边坡工程锚固技术-孙霁

硕士研究生课程考试试卷考试科目：考生姓名：边坡工程学孙霁考生学号：20101602011学院：土木工程学院专业：土木工程（岩土工程）考生成绩：任课老师（签名）考试日期：2011年07月07日边坡工程锚固技术摘要：边坡工程是岩土工程领域的一个重要组成部分，它的安全与稳定性对我们建设工程的影响非常重大，采用锚固技术来加固危险或潜在不稳定的边坡是边坡工程加固中一种非常有效的方法。本文论述了锚固技术的发展状况，锚杆的特点和构造，边坡工程锚杆受力原理与设计方法以及锚固技术的施工、锚杆的试验与监测。关键词：边坡工程，锚固，锚杆设计，施工1概述1.1边坡工程概述边坡工程是岩土工程领域的一个重要组成部分，它涉及到我们土木工程建设的方方面面：不论是水库的岸坡、公路铁路的路堑边坡、隧道进出口的边坡还是建筑物的切坡等，都有边坡的影子。边坡按成因可分为自然边坡和人工边坡。天然的山坡的谷坡是自然边坡，此类边坡是在地壳隆起或下陷的过程中逐渐形成的，。人工边坡是受到人类的活动影响而形成的边坡，可以人为控制边坡的几何参数，又分为开方边坡（挖方形成的边坡）和构筑边坡（填方形成的边坡） 。边坡按组成又分岩质边坡（岩坡）和土质边坡（土坡）。岩坡失稳与土坡失稳的主要区别在于土坡中潜在滑动面的位置不明显，而岩坡中的滑动面一般比较明确。岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳的位置和破坏形式；结构面的产状或性质一有改变，岩坡的稳定性就会受到影响。一旦受到较大的外界干扰，不稳定的边坡往往会失稳，因此，边坡的安全与稳定性是我们工程建设中经常遇到的问题。一旦边坡失稳而引起滑坡、崩塌等灾害，就会影响工程的施工进度与质量，甚至还会造成生命财产的重大损失，所以有关边坡的防治处理已经进行了多年并取得了很多经验和巨大成就。欧美国家从 19世纪中叶就开始了对滑坡灾害的研究和治理，而我国的研究则从20世纪中叶开始，从最初的挡土墙到抗滑桩到最近的注浆加固、锚固技术以及锚固与抗滑桩相结合的形式，我们取得了不错的成果，但是，对边坡的受力分析、稳定性判断、影响因素以及锚固技术加固措施等仍需要我们的更加努力地去研究和完善！1.2锚固技术概述岩土工程源远流长，人类最早的岩土工程就是穴居。岩土工程的研究对象是复杂的地质体。它们在漫长的地质年代演化过程中，经历了地质构造运动、物理、化学和生物的风化以及人类活动等作用，同时在一定的时间、一定的空间与一定的条件下，处于相对稳定的平衡状态。但是由于自然或认为因素的干扰，它们原有的平衡状态会遭到破坏，原有的应力场也会发生充分布，因此产生过量破坏后的形态则有可能导致各种各样的地质灾害发生，如滑坡、泥石流、坍塌等。为了预防和治理这些所导致的地质灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用于调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力，这种受拉杆件在工程上称为锚杆，它所起到的作用则为锚固，应用力学、物理数学、地质学和材料学等科学知识来解决岩土工程中的锚杆设计、计算、施工好监测等方面问题的技术和工艺就成为锚固工程。锚固技术不但在边坡工程治理中效果显著，在矿山开发、隧道支护、深基坑支护、坝体抗倾覆、围岩加固等工程中也得到行之有效的应用。由于它的应用范围十分广泛，而且安全、适用、经济、有效，相信在未来它必将在我国的土木工程建设发挥更大的作用。1.3锚固技术的发展与应用锚固技术在土木工程中的应用已有约100年的历史了，最早应该是美国于1912年在阿伯施莱辛（Aberschlesin）的弗里登斯（FriedenS）煤矿使用锚杆支护顶板，1915年至1920年在一些金属矿山也开始使用锚杆，从而为锚杆技术未来的推广和发展奠定了基础。1934年阿尔及利亚开始把预应力锚杆应用于舍尔法坝的加高工程；1957年,西德Bauer公司在深基坑支护中开始使用土层锚杆；20世纪60年代，捷克斯洛伐克和西德在大型地下洞室中应用了高预应力长锚杆和低预应力短锚杆；至20世纪80年代后，英国、日本等国家开发了单孔复合锚固的新技术，改善了锚杆的传力机制，显著地提高了锚杆承载力和耐久性；锚杆技术在全球范围内得到了广泛的应用，而且锚固技术的理论研究、技术创新和工程应用都得到了很大的发展。其中，理论研究主要着重于岩层（地层）锚固的荷载传递机理以及不同类型注浆锚杆用于不同地层时锚杆与注浆体、注浆体与岩层（地层）间的粘结力及其分布状态。我国的锚固技术始于50年代后期，京西矿务局安淮煤矿、河北龙烟铁矿、湖

南湘潭锰矿等单位先后相继使用楔缝式岩石锚杆支护矿山巷道。进入 20世纪60年代后，普通砂浆锚杆和喷射混凝土支护开始应用于矿山巷道、铁路隧道和边坡整治等工程中。举世瞩目的长江三峡工程，长1607m、高170m的双线五级永久船闸高边坡工程，采用4000余根长25〜61m、设计承载能力为3000kN（部分为1000kN）的预应力锚杆和近10万根长8〜14m的高强锚杆作整体加固或局部加固，大大增强了边坡的整体稳定性。这也是锚固技术在边坡工程中的典型应用，除了在边坡工程、矿山巷道、铁路隧道中取得了巨大的应用，在深基坑支护、坝基工程、防止高架桥倾倒和桥墩滑动等方面也取得了广泛的应用；可以看到，锚固技术在土木工程建设中得到了大量应用并取得了明显的社会经济效益。综合总结历史上锚固工程的生产应用，锚固技术主要有以下几个方面的用途：（1）深基础和地下结构工程支护：主要用在深基坑支挡、高层建筑地下室抗浮、地下结构工程支护与加固，如地下停车场、地铁或地下街道等，如图 1所示图1锚固技术在深基础工程中的应用（a）深基坑支挡；（b）地下室抗浮；（c）地下停车场；（d）地铁或地下街道（2）结构抗倾覆应用：防止高塔倾倒、防止高架桥倾倒、防止坝体倾倒、防止挡土墙倾倒等，如图2所示。（2）结构抗倾覆应用：防止高塔倾倒、防止高架桥倾倒、防止坝体倾倒、防止挡土墙倾倒等，如图2所示。图2锚固技术在结构抗倾覆中的应用（a）防止高塔倾倒；（b）防止高架桥倾倒；（c）防止坝体倾倒；（d）防止挡土墙倾覆（3）边坡稳固工程：主要有边坡加固、斜坡挡土墙、锚固挡墙、滑坡防治等,如图3所示。

U0U0图3锚固技术在边坡稳定工程中的应用（a）边坡加固；（b）斜坡挡土墙；（c）锚固挡墙；（d）滑坡防治（4）道桥基础加固：防止桥墩基础滑动、悬臂桥加固、吊桥桥墩锚固、大跨拱形结构物稳定，如图4所示。（椚（椚图4锚固技术在道桥基础中的加固应用（a）防止桥墩基础滑动；（b）悬臂桥加固；（c）吊桥桥墩锚固；（d）大跨拱形结构物稳定（5）加压装置中的应用：桩的静荷载试验装置、沉箱下沉加重，如图5所示

图5锚固技术在加压装置中的应用（a）桩的静荷载试验装置；（b）沉箱下沉加重（6） 现有结构物补强与加固：运用锚固技术对结构物的滑移、变形和裂缝等破坏进行加固处理。（7） 巷道及隧道工程支护：防止隧道（井巷）坍塌、控制隧道（井巷）围岩变形，如图6所示。图6锚固技术在巷道及隧道工程支护中的应用（a）防止隧道坍塌；（b）控制隧道（井巷）围岩变形（8）锚固技术还广泛地应用于其他工程的方方面面。2锚杆2.1锚杆的构造锚杆是固定在岩土层钻孔中或直接打入岩土层中控制地层变形作用的受拉杆件，它的一端与工程构筑物相连，另一端锚固在稳定的岩土层中，必要时还可以对它施加预应力，以承受土压力、水压力或地震作用等荷载所产生的拉力，并将此拉力传入深处的稳定岩土层中，从而有效地防止结构变形、维护构筑物的稳定＜工程上所指的锚杆通常是对受拉杆件所处的锚固系统的统称。锚杆一般由外锚头、拉杆和内锚段组成；沿轴线方向可以分为自由段和锚固段，其中自由段一般位于需要加固的岩土层中给予加固，而锚固段则处于稳定的岩土层中以提供抗力。一般锚杆的承载能力主要与其锚固段的性质相关，而锚杆变形量则主要与其自由段相关。普通锚杆构造图如图7所示。1—紧固装置；2—承压板；3—台座；4—套管；5—拉杆；6—锚固砂浆体锚杆各部分作用如下：（1） 外锚头外锚头是构筑物与拉杆的连接部分，它的作用是把构筑物传来的作用力有效地传给拉杆。通常拉杆是沿水平线向下倾斜方向设置的，其与作用在构筑物上的侧向岩土压力不在同一方向上。因此，为了把构筑物的外荷载有效地传给拉杆，不但要保证外锚头构件本身的材料强度足够，相邻的构件能够紧密的固定连接，而且要把集中的外力分散开。因此，外锚头一般由台座、承压板和紧固装置等部件组成，图1中Li为拉杆从外锚头中伸出来一部分以保证锚固紧密在设计时，根据锚固目的，锚头应具有补偿张拉、松弛的能力。（2） 拉杆锚杆中的拉杆一般应该位于锚杆装置的中心线上，其作用为把外锚头的拉力传递给内锚段的锚固砂浆体，所以拉杆与锚固砂浆体应有可靠地粘结力或紧压力，由于拉杆要承受一定的荷载，所以它一般采用抗拉强度较高的钢材或压应力钢绞线等生产。（3） 内锚段内锚段的锚固体位于锚杆靠后部分的稳定岩土层中，起作用主要是将来自拉杆的作用力通过锚固砂浆体与周围岩土层之间的摩阻力传给稳定的地层。在锚固工程中，内锚段锚固体的可靠性直接决定着整个锚固工程的可靠程度，因此，内锚段锚固体的设计决定着整个锚杆支护的成败。另外，在评价内锚段的锚固效果时不能仅仅从材料结合的破坏原理来判断，而更应该主要从锚固段的设计是否适应所在地层来评价。2.2锚杆的种类锚杆种类划分方法纵多，目前国内外多按照锚固长度分类，按锚固方式分型。按锚固长度可分为两类：集中（端头）锚固类锚杆和全长锚固类锚杆。锚固装置或杆体只有一部分与锚孔壁接触的锚杆称为集中锚固类锚杆；锚固装置或杆体全部与锚孔壁接触的锚杆称为全长锚固类锚杆。两类锚杆按锚固方式可分为两种，即机械锚固型和粘结锚固型。锚固装置或杆体与锚孔壁接触，以摩擦阻力为主要锚固作用的锚杆，称为机械锚固型锚杆；杆体部分或全长用胶结材料把杆体和锚孔壁粘结起来，以粘结力为主要锚固作用的锚杆，称为粘结锚固型锚杆。锚杆大致分类见表1所示。表1锚杆分类分 类锚 杆 名 称端头锚固机械锚固型锚杆倒楔锚杆、楔缝锚杆、胀壳锚杆类锚杆粘结锚固型锚杆快硬水泥卷锚杆、树脂药卷锚杆、砂浆锚杆摩擦型锚杆楔管锚杆、缝管锚杆全长锚固类锚杆树脂锚杆、缝管锚杆、砂浆锚杆其他类型锚杆自钻式锚杆、可回收式锚杆、屈服锚杆、钢花管式锚杆针对不同地质条件、不同实际工程条件下工程结构的需要，目前已研制出对应的各式各样的锚杆，总计已有数百种之多，但真正用于工程中的锚杆种类还是有限的。除了以上分类外，按锚杆和土体的相对运动情况分为主动锚杆和被动锚杆；按应用对象分为岩石锚杆和土层锚杆，岩石锚杆是指内锚段锚固于各类岩层中的锚杆，而自由段可以位于土层或岩层中，土层锚杆是指锚固于各类土层中的锚杆；按使用年限是否大于2年分为临时锚杆和永久锚杆；按是否预先施加应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆；按受力特征分为普通锚杆和屈服锚杆；按锚杆锚固段的受力状态进行分类，可分为拉力型锚杆、压力型锚杆、拉力分散型锚杆、压力分散型锚杆和拉压分散型锚杆，其中的拉力分散型、压力分散型、拉压分散型三种锚杆又统称为荷载分散型锚杆。其中，拉力型锚杆是现阶段使用最广泛的锚杆形式，但是其受力机理存在严重的剪应力集中现象，易使浆体拉裂，锚固减弱；压力型锚杆通过无粘结预应力钢绞线把拉力荷载传到设在锚固段末端的承载体上进而传给锚固段的砂浆体，使得锚固段砂浆体的受力状态由传统的受拉改良为受压，但锚固段末端仍然存在应力集中现象；拉力分散型锚杆和压力分散型锚杆都是相应的在拉力型和压力型锚杆的基础上适当改善形成的，其受力本质不变；而拉压分散型锚杆则是拉力分散型和压力分散型锚杆的“结合体” ，它既逐段剥除无粘结钢绞线使之形成拉力锚固区段，又在相应的部位设置承载体形成压力锚固区段，从而达到了充分利用整个内锚固段承载体能力的目的。2.3锚杆技术支护作用原理从20世纪60年代开始，人们就不断地研究锚杆的支护加固作用原理，但由于岩土介质的复杂多变性以及锚固方式的多样性，对锚固技术目前尚未形成统一的理论。对于岩土体锚固作用机理的研究，主要是活的最大的锚固力以及如何快速有效、经济合理地利用锚固力，目前以达成普遍共识的主要有三种理论：悬吊理论、组合梁理论和组合拱（压缩拱/挤压加固）理论；正在研究发展的新理论有：最大水平应力理论、全长锚固中性点理论、围岩强度强化理论和围岩松动理论等。悬吊理论认为锚杆支护作用就是将洞室顶板软弱岩层悬吊在上部稳定的岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。组合梁理论认为，若果顶板岩层中存在若干分层则顶板锚杆的作用，一方面依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩层沿层面滑动造成各岩层离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将顶板锚固范围内的几个薄岩层锁成一个较厚的岩层（即组合梁）。这种组合梁在上覆岩层荷载的作用下有材料力学知识知道，其最大弯曲应变和应力都会明显减小，其挠度也减小，组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也越小。组合拱理论认为在拱形洞室围岩的破裂区用锚杆加固，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿洞室周边布置锚杆群，只要间距合理，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在围岩中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱，它可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。这些锚杆加固原理在实际工程中并不是独立存在的，往往同时存在几种理论综合作用，只不过在不同条件时不同的作用占据主导地位而已。对于地锚荷载传递机理的研究，美国、英国、澳大利亚、法国等处于国际领先水平。该研究的主要内容是从锚杆到灌浆体的力学机理的研究以及灌浆体与钻孔孔壁之间的力学机理研究。对于拉力型锚杆的研究表明，其锚杆杆体表面与砂浆体之间的粘结剪应力沿锚固段长度方向的分布可近似简化为指数函数关系，如（1）式所示：_Ax（1）式中：x——距离锚固顶端X处的剪应力；0――锚固段顶端处的剪应力；d――锚杆的直径；A――锚杆中剪应力与主应力相关的常数。由上式可以看出，锚杆同锚固段砂浆体之间的粘结剪应力不是沿杆长均匀分布的。针对此结果，国内外陆续从改善荷载的传递途经出发，开发出许多与传统拉力型锚杆相比有许多优点的新型锚杆，是锚固技术得到了更广泛的发展。虽然锚固技术的研究及应用日趋广泛，但是由于岩土体的复杂多变性，当前的研究仍然有许多问题。其中包括理论研究相对滞后于工程应用；拉力型锚杆虽然应用广泛，但是存在着其自身的承载力、耐久性、抗变形能力不够强的缺点；对锚固体的传力机制的实际应用大部分都采用了理想的简化模式以及对锚杆的加固机理没有完全准确的认识等。针对于这些问题，在今后的锚杆技术研究工作中应对症下药，加强对锚杆加固机理的认识，研究适合于实际工程的锚杆粘结力的计算公式、开发具有良好受力特性和耐久性能的新型锚杆以及对处于地震作用、冻融环境和冲击荷载等特殊条件下工作的锚杆的特殊性能及设计方法的研究等。3锚杆在边坡工程中的加固3.1边坡破坏及影响因素边坡工程是岩土工程的最常见工程之一，常见于公路、铁路、露天矿山、水利水电等工程的建设中。边坡工程的最大问题就是其稳定性问题，因边坡的失稳导致的滑坡、坍塌等工程事故不胜枚举，给人们的生命财产带来了极大的威胁。因此，边坡的防治理论与技术一直以来都是我们所研究的重点课题。边坡的破坏形式通常有平面型破坏、圆弧型破坏、倾倒型破坏和楔形破坏。从形态上可分为崩塌和滑坡。一般岩质边坡才会发生崩塌，表现为块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下，在崩塌的过程中，岩体没有明显的滑移面。它常常发生在坡顶裂隙发育处，因为由于风化等原因减弱了节理的粘聚力，或者由于雨水进入了裂隙产生水压力所致，另外气温变化、冻融松动岩石，地震等外力作用也可能导致其发生。滑坡是岩土体在重力作用下，沿坡内软弱面产生的整体滑动。与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，其破坏速度虽比崩塌缓慢，但不同的滑坡其滑速可能相差很大。实际情况中的边坡破坏形式是多种多样的，除了上述的两种主要破坏形式外，还有结余崩塌和滑坡之间的滑塌（即又有滑动的又有崩落的），以及其他的倾倒、流动等破坏方式影响边坡稳定性的因素很多，其内部因素包括边坡的结构面性质、坡度、高度、内部应力、岩土体容重、抗剪切强度和内部水压力等；外部因素主要包括附加荷载、温度变化、植被破坏、坡脚破坏、地震、爆破和施工荷载等。3.2岩土工程边坡勘察为了准确地确定边坡稳定性最主要和最直接的因素，以便充分了解边坡，从而有效地维护或加固治理，就应该对边坡进行必要的工程地质勘察。工程地质勘察的目的是通过工程地质测绘、钻探和试验描绘边坡的工程地质条件，提出边坡稳定性计算参数、分析边坡的稳定性，确定边坡可能的破坏形态，并应提出潜在不稳定边坡的整治与加固措施和监测方案。因此，勘察阶段应主要查明以下问题：（1） 边坡的地貌形态、发育阶段和微地貌特征，当存在滑坡、崩塌等不良地质现象时，应查明其性质和范围；（2） 构成边坡岩土层的性质、成因、分布和种类，有软弱夹层时应查明其性质和分布；（3） 对于岩质边坡应查明结构面的产状、间距、类型、张开度、充填度、胶结情况、组合关系和主要结构面产状与坡面的关系等，对有裂隙的土质应查明裂隙的性状；（4） 地下水的类型、水量、水压、补给、水力坡度和动态变化；（5） 岩石风化程度、地区气象条件和潜在地震等因素对边坡稳定性的影响；（6） 岩土的物理力学性质和软弱结构面的抗剪强度。3.3锚杆设计基本原则边坡工程的锚固就是对潜在会发生失稳或将来可能会失稳的滑动体采用锚固技术进行加固。采用锚杆加固不仅可以增加滑动面上的摩擦力和抗剪力，而且有直接抵抗边坡的下滑。设计前应完成上述工程地质勘察以得到相关工程范围内的地下水、抗剪强度、岩土性状与地震等信息。设计锚杆的使用寿命应不小于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照临时锚杆进行设计，使用年限在两年以上的工程锚杆都应按照永久性锚杆进行设计。对于永久性锚杆，锚固段设计位置选择：（a）不应设在液限WL50%或的高塑性土层中，因为其高塑性会引起土层发生明显的徐变，从而慢慢地导致锚固力损失或丧失；（b）不应设在相对密度Dr<0.3的松散土层中，因为此类土层单位面积上的摩擦阻力很小，难以提供工程设计所要求的锚固力； （c）不应设在有机质土层中，因为绝大部分的有机质土都会腐蚀锚杆体而导致其破坏。当被支护的边坡结构变形量容许值要求较高、岩层边坡施工期稳定性较差、土层锚固性能较差或是使用精轧钢及钢绞线时，宜采用预应力锚杆。锚杆所施加的预应力主动地改变了边坡岩土体的受力状态和滑动面上的不平衡条件，既提高了岩土体的稳定性，又增加了滑动面上的抗滑力，从而有效地加固了边坡。但施加的预应力对支撑结构的加载影响、对相邻构筑物的不利影响以及对锚固地层的牵引作用应控制在规定的稳定安全范围内。设计的锚杆必须满足所需要的锚固力要求，以防边坡滑动剪坏锚杆，锚杆选用的钢筋必须符合有关国家标准。边坡锚固设计应选择合适的计算方法：极限平衡法是边坡稳定计算最常用的方法，易于确定所需的锚固力并给出整体安全系数；数值分析方法能给出边坡的应力应变场、塑性区域和施工过程的时空效应，有利于锚杆布置设计和合理安排施工，同时也是对极限平衡法的验算。确定对不稳定边坡加固时，应鉴别边坡的破坏模式，确定边坡不稳定程度及范围论证加固方案和经济可行性。对于岩石边坡，当存在可能滑移的软弱夹层、节理和层理面时，宜采用赤平投影法分析不稳定块体的几何形状、体积及滑动方向，对于边坡的稳定性应采用块体极限平衡法进行验算。对于土坡，则在勘探的基础上采用极限平衡理论对边坡的稳定性进行分析。对于较高的边坡，宜设置若干台阶缓冲，每个台阶的高度视地质条件一般设为6〜10m,坡度为1:0.5〜1:1.5。锚杆锚固力的分布原则应遵循边坡压脚固腰的原则，将锚杆主要分布在边坡的中部或下部。边坡锚固设计应动态设计，根据边坡开挖所揭示的岩土地质条件和所监测的边坡变形变化趋势而适时调整锚杆支护参数，以达到最佳的加固稳定效果。边坡应设置防排水系统，治坡先治水，在任何条件下都应该首先考虑边坡的截、防、排水设计，以降低地下水的渗透压力，抑制地表水的渗入，防止水压力对稳定性的影响。随开挖、随锚固、随防护也是边坡防护和加固工程设计施工的一条重要原则。3.4锚杆设计程序在完成相关工程的地质勘察后，对地质情况有了基本的了解，确定潜在滑移体的位置、规模、大小、形态等，然后对边坡的破坏方式进行判断，分析采用锚杆方案的可行性、安全性和经济性，确定所用方案可行以后，计算边坡作用在支档加固结构物上的侧压力，根据侧压力的大小方向以及边坡具体情况选择合适的锚杆类型，并确定锚杆布置形式、数量、承载力设计值，计算锚固钢筋截面尺寸、数量和选择材料。确定了锚固钢筋后，根据锚固钢筋承载力设计值进行锚固体直径、锚固段长度、注浆材料和工艺等的设计。若采用了预应力加载的形式，还应确定预应力张拉值和锁定值，和给出张拉程序。最后完成外锚头和防腐构造的设计，给出施工建议、试验、验收和监测要求。设计流程如图 8所示。对于常用的预应力和非预应力锚杆类型及有关参数，如表 2所示。表2常用锚杆类型选择表材料锚杆承载力设计值(kN)锚杆长度(m)应力类型备注X-JU|=t岩层锚杆钢筋（HRB335、HRB400）<450<16非预应力锚杆超长时，施工难度大钢绞线、高强钢丝500〜3000>10预应力锚杆超长时施工方便精轧螺纹钢筋400〜1100>10预应力或非预应力锚杆体防腐性好，施工安装方便

图8锚杆设计流程图锚杆的布置与安置角度原则上应根据实际地层的情况及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定，一般要求如下：（1） 锚杆上覆地层厚度不应小于4.0m以避开坡顶荷载的影响以及因采用高压注浆而是上覆土层隆起。（2） 锚杆水平与垂直间距宜大于1.5m以避免应力集中以及因群桩效应而降低锚固力。（3） 锚杆的安置角度应结合邻近状况、锚固地层位置和施工方法来设定，一般锚杆的俯角不小于15°,不大于45°。实际工程中再结合具体锚固位置选择合适的角度。对于预应力锚杆的安置角度也可按照以下方法综合确定最佳锚固角度。如图9所示，某一边坡的滑动斜面上有一块岩块，受到水的上举力 U和张裂隙中水力V的作用。安装一根与该面成［角拉力为T的锚杆，锚杆拉力T分解为由极限平衡条件得：WsinV-Tcos：二cA（Wcos-UTsin：）tan （2）上式表明，锚杆的张力减小了沿斜面向下的下滑力，增加了法向力即增加了岩块与斜面间的摩擦阻力。上式移项求T对1角的最小值：型=0，可得锚杆的d?最佳倾角：：二： （3）得到边坡的稳定系数：l_cA+(Wcos®-U+Tsin申)tan®F二Wsin®+V—Tcos申3.5锚杆锚固设计荷载锚杆锚固设计荷载应根据边坡的侧压力或推力大小以及支护结构的类型综合计算确定。首先应计算边坡的侧压力或推力，再根据支护结构的类型计算此边坡在规定的稳定系数下需要提供的支护力，由此支护力和预定的锚杆数量、布置形式就可以求出锚杆锚固的设计荷载。3.6锚杆钢筋设计确定了锚杆轴向设计荷载后，就需对锚杆进行结构设计：根据锚杆轴向设计荷载计算锚杆的锚筋截面并选择合适的钢绞线或钢筋配置锚筋；接着由锚筋的实际截面积和抗拉强度标准值计算锚杆的承载力设计值，进而进行锚杆体和锚固体的设计计算。（1）锚筋的截面面积计算锚杆的轴向拉力标准值和设计值由以下两式（5）、（6）计算:ak一Htkcos：=；'qNak锚杆的轴向拉力标准值和设计值由以下两式（5）、（6）计算:ak一Htkcos：=；'qNak(5)(6)式中：Nak——锚杆轴向拉力标准值（kN）；Na――锚杆轴向拉力设计值（kN）；Htk 锚杆受到的水平拉力标准值（kN）；: 锚杆倾角（°）;Q――可变荷载分项系数，取1.30,当可变荷载较大时按荷载规范确定。锚筋截面面积计算按式7）确定:(7)式中：As――锚杆钢筋或预应力钢绞线截面面积（m2）；；2――钢筋抗拉工作条件系数，永久性锚杆取 0.69,临时性锚杆取0.92；0――边坡工程重要性系数；y――钢筋抗拉强度设计值（kPa）（2）锚杆锚固体与地层的锚固长度计算锚固长度计算式为式8锚固长度计算式为式8)：(8)Nak

丁Dfrb(8)式中：la――锚固段长度（m）；D――锚固体直径（m）；frb――地层与锚固体粘结强度特征值（kPa），应通过试验确定，当无试验时可查阅相关资料；；1――锚固体与地层粘结强度工作条件系数，永久性锚杆取 1.00,临时性锚杆取0.92。（3）锚筋与锚固砂浆间的锚固长度计算锚筋与锚固砂浆间的锚固长度按式（9）计算式中：la――锚杆钢筋与砂浆间的锚固长度（m）；d――锚筋直径（m）；n――钢筋或是钢绞线的数量；0――边坡工程重要性系数；fb 钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（MPa），应通过试验确定，当无试验时可按表3取值；-3 钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，永久性锚杆取 0.60,临时性锚杆取0.72。n二dfb；3(9)表3钢筋、钢绞线与砂浆之间的粘结强度设计值 fb（MPa）锚杆类型水泥砂浆或水泥浆强度等级M25M30M35水泥砂浆与螺纹钢筋间2.102.402.70水泥砂浆与钢绞线、高强钢丝间2.752.953.4注：1.当采用二根钢筋点焊成束的做法时，粘结强度应乘 0.85折减系数;2•当采用三根钢筋点焊成束的做法时，粘结强度应乘 0.70折减系数。3.7锚杆弹性变形的计算锚杆的变形是由锚杆本身在外荷载作用下的变形和地层徐变引起的变形组成的。由徐变系数计算锚杆在不同时期的徐变位移从而得到地层徐变引起的锚杆变形；而锚杆本身在外荷载作用下的变形以弹性变形为主。锚杆弹性变形和水平刚度系数由锚杆试验确定，当无试验资料时，自由段无粘结的锚杆水平刚度系数 Kh计算式如下：Kh=^cos2： （10）lf式中：Kh——锚杆水平刚度系数（kN/m）；lf――锚杆无粘结自由段长度（m）；Es――锚杆体弹性模量（kN/m2）；A 杆体截面面积（m2）;:――锚杆倾角（°）。对于预应力岩石锚杆和全粘结岩石锚杆可按刚性拉杆计算。3.8锚头设计和锚杆的锁定荷载锚头的结构构造和形状尺寸应根据锚杆的设计荷载、工程地质条件、支挡结构好施工条件综合确定，并保证足够的强度和刚度，不能产生有害的变形以保证支护效果的稳定性。锚杆头部一般由台座、承压板和紧固器（紧固装置）三大部分组成。台座一般由钢筋混凝土结构制作，也可加以钢板辅助。承压板应由高强度的钢板制作，以防因锚杆的拉力过大而使之变形严重，承压板的外表面必须与锚杆垂直。设计时，台座应符合钢筋混凝土设计规范的相关要求，紧固器具和承压板应满足机械零件的相关设计要求。锚杆的锁定荷载指进行锚杆锁定时施加在锚杆上的预拉力，原则上可以按照锚杆设计轴向力（工作荷载）作为预应力值加以锁定，但在实际工程中应根据锚杆的使用目的和地层性状灵活调整。岩体加固和边坡抗滑的锚固，因岩体松散而施加的预应力以及边坡坡体结构完整性较好时， 可以以设计拉力值的100%作为锁定荷载。坡体地层是松散土质时，因土质松散，由张力引起的徐变和塑性变形较大，应由这些地点的张拉试验确定锁定荷载，通常这种情况下取锁定荷载为设计拉力值的50%〜80%。若设计的加固结构允许变形，锁定荷载根据设计条件取设计锚固力的50%〜70%。预计地层有较大徐变的情况，可先将锚杆张拉到设计拉力值的1.2〜1.3倍，然后再退到设计拉力值锁定，这样以减少地层徐变造成的预应力损失。当边坡具有崩滑性时，锁定荷载一般取为设计拉力值的 30%〜70%。3.9锚杆的防腐设计腐蚀定义为金属与环境之间的物理 化学相互作用。其结果使金属的性能发生变化，并可导致金属、环境或由它们组成的体系的功能受到损伤。锚杆是金属材料，它会受到周围的环境介质的腐蚀，影响其腐蚀的因素除了自身的物理化学性质、地下水和地层的水化和电学性质外，地层的化学成分对腐蚀的形成和发展影响也很大。特别是当地层中存在钠盐、钙盐和镁盐时会加快腐蚀速度，而且这些盐类的的可溶性高，易于分解在水中，为锚杆金属与周围介质提供有利的电化学反应环境。因此，进行锚杆的防腐设计，应充分调查腐蚀环境：包括地层的化学成分、含水量、地层的有效电阻、地下和地表水化学成分和导电性、 PH值等物理化学性质。选择的防腐方法应适应锚杆的使用目的，对锚杆的锚头、自由段和锚固段分别采用不同的防腐结构设计。永久性锚杆必须进行双层防腐，临时性锚杆可采用简单防腐，但腐蚀环境严重时也应采取双层防腐。（1）锚固体防腐一般腐蚀性环境中的永久性锚杆，其锚固段经除锈后可不作特殊处理，采用水泥砂浆或水泥浆密封防腐，但杆体应使用对中定位器使其对中，保证水泥砂浆保护层厚度不小于25mm。严重腐蚀环境中的永久性锚杆，其锚固段内杆体宜用波纹管外套，管内空隙用环氧树脂或是砂浆体充填。临时性锚杆，如无特殊要求时一般其锚固段采用水泥砂浆封闭防腐，保护层厚度不小于 10mm。自由段防腐防腐构造不能对锚杆杆体的自由伸长有影响。临时性锚杆的自由段杆体可涂润滑油或防腐漆再包裹塑料布等简易防腐措施。对永久性锚杆自由段杆体表面宜涂润滑油或防腐漆，然后包裹塑料布，在塑料布上再涂润滑油或防腐漆，最后装入塑料套管中形成双层防腐。为防地表水浸入锚杆，也可在经过上述处理后，用水泥砂浆充填自由段的空隙。锚头防腐锚头是地表水浸入锚杆的最危险通道，因此，除了对锚头零部件进行防腐外,还应注意封堵隔离地表水。永久性锚杆的承压板一般涂敷沥青，一次灌浆硬化后承压板下部残留空隙，需再次充填水泥浆或润滑油，如锚杆不再张拉，则锚头涂以润滑油、沥青后用混凝土封闭，若需要再次张力，则采用盒具密封，盒具的空腔内须用润滑油充填。临时性锚杆的锚头宜采用沥青防腐。4边坡工程锚固施工锚固工程施工是锚固工程的实施，是实现设计者设计意图的关键，其好坏直接影响到边坡工程的锚杆的承载能力和边坡工程的稳定性。施工前必须对工程地质条件、锚固工程设计资料、材料设备等进行充分的研究，选择出相对合适的施工方法，施工过程中如遇与设计不符的地层，施工技术人员应及时报告设计人员以作变更处理。锚杆施工主要内容有：施工准备、钻孔、锚杆制作与安装、注浆、锚杆张拉和锁定等。4.1施工前的准备施工前的准备过程包括施工前的调查和施工组织设计。其调查是为施工组织设计提供必要资料，主要包括查看资料是否齐全，对周边的交通是否有影响，水电状况，对周边临近建筑、地下管线的不良影响并制定想定的预防措施，考虑施工噪音、排污对周边环境的影响，了解作业限制、环保法令或地方法令对施工的影响等。调查完成后就硬制定施工组织设计，确定施工方法、施工工艺程序、使用机械设备、劳动组织、工程进度以及安全管理措施等事项。施工组织设计书包括工程目的、工程概况、规划和设计条件、工程进度、组织安排表、机械设备、临时设施、材料参数、作业程序及人员配备、施工管理与质量控制、安全管理工程验收的技术资料、施工管理程序图标等内容。4.2钻孔钻孔是锚杆施工的第一步，是锚固工程费用最高、控制工期的作业，如果钻孔速度慢，直接影响到工程进度和经济成本，若钻孔质量差，又会影响到整个锚固施工后续工作的质量因此，锚杆钻孔应满足设计要求的直径、深度、倾角等，采用适宜的钻孔方法确保精度，以保证后续工作的顺利进行。一般要求有：在钻机安放前，按照施工图采用经纬仪测量放线确定空位和钻孔方向角并保证相应的精度；标记好钻孔后根据实际地层及钻孔方向选取合适的钻孔机具并确定其方位角以方便施工；在钻孔的过程中应有岩芯的拾取并尽量提高岩芯采取率，因为岩芯采取率是准确划分地层、确定不稳定岩土体厚度、判断断裂破碎带、滑移面、软弱结构面的位置和厚度的直接依据，从而验证地勘资料的准确性。钻孔深度应超过设计长度0.5〜1.0m,同时锚孔锚固段必须进入中风化或更坚硬的岩层中，深度一般不得小于5.0m。锚孔施工的规定：锚孔定为偏差不宜大于20mm；锚孔偏斜度不应大于5%;钻孔深度超过设计长度不应小于0.5m。钻孔机械应考虑钻孔通过的岩土类型、成孔条件、锚固类型、地形条件、现场环境、施工速度和经济性等因素。4.3锚杆制作与安装锚杆制作中，棒式锚杆的制作很简单，一般先按照要求的长度切割钢筋，并在外露端加工成螺纹以便安放螺母，然后再杆体上每隔 2〜3m安放隔离间以使杆体在孔中剧中，最后对杆体进行防腐处理。对于多股钢绞线的锚杆制作较复杂，它往往是由数十根的高强钢丝编集成束作为锚杆，其要求为：首先钢丝必须经过质量检查、除油除锈，并保证各根钢丝平顺不交叠，然后沿轴线方向每隔1.0〜1.5m设置一隔离架并使钢丝间有一定的间隙，以保证灌浆是将空隙充填密实，最后应按照防腐设计要求进行相应的防腐处理。锚杆安装规定为：杆体放入钻孔前，应检查杆体质量，确保杆体符合设计要求；安放杆体时应防止杆体弯曲，注浆管宜通锚杆一起放入钻孔，注浆管头部距孔底宜为50〜100,mm，锚杆放入角度应与钻孔角度一致；杆体插入孔内深度不应小于锚束长度的 95%，锚杆放入后不得随意敲击，不能悬挂重物。4.4锚杆注浆锚杆注浆一般使用的材料为水泥浆或水泥砂浆，浆液材料的性能质量、搅拌质量、灌注工艺直接影响锚杆的粘结强度和防腐效果。因此，锚杆注浆施工也是确保施工质量的关键环节，应严格把关。首先按照规定选择水泥浆体材料，然后确保锚固浆液在28d龄期后的抗压强度达到设计强度等级，最后便是注浆施工了。注浆前应对锚孔进行清洗排除残渣和污水，浆液确保搅拌均匀，注浆作业应连续紧凑，中途若有较长时间的中断，在再作业时宜用水或稀水泥浆润滑注浆泵及注浆管线。注浆过程中边注浆边提注浆管，保证注浆管头插入浆液液面下50〜80mm，当孔口溢出浆液或排气管停止排气时，可停止注浆。对于二次高压注浆形成连续球型锚杆的注浆应特别注意：一次常压注浆作业从孔底开始至孔口溢出浆液；止浆密封装置的注浆应待孔口溢出浆液后进行，注浆压力不宜低于 2.5MPa；对锚固体的二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到 5.0MPa时进行，注浆压力和注浆时间可根据锚固体的体积确定，并分段由下至上进行。4.5锚杆的张拉和锁定锚杆的张拉，就是通过张拉机械式锚杆杆体自由段产生弹性变形，从而对锚固结构施加预应力。在张拉过程中应注重张拉机具的选择、标定、安装、张拉荷载分级施加、锁定荷载以及量测精度等方面的控制，一般要求为： （1）张拉设备应根据锚杆体的材料和锁定荷载的大小进行选择； （2）张拉前对张拉设备进行标定，如对于1000kN以下的千斤顶，可用2000kN的压力机标定，标定数据与理论出力不应小于2%；（3）安装锚夹具前，要对锚具逐个检查；（4）张拉前，必须等锚固段、承压台等构件的混凝土强度达到设计强度才能进行张拉，同时必须吧承压支撑构件表面整平，安装好台座、锚具，并保证和锚索轴线方向垂直； （5）张拉应按一定的程序和设计张拉速度进行，正式张拉前进行两次预张拉，张拉力为设计值的10%〜20%,正式张拉时张拉荷载要分级逐步进行，不能一次加至锁定荷载。5锚杆试验与监测由于通过给锚杆施加预应力荷载锁固于岩体中来增加岩体的抗滑力或减小滑动力，达到稳定岩体的目的。但是，预应力会随着岩体的变形而变化，即使在张拉初期，预应力也会有一定的损失，在长久的使用过程中预应力更是会随着岩体中国温度、岩体蠕变、地下水影响及钢材松弛等因素的变化而变化。由于地质条件、材料、施工等因素的影响更是增加了预应力损失的积累。此外，锚杆在复杂的工作环境中还受到荷载作用、突发性外界因素的影响而导致损伤积累，进而导致粘结破坏、锚固件拉断、剪切破坏等各种形式的失效。因此，锚杆的试验和监测是锚固工程不可缺少的重要环节。锚固工程试验主要有基本试验、验收试验、蠕变试验等。其目的是为了确定锚杆的极限承载力，验证锚杆设计参数、施工方法和工艺的合理性，检验锚固工程施工质量或了解锚杆在软弱地层中工作的变形特征，同时亦为确定锚杆受力的变化量和锚杆的蠕变量，以利于提高设计水平或开发更具经济价值及安全可靠性的锚杆和施工工艺方法。锚固工程试验的一般要求：对于土层锚杆，锚固体以及混凝土墩台的的强度都应大于15.0MPa才可进行锚杆试验；对于嵌入岩层中的粘结型水泥砂浆锚杆，其锚固体、相应的混凝土台座和外锚头强度应大于 20.0MPa才可进行锚杆试验：锚杆试验所用的加载装置、反力装置和量测仪器应满足相应的试验要求。锚杆的验收试验是在锚固工程完工后为了检验锚杆是否达到设计要求而进行的检验性抗拔试验目的在于鉴别工程锚杆是否符合实际要求并可以即使发现锚杆在设计施工中的缺陷。通常验收试验锚杆的数量应不少于锚杆总数的 5%，且一个