第五章锚固技术

2023/9/21锚固(杆)技术定义

锚固(杆)技术是将受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，另一端与工程建筑物相联结，用以承受由于土压力、水压力或风压力等所施加于建筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持建筑物(或岩土层)的稳定。

在20世纪50年代以前，锚固(杆)技术只作为施工过程中的一种临时措施，例如临时的螺旋地锚以及采矿工业中的临时性木锚杆或钢锚杆等。50年代中期以后，在国外的隧道工程中开始广泛采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝土代替过去的隧道衬砌结构。60年代以后，锚杆技术迅速发展并广泛应用到土木工程的许多领域中。广泛用于铁路、公路、码头护岸和桥台。作为经济有效的加固措施，锚杆技术已大量用于基坑护壁、地下厂房、隧洞、船坞、水坝加固和边坡加固等工程。2023/9/22

锚固技术已发展出多种不同的类型。在天然地层中的锚固方法以钻孔灌浆的方法为主；其受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝束和钢铰线等三种不同类型；施工工艺有简易灌浆、预压灌浆及许多特殊的专利锚固灌浆技术。在人工填土中的锚固方法有锚定板和加筋土两种方式。单层锚定板应用于码头板桩墙，已有百年历史，我国铁路于70年代研究采用的多层锚定板结构则将锚定板的应用技术发展到一个新的阶段。加筋土60年代始于法国，它不同于一般的锚固技术，但在原理和所解决的问题两方面有相似之处。2023/9/232023/9/242023/9/25二、锚杆的承载机理1、锚杆的构造锚固体、拉杆及锚头2023/9/26（１）锚杆头部:锚杆头部是构造物与拉杆的连接部分台座构造物与拉杆方向不垂直时，需要用台座作为拉杆受力调整的插座，并能固定拉杆位置，防止其横向滑动和有害的变位。台座用钢板或混凝土做成。承压垫板为使拉杆的集中力分散传递，并使紧固器与台座的接触面保持平顺，粗钢筋必须与承压垫板正交，一般采用20一40mm厚的钢板。紧固器拉杆通过紧固器的作用，将其与垫板、台座、构造物贴紧并牢固联结。如拉杆的材料采用粗钢筋，则在拉杆端部焊螺丝端秆，用螺母或专用的联接器作为紧固器。为了减少螺丝端杆加工的工作且，必要时也可直接采用焊接的方法。如用钢铰线等，则需用公锥及锚销等零件。2023/9/27锚杆的构造2023/9/28（２）拉杆拉杆是锚杆的中心受拉部分，从锚杆头部到锚固体尾端的全长即是拉杆的长度。拉杆的全长L实际上包括有效锚固长度和非锚固段长度两部分，即：

L＝Le十Lo式中；L——拉杆的全长(m)；Le——有效锚固段长度(m)；Lo——非锚固段长度(m)。

有效锚固段长度即锚固体长度，主要根据每根锚杆需承受多大的抗拔力来决定。非锚固段长度也称自由长度，按构造物与稳定地层之间的距离来决定。(３)锚固体

锚固体是锚杆尾端的锚固部分，通过锚固体与土之间的相互作用，将力传递给地层。锚固力能否足够保证构造物的稳定要求是锚杆技术成败的关键。（三个类型：摩擦型、承压型、复合型）2023/9/29摩擦型在已钻好的孔内插入钢筋并灌注浆液，使形成一柱状的锚固体，这种锚杆通常称为灌浆锚杆。在实际的施工中，有时采用压力灌浆，因此实际的锚固体一般要比设计的锚固体大。柱状锚固体周表面与土层之间的摩擦力将来自拉杆的拉力传递给地层。F》Q承压型锚固体有一个支承的面，支承型的锚固体一部分或大部分是局部扩大，所以锚杆的拉力与其说是依靠锚固体与土之间的摩擦，不如说是依靠作用于锚固体的被动土压力来获得支承，亦即锚固体的支承机理是F《Q。2023/9/210复合型复合型锚杆的支承方式比较复杂，实际上是摩擦力及支承力两者兼而有之，共同承担。可以认为，摩擦力与支承力的大小近似相等(F=Q)属于此种型式。2023/9/211灌浆锚杆的工作原理

锚固段受力时，拉力Ti首先通过拉杆周边的砂浆握固应力u传递到砂浆中，然后再通过锚固段钻孔周边的地层摩擦阻力τ而传到锚固地层中。因此，拉杆如受到拉力的作用，除了钢筋本身需要足够的截面积A承受拉力外，即Ti

＝pi*A(pi为钢筋单位面积上的应力)，锚杆的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件。(1)锚固段的砂浆对于拉杆的握固力需能承受极限拉力(2)描固段的地层对于砂浆的摩擦力需能承受极限拉力(3)锚固的土体在最不利的条件下需能保持整体稳定性2023/9/2123、灌浆描杆的抗拔力(p212)

岩层中的砂浆握固力照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的摩擦阻力τ一般大于砂浆的握固应力u。因此，岩层锚杆的极限抗拔力(Tu岩)和最小锚固长度一般取决于砂浆的握固应力，因此Tu岩≥πdLeu式中：d—拉杆的直径(m)；Le—锚秆的有效锚固长度(m)；u—砂浆对于拉杆的平均握固应力（KN/m2）Ti-Ti+1=πdLiui2023/9/213锚固段孔壁的抗剪强度

在风化层和土层中，锚杆的极限抗拔力τ取决于锚固段地层对砂浆所能产生的最大摩擦阻力：Tu＝πDLeτ式中：D—锚杆的直径(m)；Le—锚秆的有效锚固长度(m)；τ—砂浆对于拉杆的平均握固应力（KN/m3）除取决于地层特性外，锚杆的极限抗拔力还与施工方法、灌浆质量有关，需要根据抗拔试验得出的统计数据参考使用Tu＝πDLe

τ≥πdLeuDτ≥

du2023/9/214三、锚杆的施工技术施工前需要了解：(P215)

施工地段地形地质情况、地层性状、地下水的状态、地下埋设管道、障碍物的的情况、邻近建筑情况等。

锚杆的施工包括施工准备、锚杆孔的钻凿、锚杆的制作和安放、注浆、锚杆的拉张和锁定等环节。１、施工准备平整场地、选定设备（钻孔机械、拉张机具）、准备材料、通水通电等。２、成孔工艺（锚杆孔的钻凿）

对于所有锚杆孔的施工工程来说，一般淮则是选择一种方法使其对周围土层产生的扰动最小。这种扰动可能由于使用高的冲洗压力引起水力劈裂或是土体的损失所造成。锚杆的成孔应满足设计要求的孔径、长度和倾向，采用适宜的钻孔方法确保精度，使其后续杆体插入和注浆作业能顺利进行。2023/9/215一般要求

(1)在钻孔过程中，对锚固区段的位置和岩土分层厚度进行验证，如计划的锚固地层过分软弱，则要采取注浆加固或变更锚固地层。

(2)根据不同的岩土条件，应选用不同的钻机和钻孔方法，以保证在杆体插入和注浆过程中孔壁不至于塌陷；钻机直径符合设计要求，以使孔壁不至于过分扰动。

(3)钻孔以清水为好，膨润土悬浊液和泥浆水都会减弱锚杆的锚固力，应避免使用。钻孔用水对周边地基和锚固地层地基有不良影响时，应考虑无水钻孔法。(4)锚固长度区段内的孔壁有沉渣或粘土附着，会使锚杆锚固力下降，因此要求清水充分清洗孔壁。(5)施工过程中若有地下水从钻孔内流出，必要时采取注浆堵水，以防止锚固段浆液流出而影响锚杆的锚固力。(6)可采用透水试验或从钻孔时送入水的回流情况判断地层的透水强度。(7)对于滑坡整治和斜坡稳定等工程，钻孔水会产生不良影响，可采用固结灌浆以改良地层，或采用无水钻孔法。2023/9/216钻孔精度

钻孔精度视结构物的重要程度和使用目的有所不同。钻孔过程中，应经常检查钻孔的垂直度，一般偏离钻孔轴线的误差为钻孔长度的2％。按照国家规范。３、钻孔机械和钻孔方法

锚杆孔一般分为两类，一类是荷载较小的短锚杆的钻孔，另一类是传递较大拉力的长锚杆的钻孔。

(1)小直径短锚杆的钻孔在岩石上钻凿短锚杆的钻孔(孔径小于45mm，长度小4.0m)，一般采用气动冲击钻机。

(2)大直径长锚杆的钻孔承载力大的锚杆一般要求采用大直径(60-168mm)的深钻机(5-50m)。可以用冲击钻、旋转钻或两者相结合的方式来钻凿长的锚杆孔。应当根据岩土类型、钻孔直径和长度、接近锚固工作面的条件、所用冲洗介质的种类以及锚杆类型和所要求的钻进速度来选择合适的钻机。2023/9/217

在土层中钻孔，其钻进方式一般采用回转式、冲击回转式和回转冲击反循环式。目前国内土锚工程中采用的钻机主要有：日本矿研株式会社RPD型钻机,德国克虏伯公司DHR80A钻机,意大利WORTHINGTON公司WD101型钻机,冶金部建筑研究总院研制的YTM87型土锚钻机,地矿部机械电子研究所研制的土星-881L型钻机等。４、锚杆孔的扩孔方法

为了增大锚杆的承载力，有时需要对钻孔深处的端部进行扩孔处理。可通过专门的扩孔机具或在孔内放入少量炸药进行扩孔，扩孔的方法有；机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔。2023/9/2182023/9/219３、锚杆杆体的制作与安放(1)锚杆杆体的制作(P221)锚杆材料的确定取决于锚固工程对象、锚杆承载力、锚杆长度、数量及现场提供的施加应力及锁定的设备。锚杆材料可用普通钢筋、精轧螺纹钢筋和高强钢丝、钢铰线。①棒条锚杆的制作棒条锚杆的制作，一般按锚杆要求的长度切割钢筋，并在杆体外端加工成螺纹以便安放螺母，在杆体上每隔2－3m安放隔离件，以使杆体在孔内居中，保证有足够的保护层。②多股钢铰线锚杆的制作锚固段的钢铰线呈波浪形，是通过夹紧环与扩张环(隔离环)的交替设置而成的。隔离环它同时具有两种功能，既能使钢铰线分离，使之周边有足够的水泥浆粘附，又能保证所需的保护层厚度不小于20mm。隔离环的间距为1.0-1.5m。2023/9/2202023/9/2212023/9/222永久性预应力锚杆(索)与临时性预应力锚杆(索)的主要区别是：用塑料波形管对锚固段进行封闭，波形管与杆体间用灰浆或树脂充填，并借助波形管粗糙的外表面使它与周围的灰浆有可靠的粘结。这样，即使在杆体施荷以后，波形管外表面的灰浆体出现横向裂缝，也不会再有危险，因为它被完好的波形管保护着。国内目前使用的永久性预应力锚秆(索)采用波形管的仍不多。③多根钢丝锚杆的制作

首先将钢丝校直并切割成要求的长度，然后借助带孔的金属分线板将钢丝按层次布置好，并在每隔0.5-1.0m处接合在一起。制作过程中，最重要的是钢丝就位，因为放置的钢丝若在全长上不是相互平行的，就不能利用钢丝的截面，而且会降低钢丝的强度。2023/9/223(2)锚杆杆体的安放

在一般情况下锚杆杆体与液浆管同时插入钻孔底部，尤其对于土层锚杆，要求钻孔完后立即插人杆体。插入时将锚杆有支架一面向下方，若钻孔时使用套管，则在插入杆体后浆后再将套管拔出。若是用风钻钻出的小口径锚杆孔，则要求灌浆后再插入杆体。4、注浆材料与工艺

锚杆通常用水泥浆或水泥砂浆将锚杆与地层固定并对锚杆加以保护。锚杆的粘结强度和防腐效果在很大程度上取决于拌合料的成分及其注入方式。注浆是锚杆施工中的一个关键工序，施工时对有关数据应记录下来，以备发生事故时查用。注浆设备：一般有磅秤、搅拌机、压浆泵等。锚杆灌浆一般使用水泥砂浆，并要求砂浆的强度不小于30000kN／m2。小孔径锚杆在必要时才使用纯水泥浆。2023/9/224注浆方法有一次注浆法和二次注浆法两种

一次注浆法:利用注浆泵通过注浆管将砂浆泵入锚孔，待浆液流出孔口时，封闭孔口，再以较高压力进行补灌，稳压数分钟，灌浆即告结束。注浆管一般用φ30mm左右的钢管或胶皮管做成，一端与压浆泵连接，另一端与锚杆拉杆同时送入孔内，管端距孔底应预留0.5m左右的空隙。注浆管如采用胶管，使用时应用清水洗净内外管，开动注浆泵将搅拌好的砂浆注入钻孔底部，自孔底向外灌注。随着砂浆的泵入，应逐步将注浆管向外拔出直至孔口。这样灌注可将孔内的水和空气挤出孔外，以保证注浆质量。

二次注浆法是把锚杆的锚固段与非锚固段分两次进行灌注。先灌注锚固段，在灌注的水泥砂浆具有一定强度后，对锚固段进行张拉，然后再灌注非锚固段。因此，国外有些国家称二次注浆法为预应力注浆法。二次注浆法可使锚固段与非锚固段界限分明，还便于在锚固段用质量好的水泥砂浆进行压力注浆，而在非锚固段可用贫水泥砂浆不加压力进行灌注。2023/9/225注浆时要注意，对于靠近地面的土层锚杆，注浆时如压力过大，可能引起地表面膨胀隆起，或者影响附近原有的地下构筑物和管道的使用。５、锚杆的张拉与锁定

锚杆的张拉，就是通过张拉设备使锚杆杆体的自由段产生弹性变形，从而对锚固结构产生所要