《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

挡土结构与基坑工程

木林隆博士岩土大楼820室65982005第7讲土层锚杆结构设计与施工概述常用锚杆类型锚杆内的荷载传递锚杆的设计锚杆的施工锚杆的分类概述锚杆支护作为一种支护方式，与传统的支护方式有着根本的区别，传统的支护方式常常是被动地承受坍塌岩体土体产生的荷载，而锚杆可以主动地加固岩土体，有效地控制其变形，防止坍塌的发生。锚杆全长黏结型锚杆端头锚固型锚杆摩擦型锚杆其他型锚杆普通水泥砂浆锚杆早强水泥砂浆锚杆树脂卷锚杆水泥卷锚杆机械式锚固黏结式锚固缝管式(全长摩擦型)自钻式锚杆楔管式(全长摩擦型)中空注浆锚杆土中打入式锚杆楔连式胀壳式侧楔式树脂卷式快硬水泥式锚杆支护的作用原理概述锚杆是将受拉杆件的一端（锚固段）固定在稳定地层中，另一端与工程构筑物相联结，用以承受由于土压力、水压力等施加于构筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持构筑物（或岩土层）的稳定。锚固作用原理，可归纳为两种不同的理论：一种是建立在结构工程概念上，其基本特征是“荷载―结构”模式。一种是岩层锚杆，是建立在岩体工程概念上，充分发挥围岩的自稳能力，防围岩破坏于未然。软土岩石概述锚杆支护的特点提供开阔的施工空间，极大地方便土方开挖和主体结构施工。锚杆施工机械及设备的作业空间不大，适合各种地形及场地。对岩土体的扰动小；在地层开挖后，能立即提供抗力，且可施加预应力，控制变形发展。锚杆的作用部位、方向、间距、密度和施工时间可以根据需要灵活调整。用锚杆代替钢或钢筋混凝土支撑，可以节省大量钢材，减少土方开挖量，改善施工条件，尤其对于面积很大、支撑布置困难的基坑。锚杆的抗拔力可通过试验来确定，可保证设计有足够的安全度。概述锚杆的发展与现状锚杆支护于19世纪末20世纪初初现雏形，1950年代中期，在国外的隧道中开始广泛使用小型永久性的灌浆锚杆喷射混凝土代替以往的隧道衬砌结构。1970年代开始，国外许多大城市修建地下车站或地下建筑物时，大量采用锚杆与地下连续墙联合支护。锚杆支护技术于1960年代引进我国。1.应用领域和规模不断扩大2.相关规范标准逐渐完善3.对岩土锚固效应与荷载传递方式的研究取得了很多有价值的成果4.各种新型锚杆在工程实践中得到大量开发、应用5.锚杆的承载力水平大幅度提高6.施工机械、施工工艺不断发展常用锚杆类型拉力型锚杆和压力型锚杆在同等荷载条件下，拉力型锚杆固定段上的应变值要比压力型锚杆的大。但是，压力型锚杆的承载力受到灌浆体抗压强度的限制，如仅采用一个承载体，则承载力不太高。常用锚杆类型单孔单一锚固与单孔复合锚固单孔单一锚固在一个钻孔中只安装一根独立的锚杆，尽管可由多根钢绞线或钢筋构成锚杆杆体，但只有一个统一的自由长段和锚固长度。会出现严重的应力集中现象。其锚固体在工作时受拉，易开裂，为地下水的渗入提供通道，对防腐极其不利，严重影响锚杆的使用寿命。单孔复合锚固单孔复合锚固体系是在同一钻孔中安装几个单元锚杆，而每个单元锚杆均有自己的杆体、自由长度和锚固长度，而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加，并通过预先的补偿张拉（补偿每个单元在同等荷载下因自由长度不等而引起的位移差）而使所有单元锚杆始终承受相同的荷载。常用锚杆类型扩张锚根固定的锚杆采用扩张锚根的方法来提高锚杆承载力是十分有效的。其摩阻面积的增大对提高承载力有一定作用，但更主要的是突出部分的地层对锚杆拔出的抗力。扩张锚根固定的锚杆主要有两种形式：一种是仅在锚根底端扩张成一个大的扩体，称为底端扩体型锚杆；一种是在锚根（锚固体）上扩成多个扩体，称为多段扩体型锚杆。常用锚杆类型可回收锚杆可回收锚杆是指用于临时性工程加固的锚杆，在工程完成后可回收预应力钢筋。可回收锚杆施工使用经过特殊加工的张拉材料、注浆材料和承载体，可分为以下三类：机械式可回收锚杆化学式可回收锚杆力学式可回收锚杆锚杆内的荷载传递从杆体到灌浆体的荷载传递黏着力机械联锁摩擦力锚杆内的荷载传递各类岩土层中锚杆的荷载传递特点岩石中的锚杆锚杆灌浆体与锚杆孔壁岩石间的黏结力取决于岩石与灌浆体的强度、孔壁的粗糙度及清孔质量。随着锚固长度的增大，所要求的黏结强度就会按比例降低。砂性土中的锚杆砂性土的锚杆，灌浆体与土体的黏结强度通常大于土体的抗剪强度。这是由于水泥浆的渗透，使实际的锚固体直径大于钻孔的直径；同时，由于水泥浆的高压渗透的使得锚固体表面产生横向压力，提高了土体与锚固体间的摩擦力。锚杆内的荷载传递各类岩土层中锚杆的荷载传递特点粘土中的锚杆黏性土中锚杆锚固体与黏土的平均摩阻力随土的强度增加和塑性减小而增加，随锚固长度增加而减小。在进行二次或多次灌浆后，水泥浆液在锚固段周边土体中渗透、扩散，形成水泥土，提高了土体的抗剪强度和锚固体与土的摩阻力。灌浆压力越高、灌浆量越大，则锚固体与土之间的摩阻力增加幅度越大。锚杆的设计规划与设置单根锚杆设计拉力的确定单根锚杆的设计拉力需根据施工技术能力、岩土层分布情况等因素来确定。锚杆位置的确定锚杆的锚固区应当设置在主动土压力楔形破裂面以外，锚固段需设置在稳定的地层以确保有足够的锚固力，一般要求锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4m。锚固体设置间距锚杆间距应根据地层情况、锚杆杆体所能承受的拉力等进行经济比较后确定。锚杆的水平间距不宜小于1.5m，上下排垂直间距不宜小于2m。锚杆的设计规划与设置锚杆的倾角一般采用水平向下15°-25°倾角，不应大于45°。锚杆水平分力随锚杆倾角的增大而减小。倾角太大将降低锚固的效果，而且作用于支护结构上的垂直分力增加，可能造成挡土结构和周围地基的沉降。为有效利用锚杆抗拔力，最好使锚杆与侧压力作用方向平行。锚杆的层数锚杆层数根据土压力分布大小、岩土层分布、锚杆最小垂直间距等而定，还应考虑基坑允许变形量和施工条件等综合因素。锚杆的设计规划与设置锚杆自由长度的确定锚杆自由长度的确定必须使锚杆锚固于比破坏面更深的稳定地层上，以保证锚杆系统的整体稳定性；使锚杆能在张拉荷载作用下有较大的弹性伸长量，不致于在使用过程中因锚头松动而引起预应力的明显衰减。不宜小于5m并应超过潜在滑裂面1.5m。锚杆杆体筋材的设计锚杆的设计规划与设置锚杆的安全系数锚杆设计中应考虑两种安全系数：对锚固体设计和对杆体筋材截面尺寸设计的安全系数。锚杆杆体筋材截面尺寸设计安全系数，临时锚杆为1.6，永久锚杆为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锚杆的设计杆体材料强度高较好的塑性和良好的加工性能耐腐蚀性好，尤其是对永久性锚杆几何尺寸误差小，便于控制预加应力钢绞线要求伸直性好，便于穿索，有利施工，在不绑扎的情况下切断应不易松散锚杆杆体材料的基本要求锚杆的设计锚固体设计用机械装置把锚索固定在坚硬稳定的地层中；用注浆体把锚固段锚杆体与孔壁黏结在一起；用扩大锚头钻孔等手段把锚固段固定在稳定地层中。锚固方法破坏形式沿着锚杆体与注浆体接合处破坏；沿着注浆体与地层接合处破坏；由于埋入稳定地层中的深度不够而使地层呈锥体状剪坏；由于锚杆体强度不足而出现断裂破坏；锚固段注浆体被压碎或破裂；整体支护力不够而出现锚杆群的破坏。锚杆的设计锚固体设计锚杆设计应在调查、试验、研究的基础上，充分考虑锚固区地层的工程地质、水文地质条件和工程的重要性。在满足工程使用功能的条件下，应确保锚固设计具有安全性和经济性。确保锚杆施加于结构或地层上的预应力不对结构物本身和相邻结构物产生不利影响，锚固体产生的位移应控制在允许范围内。永久锚杆的有效寿命不应小于被加固结构物的服务年限。设计采用的锚杆均应在进行锚固性能试验后才能用于工程加固。锚固设计结果与试验结果有较大差别时，应在调整锚固设计参数后重新进行试验。锚固设计的一般要求锚杆三的设三计锚固三体设三计锚杆三锚固三体的三设计圆柱三状锚三固体锚杆三的设三计锚固三体设三计锚杆三锚固三体的三设计扩体三型锚三固体砂土粘土锚杆三的设三计锚杆三支护三系统挡土三墙应三力分三析一般三挡墙三只要三考虑三弯矩三、剪三力，三而锚三杆工三程的三挡土三壁需三要考三虑弯三矩、三剪力三和轴三力。挡土三壁断三面计三算按一三般要三求进三行断三面计三算。腰梁三设计以锚三杆位三置作三为支三点，三对上三述荷三载可三按简三支梁三进行三弯矩三及剪三力计三算。锚杆三的设三计调查作用三于侧三壁上三土压三力计三算锚杆三配置三，角三度的三决定土质三柱状三图、三土质三试验附近三建筑三物状三况锚固三地层三的位三置锚杆三力的三确定锚杆三体的三设计锚杆三的种三类、三安全三系数锚杆三的直三径，三锚固三层c三、α2-三3根三现场三拉拔试三验验三证锚杆三长度三的决三定侧壁三构筑三物整三体稳定三性计三算张拉三材料三的设三计、三检验初期三拉紧三力确三定锚杆三头部三确定侧壁三内部三和外三部的稳定三，群锚三效应三蠕变否否锚杆三的施三工钻孔在黏三性土三钻孔三最合三适的三是带三十字三钻头三和螺三旋钻三杆的三回转三钻机三。在松三散土三和软三弱岩三层中三，最三适合三的是三带球三形合三金钻三头的三旋转三钻机三。在坚三硬岩三层中三的直三径较三小钻三孔，三适合三用空三气冲三洗的三冲击三钻机三。钻直三径较三大钻三孔，三需使三用带三金刚三石钻三头和三潜水三冲击三器的三旋转三钻机三，并三采用三水洗三。应根三据地三层类三型和三钻孔三直径三、长三度以三及锚三杆的三类型三来选三择合三适的三钻机三和钻三孔方三法。锚杆三的施三工锚杆三杆体三的制三作与三安装钢筋三锚杆三的制三作相三对比三较简三单，三按设三计预三应力三筋长三度切三割钢三筋。钢绞三线通三常为三一整三盘方三式包三装，三宜使三用机三械切三割，三不得三使用三电弧三切割三。压力三分散三型锚三杆采三用无三黏结三钢绞三线、三特殊三部件三和工三艺加三工制三作。可重三复高三压灌三浆锚三杆采三用环三轴管三原理三设置三注浆三套管三和特三殊的三密封三及注三浆装三置。杆体三制作锚杆三的施三工锚杆三杆体三的制三作与三安装锚杆三的安三装锚杆三一般三由人三工安三装，三对于三大型三锚杆三有时三采用三吊装三。锚头三的施三工锚具三、垫三板应三与锚三杆体三同轴三安装切割三锚头三多余三的锚三杆体三宜采三用冷三切割三的方三法，三锚具三外保三留长三度不三应小三于10三0m三m打筑三垫墩三用的三混凝三土标三号一三般大三于C3三0锚杆三的施三工注浆三体材三料与三注浆三工艺水泥三浆成三分灌注三锚杆三的水三泥浆三通常三采用三质量三良好三新鲜三的普灌注锚杆的水泥浆最适宜的水灰比为0.4~0.45注浆三工艺水泥三浆采三用注三浆泵三通过三高压三胶管三和注三浆管三注入三锚杆三孔通常三采用三挤压三式或三活塞三式两三种注三浆泵注浆三常分三为一三次注三浆和三二次三高压三注浆三两种三注浆三方式锚杆三的施三工张拉三锁定锚具用于三锁定三预应三力钢三丝的三墩头三锚具三、锥三形锚三具用于三锁定三预应三力钢三绞线三的挤三压锚三具用于三锁定三精轧三螺纹三钢筋三的精三轧螺三纹钢三筋锚三具用于三锁定三中空三锚杆三的螺三纹锚三具用于三锁定三钢筋三的螺三丝杆三锚具锚杆三的锚三头用三锚具三通过三张拉三锁定三，锚三具的三类型三与预三应力三筋的三品种三相适三应锚杆三的施三工张拉三锁定垫板锚杆三用垫三板的三材料三一般三为普三通钢三板，三外形三为方三形，三其尺三寸大三小和三厚度三应由三锚固三力的三大小三确定三。张拉当注三浆体三达到三设计三强度三的80三%后可三进行三张拉三。采三用单三根预三张拉三后再三整体三张拉三的施三工方三法，三可以三大大三减小三应力三不均三匀现三象。（1）根三据锚三杆类三型及三要求三，可三采取三整体三张拉三、先三单根三预张三拉然三后整三体张三拉或三单根-对称-分级三循环三张拉三方法三；（2）采三用先三单根三预张三拉然三后整三体张三拉的三方法三时，三锚杆三各单三元体三的预三应力三值应三当一三致，三预应三力总三值不三宜大三于设三计预三应力三的10三%，也三不宜三小于5%；（3）采三用单三根-对称-分级三循环三张拉三的方三法时三，不三宜少三于三三个循三环，三当预三应力三较大三时不三宜少三于四三个循三环；锚杆三的施三工张拉三锁定张拉（4）张三拉千三斤顶三的轴三线必三须与三锚杆三轴线三一致三，锚三环、三夹片三和锚三杆张三拉部三分不三得有三泥沙三、锈三蚀层三或其三他污三物；（5）张三拉时三，加三载速三率要三平缓三，速三率宜三控制三在设三计预三应力三值的0.三1/三mi三n左右三，卸三荷载三速率三宜控三制在三设计三预应三力值三的0.三2/三mi三n；（6）在三张拉三时，三应采三用张三拉系三统出三力与三锚杆三体伸三长值三来综三合控三制锚三杆应三力，三当实三际伸三长值三与理三论值三差别三较大三时，三应暂三停张三拉，三待查三明原三因并三采取三相应三措施三后方三可进三行张三拉；（7）预三应力三筋锁三定后48三h内，三若发三现预三应力三损失三大于三锚杆三拉力三设定三值的10三%，应三进行三补偿三张拉三。锚杆三的施三工张拉三锁定张拉（8）锚三杆的三张拉三顺序三应避三免相三近锚三杆相三互影三响。（9）单三孔复三合锚三固型三锚杆三必须三先对三各单三元锚三杆分三别张三拉，三当各三单元三锚杆三在同三等荷三载条三件下三因自三由长三度不三等引三起的三弹性三伸长三差得三到补三偿后三，方三可同三时张三拉各三单元三锚杆三。先三张拉三最大三自由三长度三的单三元锚三杆，三最后三张拉三最小三自由三长度三的单三元锚三杆，三再同三时张三拉全三部单三元锚三杆。（10）为三了确三保张三拉系三统能三可靠三的进三行张三拉、三其额三定出三力值三一般三不应三小于三锚杆三设计