钻孔前按设设计及土层层定出孔位位，并作出出标记。锚杆水平方方向孔距误误差不大于于50mm，垂直方向向孔距误差差不大于100mm。钻孔底部部偏斜尺寸寸，不大于于长度的3%，可用钻孔孔测斜仪控控制钻孔方方向。三、灌浆1.灌浆浆材料一般般要用325号以上上的水泥，，水灰比0.4~0.45。。如用砂浆浆，则配合合比为1:1~1:2，砂粒粒不大于2mm，但但砂浆只能能用于一次次注浆。2.水泥泥浆或砂浆浆搅拌后，，用0.1~12Mpa的压压力泵，以以及耐高压压的塑料管管，将水泥泥浆注入钻钻孔内。3.如需需在锚固段段采用压力力灌浆，就就要在外套套管口戴上上灌浆帽（（压紧器Packer）进行行压力灌浆浆，第一级级可从0.3~0.5Mpa开始始，以后逐逐渐加大压压力到2~3MPa。四、预应力力张拉1.锚体体养护一般般达到水泥泥（砂浆））强度的70%值，，可以进行行预应力张张拉。2.正式式张拉前，，应取设计计拉力的10%~20%，对对锚杆预张张1~2次次，使各部部位接触紧紧密，3.正式式张拉宜分分级加载，，每级加载载后，保持持3min，记录伸伸长值。张张拉到预应应力设计荷荷载时，应应保持10min，，且不再有有明显伸长长，方可以以锁定。4.锁定定预应力以以设计轴拉拉力的75%为宜。。五、腰梁设设计与安装装1.腰梁设计腰梁是传力