3-岩土锚固技术-中国矿大教学教材

4超前锚杆预支护技术4超前锚杆预支护技术4.1概述4.1.1超前支护的概念4.1.2超前支护原理4.1.3超前支护形式4.2超前锚杆与小导管注浆超前支护技术4.2.1适用范围4.2.2设计原则4.2.3小导管的施工技术4.3管棚式超前支护技术4.3.1管棚式超前支护适用范围4.3.2管棚式超前支护设计4.1.1超前支护的概念超前支护是指对尚未开挖的岩土体进行预支护，预防其在开挖时的冒落或塌落。这些岩土体主要是指一些开挖后来不及支护就会发生破坏性事故，如流沙、严重的破碎带、松散的软岩、高应力围岩等。超前支护的方法有许多，如开挖前施工的各种护坡桩、注浆、超前锚杆及和各种形式的结合结构。目前，超前支护一般都是在迫不得已的情况下采用，代价相对比较高，但往往能收到很好的效果，要比较破坏后的修复省工省时，且具有较好的经济效果。4.1.2超前支护原理由于围岩的破坏是有时间过程的，其原因包括开挖的端头效应和时间效应：（1）端头效应。荷载并非同时全部地施加在端头附近的围岩上的，只有随开挖向前推进到超出端头影响区以后，应力才被全部施加，端头的夹持作用也失去。因此，许多开挖工程常常是在开挖后的一段时间里会发生破坏性事故。（2）时间效应。岩土的蠕变特性说明，围岩存在一个对应于某段时间的长期强度，当应力超过此强度值时，则围岩在到达此时间后就会发生破坏。无限长时间的长时强度约为瞬时强度的70%。应力越高，破坏的时间越短；因此，当围岩应力低于瞬时强度，而高于长时强度时，就会在某个时间里发生破坏（如果不支护）。4.1.2

超前支护原理实际上，岩石破坏是渐进的。就是加载后，围岩随变形的增加，其内部就开始有破裂出现而降低岩石质量。因此，过大的变形对岩石后面的承载是不利的。有时尽管岩土体没有冒落或坍塌，但围岩的破损可能发生在岩土体的内部，围岩的承载能力可能已经有严重损失，以至在载荷进一步发展后（端部开挖），围岩很快就失效。因此，超前支护就是提前提供约束，减少岩石质量在变形过程中的降低。4.1.3超前支护形式超前支护一般可以分为两种，即：超前锚杆（或预应力锚杆）和带注浆的超前锚杆支护形式，带注浆的超前锚杆支护又分小导管注浆支护和管棚式支护。围岩压力大，容易冒落，最大空顶时间短，则可以采用超前锚杆支护形式；在破碎带、浅埋软弱破碎岩层或松软的砂土层和工作面不易站立的岩土层中，可采用小导管注浆支护；对于更严重的地层（如第四系表土、砂砾层等）或施工规模更大的工程，可采用管棚式支护。4.2

超前锚杆和小导管注浆支护技术超前锚杆主要是指在工作面向前方布置倾斜式锚杆，使锚杆伸到即将要开挖的部分，在开挖前对这部分围岩进行支护。小导管注浆超前支护是指采用锚注的形式进行超前支护，可将破碎的围岩固结和锚固成一个整体，从而显著提高围岩的自承载能力。它是沿初期支护外轮廓线，以一定仰角，向工作面施打直径为32～45mm的带泄浆孔的小导管并进行注浆，利用浆液充分填充岩土体中的空隙，形成一定厚度的结合体。小导管注浆的作用是：稳定工作面前方的岩土体，以达到控制开挖松弛、崩塌、沉降，从而提高了工作面的自稳性。此项技术在软弱围岩的地下工程中获得了广泛的应用。4.2.1适用范围小导管注浆方法主要适用于：自稳时间短的软弱破碎带、浅埋软弱围岩和严重偏压砂层、砂卵石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水的隧道。对结构顶部处于亚粘土、粉细砂、中粗砂等地质松软、空隙较大的地层更为适用，效果明显。4.2.2

设计原则为保证工作面开挖时不坍塌，设计计施工时，应充分考虑支护时间、支护类型和支护参数的选择，且小导管注浆超前支护工艺也应和开挖工序等相结合等。从下图中可以看出：（1）在台阶掘进中，要保证上台阶前方不稳定土体的稳定，小导管打入土体的长度必须穿过可能形成的破裂面以外；（2）小导管间距应根据工作面前方地质条件和其自稳能力来决定；4.2.2

设计原则（3）小导管的外插角（与隧道开挖轮廓的夹角）应考虑小导管的长度和钢架的间距；（4）考虑一次掘进进尺及前后小导管之间的搭接长度。根据现场实验和施工经验，小导管的长度L以3～4.5m为宜，外插角以10º～20º为宜，小导管间距通常按每米3～4根布置，导管之间的搭接长度不宜小于1.0m。一次掘进进尺及小导管间的搭接长度示意图4.2.3

小导管的施工技术（1）小导管的加工制作前端加工成圆锥形并封焊严实；管身设若干溢浆孔，孔径Ф6～12mm；孔距20~30cm，按梅花形排列；后端1.0m范围不设溢浆孔，管尾设一加固环，并要保持管身顺直的要求。4.2.3

小导管的施工技术（2）小导管施工工艺①布孔。根据小导管的施工设计和开挖断面的中线，拱顶外轮廓线中心高程和支距进行布孔放样，并以插钎作为标记控制小导管的间距。②成孔。首先架设方向架，确定打孔方向、位置和仰角，然后依据不同地质条件，采用不同成孔设备打孔：一般砂层可用Φ20mm管以压力风吹孔；粉细砂、亚粘土可采用风镐推进导管；粘土层可采用煤电钻钻孔；在土夹石、风化岩可使用液压或风枪打眼成孔。孔方向要求顺直，不得弯曲和塌孔等。③插管。安设小导管时应对准管孔的方向和角度，必要时使液压或风动推进器将导管推入，并力求导管尾端在同一剖面且外露长度以30cm为宜。④封口。喷混凝土5～8cm厚度，对管尾周围应加强封闭。4.2.3

小导管的施工技术（3）小导管注浆1）地质调查施工前的地质调查或地质超前预报对小导管注浆参数的确定和效果起着重要作用。对围岩应重视调查其结构特征外，还应查明围岩强度、胶结程度、颗粒成分、空隙率和物理力学性能等；当围岩分层时应查清其互层状况、软硬层次、厚薄组合等情况，以便确定合理的注浆方案。

2）注浆参数的确定①注浆扩散半径可根据导管密度和现场地质条件试验确定。一般应考虑注浆范围相互重叠为原则。小导管间距按下式计算4.2.3

小导管的施工技术②注浆量的计算单根导管浆液注入量可按下式估算为简化计算，将

α和β的乘积假定为1，则上式可简化为③注浆压力在砂质地层采用水泥砂浆或水泥-水玻璃浆液注浆时，注浆压力一般为0.5～0.9MPa，必要时在管口尾部设置止浆塞。粉细砂底层在满足注浆效果的情况下，注浆压力不宜过大，经试验一般注浆压力为0.3～0.5MPa，并可按下式计算3）注浆材料的选择注浆材料应根据地质条件经反复试验进行选择确定。4.2.3

小导管的施工技术4）注浆工艺针对不同的地层和不同的注浆属性，选定合适的注浆方法和注浆工艺，是实现注浆要求的重要工作。具体注浆工艺流程参考图6-4进行。必要时，可进行压水试验，然后注浆。5）注浆机具注浆机具可视具体情况，采取“土洋结合”和先查验、后试用、再推广的方法，以方便实用和满足注浆效果为原则。6）劳动力组织根据不同地层的相关参数确定浆液配比，计算出所需原材料用量，并事先作好准备。注浆必须对注浆导管的根数、长度、地质参数调查清楚，并作好记录。注浆时有专人测定pH值，专人掌握止浆塞的压力表并随时调整注浆压力。注浆完毕应注意清理机具和管路，使其畅通。4.3

管棚式超前支护技术管棚法是沿开挖轮廓周线，钻设与隧道轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周边的围岩，并在预定的范围内形成棚架的支护体系。它的主要作用是：提高管周围岩的抗剪强度，先行支护围岩，把因开挖引起的松弛控制在最小范围之内，其效果可大致归纳如下：1）梁效应先行施设的管棚，以工作面和后方支撑为支点形成一个梁式结构，防止了围岩的松弛和崩塌。2）加固围岩效果钢管插入后，向管内注浆，加固了管周的围岩。4.3

管棚式超前支护技术管棚式超前支护和导管式超前支护的区别主要是：管棚式支护采用更大直径（80～100mm，甚至更大，达100mm以上）的钢管，且钢管更长（可以在10m以上）的超前支护。管棚施工往往要求插入的钢管自身形成棚体结构，如：根据需要由钢管形成拱式、梁式或拱-墙式结构；而小导管可以只设置在局部危险区域。因此，在设计时要考虑管棚的整体布置外形（往往和隧道或其它工程的外轮廓一致），还要考虑在管棚长度方向的受力情况。4.3.1

适用范围从国内外的施工实践看，管棚超前支护特别适用于在工程下方进行工程施工的情况，主要包括下述场合：1）作为公路、铁路下方修建隧道的辅助工法；2）作为在地中及地下结构物下方修建隧道的辅助工法；3）作为修建大断面隧道施工的辅助工法：4）作为隧道洞口段施工的辅助工法；5）作为其它施工的辅助工法，如托底、盾构基地防护等。管棚法主要适用于：第四纪覆盖地层、软弱、矽砾地层或软岩、岩堆、破碎带等易于崩塌、松弛、软化的地层。4.3.2

管棚式超前支护设计管棚施工设计步骤是结合地层和结构外形情况先确定布置外形，计算承受总压力，设计管棚长度，然后结合管径按强度计算间距（管棚数量），并用稳定性（扰度）验证。（1）管棚布置管棚是在地下工程轮廓外形成的棚架体系，要根据围岩性质及地表、地中结构物的特点，决定管棚的配置和形状。一般说，管棚的配置和形状可参考图6-5选用。（2）确定载荷按普氏或太沙基公式计算。（3）管棚长度管棚长度首先应满足钻机设备的工作参数要求，其次要穿过工作面的土体破裂面一定长度，使土压力传递到已封闭的支护结构上，并考虑前后两排管棚的搭接长度。根据图6-6可知：

L=A+2（B+C）管棚的配置和形状管棚长度计算示意图L=A+2（B+C）4.3.2管棚式超前支护设计（4）管距和数量钢管的最小间距，要视施工精度来决定。在水平钻孔中，钢管弯曲量随施工长度而增加，尤其是，长度超过30m后，弯曲会急剧增加，大致在1/200～1/300左右。因此，一般钢管的间距多采用（2～2.5）倍管径；按长梁计算最大弯矩：计算载荷作为梁长度上的均布载荷并平均分摊在每根钢管；钢棚架间距（常为1.0m）作为铰接点的跨间距，插入岩体一端是固结点；计算钢管最大应力，比较强度，并调节间距和直径。（5）扰度验算钢管的扰度不能超过顶部总允许下沉量，包括钢管施工前下沉量。4.4

超前支护技术的应用马钢姑山铁矿马头门冒顶区掘进与支护技术方案4.4

超前支护技术的应用马钢姑山铁矿马头门冒顶区掘进与支护技术方案5软岩巷道锚注支护技术5.1概述5.2内注浆锚杆的类型与适用条件5.3锚注支护机理与支护设计5.4锚注支护在不稳定地层中的应用5.5锚注支护施工中的几个问题5.1概述锚杆支护与锚喷支护特点各种以锚杆为基础的复合支护形式二次支护的提出及二次支护的作用时间不稳定地层中的巷道支护存在的问题传统支护体系已不适应大地压的要求锚喷支护、锚索支护、棚式支护、砌碹支护锚注支护体系以内注浆锚杆为核心与其它支护组成不同支护（包括锚喷支护、棚式支护、砌碹支护等）

5.2内注浆锚杆的类型与适用条件内注浆锚杆是专门为解决不稳定地层中巷道支护而研制的，其类型有：（1）可控压内注浆锚杆（2）普通内注浆锚杆（3）端锚内注浆锚杆5.3锚注支护机理与支护设计5.3.1锚注支护机理巷道支护形式可划分为3个层次：①各种金属支架、砌喧等被动支护形式；②以锚喷支护为主的改善巷道围岩力学性能的主动支护形式；③从根本上改变岩体结构及力学性能的以锚注加固为主的主动支护形式．对于大松动圈软岩动压巷道，只有采用最高层次的支护形式才能保证巷道的稳定。

5.3.1

锚注支护机理

锚注支护的实质是锚杆兼作注浆管，其支护机理包括以下几个方面：（1）浆液可封堵围岩的裂憋，隔绝空气，减轻围岩风化，防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度。（2）注浆后松散破碎的围岩被胶结成整体，提高了岩体强度，且喷层壁后充填密实，保证荷载均匀地作用在喷层和支架上，避免出现应力集中点而首先破坏；并与原岩形成一个整体，在动压作用下其振动频宰与原岩一致而不易破坏．（3）注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护．形成多层有效组合拱，且注浆锚杆本身为全长锚固，它将多层组合拱联成一个整体，共同承载，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力．（4）作用在拱顶上的压力能有效传递到底板，由于组合拱厚度的加大，减小了作用在底板上的荷载集中度，从而减弱底板岩石中的应力和塑性变形，减轻底臌；且底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板、两帮稳定的情况下又能保持拱顶的稳定。锚注支护机理简图1-注浆锚杆；2-喷网层；3-注浆扩散范围；4-锚固压力锥岩锚拱；5-喷网层组合拱5.3.2锚注支护分类

（1）充填注浆充填注浆指在较大空隙中充填浆液料。充填注浆有两个作用：增加岩土的整体稳定；以及使支架受力均匀。充填注浆特点：用浆量大，强度要求低，浆液渗透性要求低。因此要求用大流量、粗径送浆泵，浆液可以用较多的填充料以降低成本。（2）裂隙注浆裂隙注浆是通过浆液粘结裂隙面，以提高岩体强度和阻塞渗流通道。裂隙注浆对浆液的要求：渗透性要求；浆液凝结时间要求；浆液结石率要求；浆液粘结强度要求；浆液的环保要求。

5.3.3锚注联合支护结构设计

5.3.3.1锚注联合支护型式的选择5.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定5.3.3.3注浆材料与参数的确定5.3.3.4注浆工艺5.3.3.1锚注联合支护型式的选择（1）新掘类巷道（2）加固类巷道（3）修复类巷道5.3.3.1锚注联合支护型式的选择（1）新掘类巷道

均采用二次支护的方法进行施工，且根据所用锚杆类型分为两种支护形式：一种是一次支护采用普通锚杆进行锚喷支护，二次支护时采用内注浆锚杆注浆加固及喷网带支护；另一种是一次支护直接采用端锚内注浆锚杆进行锚喷支护，同时预留及保护好内注浆锚杆的孔口和螺纹，二次支护时采用一次支护所安装的内注浆锚杆进行注浆加固及喷网带支护。

5.3.3.1锚注联合支护型式的选择（2）加固类巷道

这里指因局部变形破坏而影响稳定，但断面仍满足要求的巷道，或经过一次修复后围岩仍较完整的巷道。可根据裂隙的发育程度采用不同的锚注加固形式，裂隙极其发育时可采用普通内注浆锚杆进行注浆加固，主要目的在于充填较大的裂隙；裂隙发育情况一般时，可采用端锚内注浆锚杆进行锚注加固，以便于加大注浆压力，使浆液充分扩散到围岩裂隙中。

5.3.3.1锚注联合支护型式的选择（3）修复类巷道

这里指经过多次破坏和多次修复后又出现严重破坏需要修复的巷道。此时可采用两种支护方式，一是锚注支护与锚喷支护相结合的联合支护结构，也就是先进行注浆加固，然后涮大断面，再采用普通锚杆或端锚内注浆锚杆进行一次支护，最后再进行锚注加固；二是型钢支护与锚注支护相结合的联合支护结构，也就是先进行涮大断面，采用型钢支架一次支护，然后采用普通内注浆锚杆进行锚注后加固。

5.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定（1）内注浆锚杆的长度（2）锚杆间排距（3）锚杆锚固力5.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定（1）内注浆锚杆的长度一般不再经受动压作用巷道，锚杆长度为1700～2000mm，经受动压或围岩裂隙极其发育时，锚杆长度为2200～2500mm。对于普通内注浆锚杆，可根据围岩松动范围来确定。不再经受动压作用的巷道，锚杆长度为1500～1800mm，经受动压或围岩裂隙极其发育时，锚杆长度为2000～2200mm。5.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定（2）锚杆间排距一般情况下，内注浆锚杆的间排距为1000mm×1000mm；围岩裂隙极其发育，且采用普通内注浆锚杆时，锚杆间排距可扩大到1500mm×1500mm；采用型钢支架与锚注联合支护时，锚杆排距可与支架排距相同；当一次支护采用内注浆锚杆时，其间排距按普通锚杆来确定，一般为600～800mm。5.3.3.2内注浆锚杆支护参数的确定（3）锚杆锚固力

普通内注浆锚杆的锚固力在40～50kN，因此可以采用4分焊接管制作；而端锚内注浆锚杆的锚固力一般在50～70kN,因此可以采用ф22mm无缝管制作。5.3.3.3注浆材料与参数的确定（1）注浆材料在新掘类巷道中，一般可采用水泥、水泥－水玻璃单液浆；在裂隙极其发育且裂隙尺寸较大时，可在一次注浆的水泥浆液中掺加细骨料，如细砂、粉煤灰、矸石粉等，而在二次复注时采用单液浆；当巷道处于强膨胀性岩层中时，可采用PM型、SPM型等化学浆液；而淋水较大时，可采用水泥－水玻璃双液浆。5.3.3.3注浆材料与参数的确定（2）注浆参数采用单液或双液注浆时，顶帮注浆压力在1.2～1.5MPa，底角注浆压力在1.5～2.0MPa；浆液中掺加细骨料时，注浆压力在1.0～1.2MPa。5.3.3.4注浆工艺5.4锚注支护在不稳定地层中的应用

（1）在回采巷道中的应用（2）在软岩动压巷道中的应用（3）在软岩地层水仓中的应用（4）在软岩硐室工程中的应用（1）在回采巷道中的应用锚注支护在梁家煤矿回采巷道中的应用（1）在回采巷道中的应用锚注支护在梁家煤矿回采巷道中的应用（1）在回采巷道中的应用三锚支护技术在陶阳矿高应力煤巷中的应用（2）在软岩动压巷道中的应用——修复类巷道（2）在软岩动压巷道中的应用——修复类巷道（2）在软岩动压巷道中的应用——加固类巷道（2）在软岩动压巷道中的应用——新掘类巷道（3）在软岩地层水仓中的应用——新掘类巷道（4）在软岩硐室工程中的应用——新掘类巷道（4）在软岩硐室工程中的应用（4）在软岩硐室工程中的应用5.5锚注支护施工中的几个问题1）注浆方式2）浆液材料3）控制参数4）注浆时间5）注浆方法6）注浆顺序7）注浆效果的评价8）施工注意事项5.5锚注支护施工中的几个问题1）注浆方式单液注浆：以单一浆料配置的浆液为主。为改变浆液的性质，有时在浆液中添加改性剂，如由两种配合料构成的水泥-水玻璃浆液。5.5锚注支护施工中的几个问题2）浆液材料水泥浆一般采用32.5级普通硅酸盐水泥。可根据用途水泥浆液中可掺入一定掺合料，如砂、粘性土（塑性指数高、粘性颗粒含量高）、粉煤灰（烧失量小、细度不低于水泥）、水玻璃（模数2.4～3，SiO2克分子数/Na2O克分子数，浓度30～45）。另常加入一些改性剂，以改善浆液性能，主要改性剂有:

悬浮剂：使水泥颗粒长时间悬浮不沉淀；分散剂：降低水泥浆液粘度；速凝剂和缓凝剂：如3～5%的水玻璃；膨胀剂：解决析水与收缩、结石率小于1的问题；防析水剂；加气剂等。5.5锚注支护施工中的几个问题3）控制参数注浆压力：根据岩石破碎程度，锚注一般注浆压力采用0.15～3.0MPa。扩散半径：采用经验法。锚注方法的扩散半径不应当完全按渗透半径来确定。因为岩石越破碎（虽然扩散半径大），越需要加固。如果渗透半径小而岩石变形大（岩性软），就需要提高浆液的渗透能力或注浆压力。一般扩散半径和锚杆布置一致，或略微调动。5.5锚注支护施工中的几个问题4）注浆时间因为锚注支护是联合支护，注浆一般滞后与锚杆施工，即相当于二次支护。因此支护时间是锚注支护的重要参数。不能过早：影响前方正常各种程序、要求较高的性能以适应高应力和较大的变形；不能过迟：洞室变形过大再行支护就失去意义。确定方法：原则上保证注浆后的岩体能适应后续变形量。可通过前后两种支护能力的比较确定后续变形量的比例关系，结合施工速度确定注浆时间。简易确定方法可由变形曲线的最大曲率附近的时间。一般在1个月左右时间。5.5锚注支护施工中的几个问题5）注浆方法注浆方式主要有两种，一是充填注浆：喷射混凝土后，钻孔、安短注浆管、对壁后注浆；二是渗透注浆：用于裂隙岩体的注浆加固。对裂隙岩体的注浆有两种方法，一是单独注浆，指在锚喷施工以后，单独采用钻孔注浆的方法；一是锚杆管注浆，即以钢管作为锚杆，又作为注浆管，安设注浆锚杆后，再行注浆。锚杆管注浆程序：工作面钻锚杆孔→安带跑浆孔的锚杆管（6//钢管两端分别有螺纹或钻跑浆孔→用树脂或水泥卷固结锚杆→锚固（托盘、螺帽）→保护锚管使其在注浆时可连接注浆软管。5.5锚注支护施工中的几个问题6）注浆顺序长度方向：一般采用挤密式注浆，即：先分区，后加密；先外围，后内部。纵向（立面方向）：下行式-可增加下部位进浆机会；上行式-避免浆液无过多扩散。局部先行：用以先在容易漏浆的地方封闭堵浆。重复注浆：为提高注浆效果，可以采用加密钻孔，重复注浆的办法。5.5锚注支护施工中的几个问题7）注浆效果的评价浆液注入量。浆液注入量越大，加固效果越明显。因此要想办法充分注浆。注浆压力。注浆压力到达设计值应有足够的浆液注入。单独的注浆压力还不说明问题。浆液渗出。浆液渗出是判断浆液流动范围、进入裂隙状况的依据。钻孔测量（压水测量、岩体质量检查等）。5.5锚注支护施工中的几个问题8）施工注意事项保证施工顺畅的重要条件是浆液流动与施工密切配合（浆液稳定性好、粘度性能好、凝结时间配合好、设备工况好、操作熟练），否则引起堵管。设备配合不仅要求设备性能，还要求施工前后的准备、整理、清洁等工作认真。浆液配比要准确。配比不准，或者过早凝结堵管，或者注浆后不凝结，没有效果。串浆与跑浆。出现串浆可放大注浆孔间的距离；延长前后注浆的间隔时间；少量跑浆可用一些材料堵塞，再用速凝剂封面；跑浆大要求封闭表面（如喷射混凝土），或者采用低压、浓浆、限量、间隔注浆等方法。深部破裂岩体锚注加固特性研究前言1破裂岩体锚注加固特性试验设计2试验结果与分析3破裂岩体锚注加固特性试验结论4破裂岩体锚注加固结构承载能力分析前言大量工程实践和研究表明，破裂岩体具有承载能力，且在一定的支护约束下，可形成有效的承载结构。对深部地下工程围岩来说，如何形成有效支护结构，发挥破裂岩体的结构效应，对巷道围岩和支护结构稳定均具有重要意义。实践证明，对破碎的巷道围岩实施锚固和注浆后，可形成有效的锚注加固结构，能满足多种复杂条件下的支护要求。但对破裂岩体注浆和加锚后的力学特性及承载机理的基础研究较少，这里通过对破裂岩体实施注浆和加锚后力学特性的试验研究，初步揭示加锚注浆岩体的承载机理，并通过对深部不稳定围岩巷道锚注支护结构承载特性的分析，有力地说明了锚注支护结构具有良好的应用前景.1破裂岩体锚注加固特性试验设计1.1试件材料和成型方法1.2试验内容（1）单轴压缩试验—单向应力状态（2）侧向约束试验—两向应力状态（3）加锚约束试验—三向应力状态1.3测试系统2试验结果与分析2.1单轴压缩试验——单向应力状态

2试验结果与分析2.1单轴压缩试验——单向应力状态

30步20步35步2试验结果与分析2.2侧向约束试验——两向应力状态2试验结果与分析2.3加锚约束试验——三向应力状态（b）ZJ-1-5（a）ZJ-1-3（c）ZJ-2-4（d）ZJ-2-620步28步40步50步60步28步40步20步50步60步2试验结果与分析2.3加锚约束试验——三向应力状态3破裂岩体锚注加固特性试验结论（1）破裂岩体经注浆加固后，单轴抗压强度相对较低，具有弹塑性特性，不发生脆性破坏，有利于结构的稳定.分维数不同试件的峰值强度和弹性模量上存在一定的差异，偏高和偏低分维数试件强度和弹模值低于合理分维数试件.注浆改善了岩体的应力状态，促进了岩体承载能力的提高.（2）侧向约束条件下注浆岩体的力学性能明显提高，峰后应力缓慢降低，无明显的残余变形段，分维数的不同对试验结果影响相对较小，侧向约束力随试件塑性变形的增加而明显提高.3破裂岩体锚注加固特性试验结论（3）注浆加锚岩体试验曲线由初始裂隙压密、弹性、弹塑性和应力强化段组成，无峰后软化和残余变形段；锚杆提供了应力和位移约束，集中反映在由弹性段向应力强化段过渡的过程中，锚杆和侧向拉杆约束较好地维持了试件整体结构的稳定，表现出较高的承载和抗变形能力.（4）利用注浆加锚岩体具有的应力强化特性，进行深部地下工程锚注加固结构设计和稳定性分析，有利于充分发挥注浆加锚岩体的力学性能，揭示锚注加固结构具有较高承载能力的力学机制.4破裂岩体锚注加固结构承载能力分析4.1深部巷道围岩变形失稳过程分析4.2锚注加固结构承载机理4.3破裂岩体锚注加固结构极限承载能力4.4结论4.1

深部巷道围岩变形失稳过程分析深部巷道围岩变形失稳过程包括4个阶段：开挖后弹性变形恢复，无支护条件下变形，有支护条件下变形和失稳条件下变形。（1）开挖后弹性变形恢复（2）无支护条件下变形（3）有支护条件下变形（4）支护失稳后变形4.1

深部巷道围岩变形失稳过程分析因此，深部巷道围岩的变形与稳定，与实施支护的时间、强度和刚度相关，围岩变形是岩体破坏和剪切滑移引起体积应变增加的结果，对围岩应适时、主动地采取合理的支护与加固措施。实践表明，锚注加固技术可显著提高破裂岩体的自稳能力，围岩变形得到有效控制，为深部高应力巷道提供了一种有效支护手段。4.2.1锚注加固结构的概念锚注加固形成的组合拱对围岩和支护的稳定起较大作用，为破裂岩体提供变形性能好、高抗力的结构性约束。因此，可将由锚注加固拱结构性约束引起的处于高应力状态下的破裂岩体和完整岩体的范围统称为支护结构的承载圈，而将锚注加固作用形成的组合拱结构称为关键承载圈，它是深部破裂岩体发挥应力强化特性的基础。4.2锚注加固结构承载机理4.2.2锚注加固结构承载机理（1）改善破裂岩体的物理力学状态（2）改变破裂岩体峰后承载和变形特性（3）显著提高多层组合拱结构的可靠性与承载能力（4）高约束力阻止深部围岩塑性区发展因此，锚注加固结构具有较好的整体性、稳定的结构性、较高的承载力和较强的让压与抗变形能力。4.2锚注加固结构承载机理4.3

破裂岩体锚注加固结构极限承载能力由于注浆加锚岩体呈理想弹塑性特点，峰后呈应力强化特性，因此，可按理想弹塑性理论确定锚注加固结构的极限承载能力。当锚注加固结构关键承载圈全断面进入塑性区，即为锚注加固结构的极限应力状态。弹性极限承载能力塑性极限承载能力4.3

破裂岩体锚注加固结构极限承载能力一般锚注加固结构的＝2～3，而＝20～30MPa则可达13.86～32.96MPa，远高于普通支护提供的

0.1～0.5MPa；而按弹性极限确定的锚注加固结构极限承载能力为

7.5～13.3MPa因此，锚注加固结构的弹塑性极限承载能力达弹性极限承载能力的2～3倍。大量的工程实践证明了锚注加固结构具有较高的承载能力，可满足多种复杂的工程和地质条件。4.4

结论（1）锚注加固结构由锚注加固作用范围内的组合拱结构，锚注加固作用范围外处于高应力状态下的破裂岩体，以及破碎范围外处于高应力状态的完整岩体组成。三部分共同组成巷道支护结构的承载圈，锚注加固作用形成的组合拱结构是其中的关键承载圈，它为深部破裂岩体提供径向约束，为深部破裂岩体应力强化特性的发挥创造了条件。4.4

结论（2）锚注加固改善了破裂岩体的物理与力学状态，改变了加固范围内岩体峰后承载和变形特性，组成的多层组合拱结构具有较好的整体性、稳定的结构性、较高的承载力和较强的让压和抗变形能力，有效阻止了围岩深部塑性区的发展。（3）锚注加固结构的弹塑性极限承载能力远高于普通支护结构和锚注结构弹性极限承载能力；说明锚注加固结构可对深部破裂围岩提供高应力的结构性约束，使破裂岩体发挥应力强化特性，成为支护结构的有效承载体。

6.1引言6.2抗滑桩技术6.3预应力锚索抗滑桩作用机理6.4预应力锚索抗滑桩设计6.5预应力锚索抗滑桩技术的应用6预应力锚索抗滑桩技术

滑坡问题：边坡加固和滑坡治理（1）风景区（2）村庄附近（3）公路与铁路边坡（4）建筑物滑动目前除采用锚杆和锚索支护技术外，较多地采用了抗滑桩技术来加固边坡，实现边坡的稳定。6.1引言

6.1引言

由于抗滑桩技术具有：抗滑能力强，开挖和混凝土工程量小，且不会恶化原有的地质条件，桩位设置灵活，对保证工程质量，加快施工进度，缩短工期和节约投资均具有显著作用，因此在边坡加固、滑坡治理等工程中广泛应用。6.1引言

在实际应用过程中，一般将抗滑桩技术与其它岩土加固技术联合运用，如与锚杆、预应力锚索、注浆等技术相结合，组成各种复合加固技术。如随着预应力锚索技术的引进和发展，在抗滑桩的基础上出现了“预应力锚索抗滑桩技术”

——它作为一种新型稳定边坡技术，能够极大地节省原材料，降低造价，且可取得更好的支护与加固效果，因此，在边坡加固和滑坡治理工程中得到了很好地应用。

应用概况：公路与铁路边坡、露天矿山边坡、基坑等抗滑桩技术优点：①抗滑能力强，②开挖和混凝土工程量小，③不会恶化原有的地质条件，④桩位设置灵活，可集中在有利于支挡滑坡的部位。缺点：配筋不能充分发挥其抗拉的优势，抗滑主要以扩大横截面积取胜——预应力抗滑桩可解决此问题！应用效果：当滑动面较平缓且部位较浅时，可望取得较好的抗滑效果仅简述常用的大型钢筋混凝土桩（简称大桩）和钢轨桩等两种抗滑桩的设计方法。

6.2抗滑桩技术

大型钢筋混凝土抗滑桩具有以下优点：抗滑力大、设桩地点灵活，可以将桩设置在最有利于支挡滑坡的部位，在挖掘桩孔的同时可以进行工程地质勘探，可同时进行原位大试件剪切试验，为有效支挡滑坡体创造有利条件，施工比较方便等。因此，在防治由中硬或中硬以下岩石组成的不同破碎程度的边坡中形成的中浅层滑坡方面得到广泛应用。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

设计步骤：（一）搞清引起滑坡的主要原因、范围、滑体厚度，分析其稳定状态和发展趋势；（二）根据滑坡工程地质剖面图及滑动面土、岩抗剪强度指标，计算滑坡推力；（三）根据滑体各部位的滑坡推力大小和平盘施工条件，确定桩体在剖面上的位置和加固范围；（四）建立抗滑工程造价与抗滑桩的主要设计参数（桩间距、桩体锚固深度、桩体断面Bp×Dp）间的函数关系，以抗滑工程造价最低为目标，进行抗滑桩设计参数的优化，寻求最优的设计参数。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

实际设计过程：(1)根据滑坡推力大小、地形及地层性质，拟定桩长、锚固深度、桩截面尺寸及桩间距。(2)确定桩的计算宽度，并根据滑体地层性质，选定地基系数。(3)根据选定的地基系数及桩的截面形式、尺寸，计算桩的变形系数及其计算深度，据此判断按刚性桩或弹性桩来设计。(4)根据桩底的边界条件采用相应的公式计算桩身各截面的变位、内力及侧壁应力等，并计算最大剪力、弯矩及其部位。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

抗滑桩抗滑原理示意图6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

在抗滑桩设计计算中，一般将其周围岩土体视为弹性介质，应用弹性地基梁理论，以温克勒提出的“弹性地基”假说作为计算的理论基础。这里仅介绍“悬臂桩法”。其受力状态如图所示。

“悬臂桩法”设计方法：由于简便，是常用的设计方法，设计中一般是先估算滑坡推力，假定单桩承受一个桩间距的滑坡推力，再假定滑坡推力的分布图式，然后以建立在温克勒弹性地基模型基础上的计算公式进行设计计算，就是说是把滑坡和抗滑桩分开进行考虑和计算的。由于设计计算方法是以温克勒弹性地基模型为理论依据，因此。设计计算只适用于桩和土均处于弹性工作状态时，而一般为了充分发挥桩前土体的抗力，允许抗滑桩有较大的位移，这时抗滑桩与岩土体均已处于弹塑性状态；再者，设计方法是把桩作为平面受力结构考虑的，而实际上抗滑桩在滑坡体中是一复杂的空间受力结构。由此可见，设计方法存在一定的局限性。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

（1）抗滑桩内力计算1）受荷段内力计算2）锚固段内力计算

如βH2≤1.0，则为刚性桩，可按刚性桩计算；若βH2>1.0，则属于弹性桩，按弹性桩计算。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

（2）桩体稳定条件分析抗滑桩在外力作用下，既要保证本身足够的强度，又要保证桩体不发生倾倒破坏。为使桩体稳定，必须满足下式所限制的条件：

（8-4）式中，σ为桩侧的最大压应力，MPa；[σ]为基岩极限承载能力，MPa，并按下式计算：（8-5）式中，K’为岩层构造换算系数，取0.5～1.0；Cj为岩石裂隙、风化折减系数，取0.3～0.5；Rγ为岩石单轴抗压强度，MPa。这是一般工程计算中取岩石强度20～40％的原因！6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

（3）桩体结构设计——钢筋混凝土结构从桩体弯矩图可以看出，桩身弯矩变化较大，上下端弯矩很小，这两部分可按混凝土构件考虑，不需要配置受力钢筋，混凝土桩所能承受的弯矩由下式确定：

一般而言，在桩体迎推力侧配置适当的受拉钢筋，可以充分发挥钢筋混凝土构件的承载能力，其纵向受拉钢筋面积按下式计算：

6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

说明，根据选用钢筋或钢轨可确定其数量；还需校核纵向受力钢筋能否保证桩体截面强度、混凝土受压区高度；而后给出钢筋用量表，并绘制钢筋布置图。预应力抗滑桩是对受拉侧钢筋施加预应力，可改善抗滑桩的受力特性。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

（4）桩体设计参数的优化问题桩体设计参数主要指桩的间距、截面、锚固深度。它们不仅关系到工程的安全，而且这些参数还直接影响抗滑工程造价。为寻求合理的抗滑桩设计参数，可编制电算程序对抗滑桩的上述主要设计参数进行优化。6.2.1大型钢筋混凝土抗滑桩

钢轨桩定义：将钢轨置入钻孔，再用混凝土或水泥砂浆把钢轨与孔壁岩体联成一体而形成钢轨桩，可适用于滑坡推力不大、岩体较完整的岩质边坡。钢轨桩优点：通常认为与大断面钢筋混凝土抗滑桩相比，它具有更轻便、灵活、便于施工等优点。在国内外露天矿滑坡防治工程中得到广泛应用。6.2.2钢轨抗滑桩

边坡整体滑动下的钢轨桩一般呈现两个相反方向的弯曲变形：在滑面以上（下），桩的弯曲部分凹(凸)向推力方向。随推力逐渐增大，这两个弯曲变形也逐渐加大，最终桩体呈现三段破坏。当推力方向与桩体最大截面模数受力方向有一定交角时，桩体还出现扭转现象。随桩周围岩体强度增大，桩体中段的破坏长度逐渐缩短，桩体受剪力较大。进一步分析还发现不同破坏形式：当坚硬岩体沿一很薄的滑面滑动时，抗滑桩是受剪切而破坏；如果岩体沿一层软弱的破碎带或一弱层滑动，由于在滑面处出现塑性变形，因而桩体是受弯曲而破坏；如果滑体是松散体或碎裂岩体，则桩体也是受弯曲而破坏。

（1）钢轨桩的受力状态和变形破坏特征

在计算钢轨桩抗滑力时，应研究现场地质情况，有条件时还可进行现场桩体应力测试、模型试验等，以分析桩体的应力状态和破坏形式，进而确定按剪切或弯曲条件的计算方法。也可将钢轨桩视为弹性地基上的弹性地基梁，采用链杆法求解桩体内力。实际上，目前钢轨桩的设计方法还不成熟。应具体问题具体分析。（2）钢轨抗滑桩的设计要求

1）锚固深度和桩长锚固深度应以桩体在滑坡推力作用下不被拔出，以及在桩底不会产生新的滑面为条件。当滑床岩体较完整，强度较大时，锚固深度可取小些。桩长应保证不会产生越过桩顶的滑坡。但在一般情况下，为施工方便而使桩长能露出滑体表面。这样也为地面观测造成方便条件。（2）钢轨抗滑桩的设计要求（2）钢轨抗滑桩的设计要求2）桩距和排距桩距主要取决于桩的总数和岩体强度，加固后要防止软弱岩体自桩间挤出。如滑坡推力较小，岩体强度又较大，则桩距可适当大些。粘土岩易被水浸润而软化，宜选用较大直径的钢轨桩或管桩。随桩径增大，桩后易形成坚实的粘土岩楔，起阻止桩间挤出的作用。一些工程中有关钢轨桩间距的资料有参考价值：如阜新海州露天煤矿86站的钢轨桩间距为3～5m；白银露天矿为4～5m；大冶铁矿为3m。双排或多排孔时，排距一般与桩距接近。但露天矿采场边坡通常因限于施工条件而考虑每个台阶只设l～2排桩。

图8-2粘土岩楔示意图6.3预应力锚索抗滑桩作用机理6.3.1预应力锚索抗滑桩的应用原因6.3.2预应力锚索抗滑桩的受力特点6.3.1预应力锚索抗滑桩的应用原因抗滑桩：一种很成熟的滑坡加固方法，它成群布置，借助桩的受力段及桩背土体与桩两侧的摩阻力而形成的土拱效应以稳定滑体，不使其从桩间滑出。作用机理是利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力借桩传递而下作用于桩周的岩土体上。在我国已采用的最大抗滑桩断面达6×4ｍ。

6.3.1预应力锚索抗滑桩的应用原因改变方式：在桩上部加上锚索，将一部分下滑力转移到锚索上，由锚索承担，这样可减少埋于滑床中桩传递作用于桩周岩体的滑坡推力，桩埋入滑床中的深度相对减短，并使原来的悬臂抗滑桩，变成了一端近似铰接另一端近似弹性固端的一种梁式结构。一般抗滑桩的桩身内力大，且最大抗力发生在滑面的附近，造成桩身截面过大，抗滑桩锚固段长度为整个桩长的l/3～2/5；而预应力锚索使抗滑桩单纯锚固的特点得到了改善，在桩顶使用预应力锚索施加与位移相反的反向力控制桩顶位移，应用效果：使抗滑桩的受力更合理，大幅度减少桩身内力、桩的横截面及埋置深度，达到了节省材料和降低造价的目的。

6.3.2预应力锚索抗滑桩的受力特点抗滑桩属于被动受力结构。抗滑桩工程完工后，并不立即起支挡作用，只有滑坡推力作用在桩上，使桩产生位移和变形，形成地基反力产生抵抗力矩时，才阻止滑坡的进一步滑动，这种受力机制，对任何需要治理的滑坡，特别是滑坡体上或前缘处有重要的建筑物时，都不能很快地阻止滑坡变形、开裂。而预应力锚索抗滑桩则属于主动式受力结构。先给锚索施加预应力，实质上是给滑坡主动施加了一个阻止其下滑的外力，可立即阻止滑坡的活动，稳定滑坡体。

图8-3抗滑桩和预应力锚索抗滑桩结构与弯距分布

6.3.2预应力锚索抗滑桩的受力特点

根据两者之间的对比可看出两者之间的受力状况的不同，由于预应力锚索抗滑桩在上端设置锚索变成了近似一端铰接一端固定的梁式结构，锚索桩最大弯矩的大小、位置与锚索施加预应力的大小有关。如考虑滑坡推力为矩形分布，不考虑桩身土体抗力，则悬臂杆件的最大弯矩在固定端，其最大弯距为而简支梁结构的最大弯矩在梁跨中部，其最大弯距为而预应力锚索抗滑桩的受力情况则介入这两者之间，其最大弯矩比悬臂桩的最大弯矩值小，且位置也高，桩身内力发生了根本的变化。6.3.2预应力锚索抗滑桩的受力特点

滑动面以上锚索桩身外侧受拉，而抗滑桩则桩身内侧受拉，从而使桩身受力钢筋分别布置在不同的受拉面。预应力锚索抗滑桩在桩顶施加了与滑坡推力相反的支撑力，所以桩在滑面以下所受侧向反力之和等于滑坡推力减去锚索提供相同方向的拉力。预应力锚索通过对置于滑面以下稳定岩土层中的锚固段施加预应力来平衡滑坡中一部分下滑力，受力条件好，施工也较为方便。这样，预应力锚索抗滑桩的受力情况决定了它的截面相对变小，桩长变短，配筋量也变少，而且可通过调整预应力大小来控制桩顶位移。6.4预应力锚索抗滑桩设计6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则6.4.1滑坡推力和锚索拉力计算6.4.2桩身内力计算6.4.3预应力锚索参数设计计算6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则一般情况下，预应力锚索抗滑桩用于整治滑动面较深、且推力大的大型滑坡。它的设置应保证滑体不越过桩顶，或从桩间滑走，并不产生新的深层滑坡。它的设计包括两部分：桩体的设计和预应力锚索的设计。6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则预应力锚索抗滑桩的设计应遵循以下原则：（1）设计应尽可能地考虑桩、锚索与土体的强度和变形特征；（2）预应力锚索抗滑桩设计应合理；（3）设计还应考虑两种受力情况；（4）设计荷载包括作用于预应力锚索抗滑桩上的外力。6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则（1）设计应尽可能地考虑桩、锚索与土体的强度和变形特征确定该桩为刚性桩还是弹性桩；滑动面的性状；滑坡近期内是否活跃，它的C、值大小的确定；计算滑坡推力的大小及桩身内力的计算；桩间距及其它不利因素：桩的位置应设在滑坡体较薄，锚固段地基强度较高的地段，其平面布置、桩间距（6～10m）、桩长及截面尺寸等的确定，应综合考虑，达到经济合理。此外，还需考虑锚索拉力和预应力的确定、锚索的空间布置、锚索孔的倾角、锚索的应力松驰与徐变、锚索的防锈、锚固方法与强度计算等。6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则（2）预应力锚索抗滑桩设计应合理当桩承受设计滑坡推力时，锚索拉力应达到设计拉力值。若锚索拉力太小，则锚索起不到“支点”作用，桩顶位移得不到控制，锚索只能起一新加的较小力作用在桩顶，虽可减小桩身内力，大部分滑坡推力仍通过桩身传递到滑床，桩身受力状态未脱离抗滑桩受力状态。若锚索设计拉力太大，当桩身承受最大滑坡推力时，锚索拉力达不到设计值而造成浪费，并且给锚索的施工工艺和实施带来很大的困难。6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则（3）设计还应考虑两种受力情况一是桩身受锚索预应力和桩侧土弹性抗力作用，滑坡推力作为均布荷载作用在桩上，可用普通的地基系数法计算全桩的内力和位移；二是桩受滑坡推力、桩前剩余抗滑力、锚索拉力、桩侧土弹性抗力的作用，按最不利组合计算桩身内力和位移。在实际应用中应具体情况具体分析，采用其中的一种受力情况来分析和设计。6.4.1预应力锚索抗滑桩设计原则（4）设计荷载包括作用于预应力锚索抗滑桩的外力可计算的滑坡推力，桩前滑体抗力（指滑动面以上桩前土体对桩的反力），桩锚固段地层抗力，锚索预应力。桩侧摩阻力、粘聚力及桩身自重和桩底反力可不列入计算。在预应力锚索抗滑桩的设计计算中，锚索设计拉力的确定是该计算中最重要的一点，一旦设计拉力确定了，其它的设计计算都可确定。6.4.2滑坡推力和锚索拉力计算应满足的几个假定：1.土体对桩身的作用力是线弹性的,且沿桩身均匀分布;2.桩身、其它部件、土体在张拉及整个工作阶段呈线弹性;3.滑动面是确定的,且在整个工作期间不会改变;4.所研究的滑坡可以简化为平面应变问题;5.桩的嵌入部分的受力仍可按悬臂桩的嵌入部分计算.6.4.2滑坡推力和锚索拉力计算（1）滑坡推力的确定对于一个需要整治的滑坡，首先必须确定其滑坡推力，根据滑坡特性，计算出极限平衡状态下滑坡推力曲线，取一定安全系数[Fs]＝1.05～1.25，确定设计滑坡推力曲线，据此定出抗滑桩的位置;同时应考虑该处滑坡体较薄，且锚固段应设置在较好的地层，锚索的设置也适宜，不能太长。锚索和桩的位置定好后，该处的下滑推力可根据设计滑坡推力曲线确定其大小。已知滑动面、地基地层性质、桩身材料等，根据经验拟定选择桩截面尺寸、桩间距。桩的锚固段大至为桩长的1/3～l/5，锚索锚固段必须在滑动面以下的稳定岩层中，其长度根据计算结果确定。调整锚索直径及股数，使其受力最为合理。6.4.2滑坡推力和锚索拉力计算（2）锚索拉力计算预应力锚索抗滑桩为一超静定结构，将桩与锚索视为一个整体，桩简化为受横向变形约束的弹性地基梁，根据位移变形协调原理，按地基系数法确定锚索拉力及桩身内力。如图所示，土压力按最常用的三角形及矩形两种考虑，锚索拉力按弹性支座考虑。假定锚索与桩变形协调，即锚索伸长量等于锚索作用点处桩的位移。（2）锚索拉力计算

设桩上作用有n根锚索，当桩与锚索的变形协调完成后，锚索拉力分别为，，，……，，并设＝，则有：对O点的弯矩为：锚索拉力对O点产生的弯矩总和为：土压力对O点的弯矩为：则O点的总弯矩为：

O点的总剪力为：变形协调方程为：

（8-10）式中，为桩上第根锚索作用点的水平位移；为第i根锚索的水平伸长量。根据材料力学有：＝（2）锚索拉力计算

式中，为第根锚索的自由段长度；为第i根锚索截面面积；为锚索的弹性模量，取1.8×108kN/m2。令，则式中，为第根锚索作用点距O点的高度；为第根锚索作用点在土压力作用下的水平位移；为第根锚索作用点在锚索拉力作用下的水平位移；为在锚索拉力与土压力共同作用下O点的水平位移；为在锚索拉力与土压力共同作用下O点的转角。

1）求锚索作用点在土压力作用下的水平位移

在第i根锚索作用点施加单位力，则在单位力作用下桩身弯矩为当土压力为三角形分布时，土压力在桩上产生的弯短为则令则

（8-13）1）求锚索作用点在土压力作用下的水平位移

同理可求出当土压力为矩形时2）求锚索作用点在锚索拉力作用下的水平位移

与求相同，设＝1，则第i根锚索作用点产生的单位位移为因此，使第i根锚索作用点产生的位移为：，则（8-14）3）求锚索拉力与土压力共同作用下O点的水平位移；锚索拉力与土压力共同作用下O点的转角

无论用法或法，也无论桩底为自由端、固定端或铰支端，都有：（8-15）（8-16）关于的意义与计算请参考铁二院编《抗滑桩设计与计算》。把式（13）、（14）、（15）、（16）代入式（12）有：解此方程组，即可求出。令则（8-17）把式（17）代入（10），可得（8-18）对每一根锚索均有与式（18）相似的方程，从而形成一方程组如下：

6.4.2滑坡推力和锚索拉力计算在实际工作中，可先求出使桩的正负弯矩大致相等时锚索所承担的总拉力，则每根锚索所需施加的预应力为。另在计算时，计算结果为负，这是因为在推导桩的计算公式时规定的符号所致。而在方程（12）中要求的为正，因此在利用方程（16）计算时，所得结果应取绝对值。在利用计算机解方程组（19）时，最好采用高斯列主元素消去法，尽量不要采用简单消去法，因简单消去法容易造成其它元素数量级的巨大增长和舍入误差的扩散。

计算例子

例如：设有一截面为2.0m×2.5m的桩，滑面以下桩长为7m，滑面以上桩长为15m，桩后每延米土压力为651kN，桩间距6m。桩上设三根锚索，锚索间距3m，最上一根距桩顶1m，则当桩的正负弯矩基本一致时，桩身最大弯矩为2676kN.m，锚索拉力为870kN。如锚索不施加预应力，锚索随桩协调变形而产生的拉力从上至下分别为367kN、302kN、233kN，则每根锚索应施加的预应力分别为503kN、568kN、638kN。右图为桩加锚索并施加预应力与不加锚索的弯矩对比图，从图上可以看出，弯矩明显减小，且桩身受力更为合理。6.4.3桩身内力计算（1）非锚固段桩身内力计算：求出锚索设计拉力后，桩身上端外力均为已知，按悬臂端求出桩身各截面的Q、M及锚固段顶端O点处的剪力和弯距。（2）锚固段桩身内力计算：由锚固段顶端剪力和弯距，按地基系数法求取锚固段各截面的Q、M以及桩身的横向压应力及变位。（3）求出桩身内力后可按极限状态法计算抗滑桩的结构予以配筋。6.4.4预应力锚索参数设计计算（1）根据锚索设计拉力R计算需要的钢绞线根数n式中，为钢铰线屈服抗拉荷载。（2）锚固段长度确定：可考虑两个因素，一是按锚索与砂浆的握裹力计算锚固段长度，一是按锚孔砂浆与孔壁摩阻力计算锚固段长度。（3）锚索下倾角计算：按照锚索最优倾角计算结果和具体施工条件确定，并可根据确定的下倾角调整锚索自由段的长度。（4）锚索预应力确定：可根据计算出的锚索设计拉力确定锚索预应力。6.5公路滑坡工程稳定分析

及治理与加固实例

6.5.1工程概况山东省省道327线济南段仲宫至枣林段自2000年元月开始施工后，受雨水的影响，于2000年11月在枣林处开始发生山体滑坡，严重影响交通。累计已平面滑移约10m，现场可见最大裂口宽达100cm，裂口的肉眼可见深度约2.0m。滑坡的平面及剖面特征分别见下图。

6.5.2滑坡规模及形成与发展分析（1）滑坡规模勘察查明，在滑坡体中施工的四个钻孔中的主滑动面深度分别为7.50m、6.50m、8.00m、8.90m，滑动面的平均深度为7.8m。通过调查查明滑坡体的横断面面积为543m2，滑坡体的平均宽度为40m，滑坡体的体积=543×40＝21720m3，体重=21720×2＝43340吨，属中型滑坡。（2）滑坡类型滑坡床的埋藏深度为6.50～8.90m，按滑坡床埋藏深度分类可归入中层滑坡（6～20m），按滑动面的形状和移动类型分类可归入地表堆积物的斜体移动。按滑动岩层的成分、构造、产状、滑床和滑带的特点以及变形特征和位移动力分类可归入牵引式（流动式滑坡和滑坍）滑坡。结合该滑坡实际，该滑坡类型为中层牵引式地表堆积物的斜坡移动。6.5.3滑坡治理方案（1）鉴于地下水对边坡稳定性影响很大，必须采用排水措施。该滑体由于挤压，地表松散；且植被丰富，边坡体表面排水没有效果。故采用沿滑坡面排水及水平疏水孔地下排水方法。（2）由于坡体己下滑6～7m，上部坡体已经平缓，故削坡减重作用不大，且要破坏坡体上丰富的植被，故不能采用削坡减重方法。但滑坡下部需要刷坡清除，即将坡面上松石、风化物顺顷刷掉后作坡面防护。清除危石只限于斜坡上用短撬人工清除零星危石，清石不影响上部岩土的稳定，用控爆小炮炸除只限于露头危石，炸后不影响周围的稳定。（3）锚杆、锚索是一种较好的加固方法，尤其对带有滑面的坚硬岩体特别有效，但由于该滑体表面植被丰富，且滑体是松散破碎的岩(土)体，故不能采用单纯的锚杆、锚索加固方法加固该滑坡体。（4）在滑坡下部修建抗滑挡土墙是整治滑坡经常采用的有效措施。但修建抗滑挡土墙需要暴露滑体的临空面，由于该滑体下部倾角大、临空面高，修筑抗滑挡土墙很不安全，若在滑坡整治过程中出现滑坡，极易出现人员伤亡。故不能采用抗滑挡土墙方法。

（5）抗滑桩是承受侧向荷载用以整治滑坡的支挡建筑物，工程实践证明：抗滑桩能迅速、安全、经济的解决一些比较困难的工程。它具有下列优点：抗滑能力大，圬工数量小，在滑坡推力大，滑动面深的情况下，较其它抗滑工程经济、有效；桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位单独使用，也能与其它结构配合使用；综合上述因素，选择采用抗滑桩和地面及地下排水方法治理滑坡。为了减小抗滑桩的弯矩，提高滑坡整治效果，穿过抗滑桩配预应力锚索。为了使各抗滑桩受力均匀，在抗滑桩上部6m范围的坡面采用网锚喷加固。此外，在抗滑桩之间采用浆砌石墙护面。

6.5.4预应力锚索抗滑桩的设计（1）滑坡稳定性分析根据滑坡地质剖面图，该边坡为平面双滑块破坏模式。边坡滑动时，认为滑坡处于临界平衡状态，即边坡抗滑稳定系数Fs=1。取Fs=1，根据反演计算并结合实验室试验结果，滑坡体抗剪强度指标结果为：滑块1、2的粘聚力及内摩擦角分别为c1=11.3KPa、φ1=12.2º和c2=8.5KPa、φ2=21.2º。引起滑体滑动的是滑体自重。锚索和抗滑桩的作用是共同阻止滑体沿滑面滑动，并具有安全系数的许用值[Fs]。锚索的作用认为是单独作用时使滑坡体具有安全系数[Fs]=1.05。（2）预应力锚索的设计锚索的设计包括确定锚固力、锚固类型和长度、锚索长度及安设角度等内容。

1）锚索安装角度：为方便锚索装设以及尽量使锚索进入稳定岩层，取锚索安装角度δ＝25º，即向水平方向下方倾斜25º。

2）锚索锚固力及锚索类型：锚索使边坡稳定性安全系数达到许用值[Fs]=1.05时,所需施加的锚固力为1600.6kN。选用2根锚索，每根采用7根7Ф5高强度钢绞线。

3）锚索的布置：每根抗滑桩上布置2根锚索，2根锚索之间的间距为3m，其中上锚索距桩顶0.5m。

4）锚固体长度：锚固方法采用在锚索端部灌注水泥砂浆，上锚索锚固长度为9.0m、下锚索锚固长度为8.0m。

5）锚索张拉段长度：根据锚索张拉段长度不宜小于5.0m及张拉段一般应超过破裂面1.0m，故取上锚索张拉段长21.0m、下锚索张拉段长17.0m。这样，上锚索长为30.0m，下锚索长为25.0m。

6）锚索张拉力的确定：锚索的张拉力取800kN。（3）抗滑桩的设计

1）抗滑桩设计应满足的要求：整个抗滑体具有足够的稳定性，即抗滑稳定安全系数满足设计要求值，保证滑体不越过桩顶，不从桩间挤出；桩深要有足够的强度和稳定性；桩的断面和配筋合理，能满足桩内应力和桩身变形的要求；桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内。抗滑桩的设计任务就是根据以上要求，合理确定抗滑桩的桩位、间距、尺寸、埋深、配筋、材料等内容。

2）设计资料滑体容重=20.0kN/m3；滑床容重=22.0kN/m3：地基系数的比例系数m=100MPa/m2；桩全长21m，其中受荷段Hl=6m，锚固段H2=28m；桩间距（中至中）S=6m；桩截面面积F＝b×a=1.5×2.0=3.0m2；桩的混凝土标号C25；桩承受的滑坡推力Er=4478.4kN；安全系数[Fs]=1.25；将锚索的张拉力施加在抗滑桩上。抗滑桩为悬臂式弹性桩，桩底边界条件按自由端考虑；锚索张拉力的水平分力Et=725.0kN。

3）桩身内力在桩深8.3m处，桩身最大弯矩Mmax=1.19×104kN.m。

4）抗滑桩配筋按单筋矩形截面受最大弯矩进行配筋计算(采用二级钢筋)。抗滑桩受拉钢筋选30Ф32钢筋(双排)。7土层锚杆与土钉墙支护技术7.1一般概念7.2土钉的基本构造与分类7.3土钉加固特点与工作原理7.4土钉加固设计计算7.5土钉施工与设备7.1一般概念7.1.1土钉和土钉墙的基本概念图4-1土钉墙示意图土钉墙的概念：

土钉加固常和喷混凝土一起使用，又称为土钉墙。它由被加固土体、土钉和面层组成。由较小、较密的土钉加固的天然土体与面板相结合，既有与锚杆作用相同的土钉构成的加固体，又形成挡土墙式的“复合结构”，从而形成对土体的加固、支挡和稳定作用。土钉兼有加固与锚固的双重作用。

7.1.1

土钉和土钉墙的基本概念土钉墙的优点：具有施工容易、设备简单、需要场地小，开挖与支护作业可以并行、总体进度快、成本低，以及无污染、噪声小、稳定可靠、社会效益与经济效益好等许多优点。土钉的适用条件：土钉墙技术对于地下水位以上，或经降水后标贯值大于10的砂质土，或标贯值大于3的粘性土都可以应用。对于饱和软土中的应用成本较高——可采用复合土钉墙。土钉施工过程：待土坑开挖一段深度后，在坡面上用面板（喷混凝土）覆盖，施工土钉，挂网，上锚，再复喷混凝土到设计厚度，然后继续开挖，并重复上述工序到足够深度。

7.1.2土钉加固技术的发展概况岩石锚杆的成功运用促进了现代土层锚杆技术的应用。土钉墙是在20世纪50年代的土层锚杆技术和60年代的加筋土钉墙技术的基础上发展起来的。土钉墙技术特别适于挖方工程，并且结构简单、经济，因此，国外和国内分别从20世纪70年代和80年代迅速地采用和发展了这项技术。1957年法国公司在土层中采用了锚杆加固的形式。60年代就开始采用了加筋的土钉技术。7.1.2土钉加固技术的发展概况有关土钉的理论研究也不断被加强，已进行了大量的模型试验，并获得了长期的现场观测成果，还建立了通用的规范与专用计算程序。1979年在法国巴黎召开了专门的国际会议，1990年美国的挡土结构国际会议上，土钉支护已经被列为专题内容，使它成为独立的土体加固学科分支。我国最早应用土钉结构是在20世纪70年代末或80年代初。目前可应用土钉加固方法处理高边坡、深基坑等工程，甚至在一些高地下水位软弱土层中和土坡失稳、塌滑的事故抢险工程的应用中也取得了丰富和成功的经验——复合土钉。7.1.3土钉加固的应用土钉加固主要用在土坡稳定和基坑加固的领域。包括基础托换、基坑或竖井加固、斜坡挡土墙、稳定边坡面、与锚杆结合作斜面防护等。7.1.3土钉加固的应用在工程永久性方面：（1）可在土体开挖过程中或主体工程施工前作临时性支护。如深基坑开挖支护、地下洞室口部的开挖支护、土坡的开挖支护等；（2）构筑永久性挡土结构。如路堑土坡挡墙、桥台挡墙，隧道口部的正面和侧面挡墙等；（3）对已有挡土结构的加固、抢险、维修或改建。从土质上看，土钉支护适用于有一定毛细水粘聚力的中细砂土（含水量不小于5～6％），有一定天然胶结能力的砂土、砾石土和有天然粘聚力的粉土、低塑粘土、填土以及风化岩层等。这些都是开挖时保持边坡切割面短时间稳定所必须的，否则就要预先加固土体。7.1.3土钉加固的应用土钉加固主要靠土与土钉间的粘结作用。因此，对于软土，其有效性和可靠性还比较差。特别是在高含水的条件下，土钉支护容易失效。同样道理，容易液化的土一般不宜单独采用土钉方法。由于塑性粘土的蠕变变形严重，土钉加固的长期效果会受到大大影响，易使结构有较大位移。土钉在土层中工作。长期使用的土钉要解决防腐蚀问题。使用土钉前应考虑有土钉的安设范围，并且不会对今后的工程或环境造成影响。目前土钉加固技术还有一定盲目性。随认识的提高，土钉支护的技术问题将逐步解决。7.2

土钉的基本构造与分类7.2.1土钉的基本构造包括土体内的杆体（土钉）、面层结构和排防水系统三部分组成。（1）土钉最常用的土钉类型是钻孔注浆钉，即先在土中成孔，置入变形钢筋，