《挡土结构与基坑工程》第七章土层锚杆结构设计与施工培训PPT

挡土结结构与与基坑坑工程程木林隆隆博博士士岩土大大楼820室65982005mulinlong@第7讲土土层锚锚杆结结构设设计与与施工工概述常用锚锚杆类类型锚杆内内的荷荷载传传递锚杆的的设计计锚杆的的施工工锚杆的的分类类概述锚杆支支护作作为一一种支支护方方式，，与传传统的的支护护方式式有着着根本本的区区别，，传统统的支支护方方式常常常是是被动动地承承受坍坍塌岩岩体土土体产产生的的荷载载，而而锚杆杆可以以主动动地加加固岩岩土体体，有有效地地控制制其变变形，，防止止坍塌塌的发发生。。锚杆全长黏结型型锚杆端头锚固型型锚杆摩擦型锚杆杆其他型锚杆杆普通水泥砂砂浆锚杆早强水泥砂砂浆锚杆树脂卷锚杆杆水泥卷锚杆杆机械式锚固固黏结式锚固固缝管式(全全长摩擦型型)自钻式锚杆杆楔管式(全全长摩擦型型)中空注浆锚锚杆土中打入式式锚杆楔连式胀壳式侧楔式树脂卷式快硬水泥式式锚杆支护的的作用原理理概述锚杆是将受受拉杆件的的一端（锚锚固段）固固定在稳定定地层中，，另一端与与工程构筑筑物相联结结，用以承承受由于土土压力、水水压力等施施加于构筑筑物的推力力，从而利利用地层的的锚固力以以维持构筑筑物（或岩岩土层）的的稳定。锚固作用原原理，可归归纳为两种种不同的理理论：一种是建立立在结构工工程概念上上，其基本本特征是““荷载―结构”模式式。一种是岩层层锚杆，是是建立在岩岩体工程概概念上，充充分发挥围围岩的自稳稳能力，防防围岩破坏坏于未然。。软土岩石概述锚杆支护的的特点提供开阔的的施工空间间，极大地地方便土方方开挖和主主体结构施施工。锚杆杆施工机械械及设备的的作业空间间不大，适适合各种地地形及场地地。对岩土体的的扰动小；；在地层开开挖后，能能立即提供供抗力，且且可施加预预应力，控控制变形发发展。锚杆的作用用部位、方方向、间距距、密度和和施工时间间可以根据据需要灵活活调整。用锚杆代替替钢或钢筋筋混凝土支支撑，可以以节省大量量钢材，减减少土方开开挖量，改改善施工条条件，尤其其对于面积积很大、支支撑布置困困难的基坑坑。锚杆的抗拔拔力可通过过试验来确确定，可保保证设计有有足够的安安全度。概述锚杆的发展展与现状锚杆支护于于19世纪末20世纪初初现现雏形，1950年代中期，，在国外的的隧道中开开始广泛使使用小型永永久性的灌灌浆锚杆喷喷射混凝土土代替以往往的隧道衬衬砌结构。。1970年代开始，，国外许多多大城市修修建地下车车站或地下下建筑物时时，大量采采用锚杆与与地下连续续墙联合支支护。锚杆杆支护技术术于1960年代引进我我国。1.应用领域和和规模不断断扩大2.相关规范标标准逐渐完完善3.对岩土锚固固效应与荷荷载传递方方式的研究究取得了很很多有价值值的成果4.各种新型锚锚杆在工程程实践中得得到大量开开发、应用用5.锚杆的承载载力水平大大幅度提高高6.施工机械、、施工工艺艺不断发展展常用锚杆类类型拉力型锚杆杆和压力型型锚杆在同等荷载载条件下，，拉力型锚锚杆固定段段上的应变变值要比压压力型锚杆杆的大。但但是，压力力型锚杆的的承载力受受到灌浆体体抗压强度度的限制，，如仅采用用一个承载载体，则承承载力不太太高。常用锚杆类类型单孔单一锚锚固与单孔孔复合锚固固单孔单一锚锚固在一个钻孔孔中只安装装一根独立立的锚杆，，尽管可由由多根钢绞绞线或钢筋筋构成锚杆杆杆体，但但只有一个个统一的自自由长段和和锚固长度度。会出出现严重的的应力集中中现象。其其锚固体在在工作时受受拉，易开开裂，为地地下水的渗渗入提供通通道，对防防腐极其不不利，严重重影响锚杆杆的使用寿寿命。单孔复合合锚固单孔复合合锚固体体系是在在同一钻钻孔中安安装几个个单元锚锚杆，而而每个单单元锚杆杆均有自自己的杆杆体、自自由长度度和锚固固长度，，而且承承受的荷荷载也是是通过各各自的张张拉千斤斤顶施加加，并通通过预先先的补偿偿张拉（（补偿每每个单元元在同等等荷载下下因自由由长度不不等而引引起的位位移差））而使所所有单元元锚杆始始终承受受相同的的荷载。。常用锚杆杆类型扩张锚根根固定的的锚杆采用扩张张锚根的的方法来来提高锚锚杆承载载力是十十分有效效的。其其摩阻面面积的增增大对提提高承载载力有一一定作用用，但更更主要的的是突出出部分的的地层对对锚杆拔拔出的抗抗力。扩张锚根根固定的的锚杆主主要有两种形式：一种是仅仅在锚根根底端扩扩张成一一个大的的扩体，，称为底底端扩体体型锚杆杆；一种是在在锚根（（锚固体体）上扩扩成多个个扩体，，称为多多段扩体体型锚杆杆。常用锚杆杆类型可回收锚锚杆可回收锚锚杆是指指用于临临时性工工程加固固的锚杆杆，在工工程完成成后可回回收预应应力钢筋筋。可回回收锚杆杆施工使使用经过过特殊加加工的张张拉材料料、注浆浆材料和和承载体体，可分分为以下下三类：：机械式可可回收锚锚杆化学式可可回收锚锚杆力学式可可回收锚锚杆锚杆内的的荷载传传递从杆体到到灌浆体体的荷载载传递黏着力机械联锁锁摩擦力锚杆内的的荷载传传递各类岩土土层中锚锚杆的荷荷载传递递特点岩石中的的锚杆锚杆灌浆浆体与锚锚杆孔壁壁岩石间间的黏结结力取决决于岩石石与灌浆浆体的强强度、孔孔壁的粗粗糙度及及清孔质质量。随随着锚固固长度的的增大，，所要求求的黏结结强度就就会按比比例降低低。砂性土中中的锚杆杆砂性土的的锚杆，，灌浆体体与土体体的黏结结强度通通常大于于土体的的抗剪强强度。这这是由于于水泥浆浆的渗透透，使实实际的锚锚固体直直径大于于钻孔的的直径；；同时，，由于水水泥浆的的高压渗渗透的使使得锚固固体表面面产生横横向压力力，提高高了土体体与锚固固体间的的摩擦力力。锚杆内的的荷载传传递各类岩土土层中锚锚杆的荷荷载传递递特点粘土中的的锚杆黏性土中中锚杆锚锚固体与与黏土的的平均摩摩阻力随随土的强强度增加加和塑性性减小而而增加，，随锚固固长度增增加而减减小。在在进行二二次或多多次灌浆浆后，水水泥浆液液在锚固固段周边边土体中中渗透、、扩散，，形成水水泥土，，提高了了土体的的抗剪强强度和锚锚固体与与土的摩摩阻力。。灌浆压压力越高高、灌浆浆量越大大，则锚锚固体与与土之间间的摩阻阻力增加加幅度越越大。锚杆的设设计规划与设设置单根锚杆杆设计拉拉力的确确定单根锚杆杆的设计计拉力需需根据施施工技术术能力、、岩土层层分布情情况等因因素来确确定。锚杆位置置的确定定锚杆的锚锚固区应应当设置置在主动动土压力力楔形破破裂面以以外，锚锚固段需需设置在在稳定的的地层以以确保有有足够的的锚固力力，一般般要求锚锚杆锚固固体上覆覆土层厚厚度不宜宜小于4m。锚固体设设置间距距锚杆间距距应根据据地层情情况、锚锚杆杆体体所能承承受的拉拉力等进进行经济济比较后后确定。。锚杆的的水平间间距不宜宜小于1.5m，上下排排垂直间间距不宜宜小于2m。锚杆的设设计规划与设设置锚杆的倾倾角一般采用用水平向向下15°-25°°倾角，不不应大于于45°。锚杆水水平分力力随锚杆杆倾角的的增大而而减小。。倾角太太大将降降低锚固固的效果果，而且且作用于于支护结结构上的的垂直分分力增加加，可能能造成挡挡土结构构和周围围地基的的沉降。。为有效效利用锚锚杆抗拔拔力，最最好使锚锚杆与侧侧压力作作用方向向平行。。锚杆的层层数锚杆层数数根据土土压力分分布大小小、岩土土层分布布、锚杆杆最小垂垂直间距距等而定定，还应应考虑基基坑允许许变形量量和施工工条件等等综合因因素。锚杆的设设计规划与设设置锚杆自由由长度的的确定锚杆自由由长度的的确定必必须使锚锚杆锚固固于比破破坏面更更深的稳稳定地层层上，以以保证锚锚杆系统统的整体体稳定性性；使锚锚杆能在在张拉荷荷载作用用下有较较大的弹弹性伸长长量，不不致于在在使用过过程中因因锚头松松动而引引起预应应力的明明显衰减减。不宜宜小于5m并应超过过潜在滑滑裂面1.5m。锚杆杆体体筋材的的设计锚杆的设设计规划与设设置锚杆的安安全系数数锚杆设计计中应考考虑两种种安全系系数：对锚固体体设计和对杆体筋筋材截面面尺寸设计的安安全系数数。锚杆杆体体筋材截截面尺寸寸设计安安全系数数，临时锚杆杆为1.6，永久锚杆杆为1.8。锚杆破坏后危害程度最小安全系数锚杆服务年限≤2年锚杆服务年限>2年危害轻微，不会造成公共安全问题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锚杆的设设计杆体材料强度高较好的塑性和和良好的加工工性能耐腐蚀性好，，尤其是对永永久性锚杆几何尺寸误差差小，便于控控制预加应力力钢绞线要求伸伸直性好，便便于穿索，有有利施工，在在不绑扎的情情况下切断应应不易松散锚杆杆体材料料的基本要求求锚杆的设计锚固体设计用机械装置把把锚索固定在在坚硬稳定的的地层中；用注浆体把锚锚固段锚杆体体与孔壁黏结结在一起；用扩大锚头钻钻孔等手段把把锚固段固定定在稳定地层层中。锚固方法破坏形式沿着锚杆体与与注浆体接合合处破坏；沿着注浆体与与地层接合处处破坏；由于埋入稳定定地层中的深深度不够而使使地层呈锥体体状剪坏；由于锚杆体强强度不足而出出现断裂破坏坏；锚固段注浆体体被压碎或破破裂；整体支护力不不够而出现锚锚杆群的破坏坏。锚杆的设计锚固体设计锚杆设计应在在调查、试验验、研究的基基础上，充分分考虑锚固区区地层的工程程地质、水文文地质条件和和工程的重要要性。在满足工程使使用功能的条条件下，应确确保锚固设计计具有安全性性和经济性。。确保锚杆施加加于结构或地地层上的预应应力不对结构构物本身和相相邻结构物产产生不利影响响，锚固体产产生的位移应应控制在允许许范围内。永久锚杆的有有效寿命不应应小于被加固固结构物的服服务年限。设计采用的锚锚杆均应在进进行锚固性能能试验后才能能用于工程加加固。锚固设计结果果与试验结果果有较大差别别时，应在调调整锚固设计计参数后重新新进行试验。。锚固设计的一一般要求锚杆的设计锚固体设计锚杆锚固体的的设计圆柱状锚固体体锚杆的设计锚固体设计锚杆锚固体的的设计扩体型锚固体体砂土粘土锚杆的设计锚杆支护系统统挡土墙应力分分析一般挡墙只要要考虑弯矩、、剪力，而锚锚杆工程的挡挡土壁需要考考虑弯矩、剪剪力和轴力。。挡土壁断面计计算按一般要求进进行断面计算算。腰梁设计以锚杆位置作作为支点，对对上述荷载可可按简支梁进进行弯矩及剪剪力计算。锚杆的设计调查作用于侧壁上上土压力计算算锚杆配置，角角度的决定土质柱状图、、土质试验附近建筑物状状况锚固地层的位位置锚杆力的确定定锚杆体的设计计锚杆的种类、、安全系数锚杆的直径，，锚固层c、、α2-3根现场场拉拔试验验证锚杆长度的决决定侧壁构筑物整整体稳定性计算张拉材料的设设计、检验初期拉紧力确确定锚杆头部确定定侧壁内部和外外部的稳定，群锚效应蠕变变否否锚杆的施工钻孔在黏性土钻孔孔最合适的是是带十字钻头头和螺旋钻杆杆的回转钻机机。在松散土和软软弱岩层中，，最适合的是是带球形合金金钻头的旋转转钻机。在坚硬岩层中中的直径较小小钻孔，适合合用空气冲洗洗的冲击钻机机。钻直径较大钻钻孔，需使用用带金刚石钻钻头和潜水冲冲击器的旋转转钻机，并采采用水洗。应根据地层类类型和钻孔直直径、长度以以及锚杆的类类型来选择合合适的钻机和和钻孔方法。。锚杆的施工锚杆杆体的制制作与安装钢筋锚杆的制制作相对比较较简单，按设设计预应力筋筋长度切割钢钢筋。钢绞线通常为为一整盘方式式包装，宜使使用机械切割割，不得使用用电弧切割。。压力分散型锚锚杆采用无黏黏结钢绞线、、特殊部件和和工艺加工制制作。可重复高压灌灌浆锚杆采用用环轴管原理理设置注浆套套管和特殊的的密封及注浆浆装置。杆体制作锚杆的施工锚杆杆体的制制作与安装锚杆的安装锚杆一般由人人工安装，对对于大型锚杆杆有时采用吊吊装。锚头的施工锚具、垫板应应与锚杆体同同轴安装切割锚头多余余的锚杆体宜宜采用冷切割割的方法，锚锚具外保留长长度不应小于于100mm打筑垫墩用的的混凝土标号号一般大于C30锚杆的施工注浆体材料与与注浆工艺水泥浆成分灌注锚杆的水水泥浆通常采采用质量良好好新鲜的普通通硅酸盐水泥泥和干净水掺掺入细沙配制制搅拌而成的的，必要时可可采用抗硫酸酸盐水泥。水水泥龄期不应应超过一个月月，强度应大大于32.5MPa。灌注锚杆的水水泥浆最适宜宜的水灰比为为0.4~0.45注浆工艺水泥浆采用注注浆泵通过高高压胶管和注注浆管注入锚锚杆孔通常采用挤压压式或活塞式式两种注浆泵泵注浆常分为一一次注浆和二二次高压注浆浆两种注浆方方式锚杆的施工张拉锁定锚具用于锁定预应应力钢丝的墩墩头锚具、锥锥形锚具用于锁定预应应力钢绞线的的挤压锚具用于锁定精轧轧螺纹钢筋的的精轧螺纹钢钢筋锚具用于锁定中空空锚杆的螺纹纹锚具用于锁定钢筋筋的螺丝杆锚锚具锚杆的锚头用用锚具通过张张拉锁定，锚锚具的类型与与预应力筋的的品种相适应应锚杆的施工张拉锁定垫板锚杆用垫板的的材料一般为为普通钢板，，外形为方形形，其尺寸大大小和厚度应应由锚固力的的大小确定。。张拉当注浆体达到到设计强度的的80%后可进行张拉拉。采用单根根预张拉后再再整体张拉的的施工方法，，可以大大减减小应力不均均匀现象。（1）根据锚杆类类型及要求，，可采取整体体张拉、先单单根预张拉然然后整体张拉拉或单根-对称-分级循环张拉拉方法；（2）采用先单根根预张拉然后后整体张拉的的方法时，锚锚杆各单元体体的预应力值值应当一致，，预应力总值值不宜大于设设计预应力的的10%，也不宜小于于5%；（3）采用单根-对称-分级循环张拉拉的方法时，，不宜少于三三个循环，当当预应力较大大时不宜少于于四个循环；；锚杆的施工张拉锁定张拉（4）张拉千斤顶顶的轴线必须须与锚杆轴线线一致，锚环环、夹片和锚锚杆张拉部分分不得有泥沙沙、锈蚀层或或其他污物；；（5）张拉时，加加载速率要平平缓，速率宜宜控制在设计计预应力值的的0.1/min左右，卸荷载载速率宜控制制在设计预应应力值的0.2/min；（6）在张拉时，，应采用张拉拉系统出力与与锚杆体伸长长值来综合控控制锚杆应力力，当实际伸伸长值与理论论值差别较大大时，应暂停停张拉，待查查明原因并采采取相应措施施后方可进行行张拉；（7）预应力筋锁锁定后48h内，若发现预预应力损失大大于锚杆拉力力设定值的10%，应进行补偿偿张拉。锚杆的施工张拉锁定张拉（8）锚杆的张拉拉顺序应避免免相近锚杆相相互影响。（9）单孔复合锚锚固型锚杆必必须先对各单单元锚杆分别别张拉，当各各