地质灾害防治培训班教材-锚固结构设计

3.4锚固结构设计3.4.1概述3.4.2锚固作用原理3.4.3锚固工程设计计算3滑坡防治工程设计3.4.1概述3.4.1.2岩土锚固的特点1.调用岩土自身的强度，到达提高其自稳能力的目的。2.岩土体成为工程结构的一局部。3.大大减轻了加固结构物的自重，节约工程材料。4.主动防治措施，效果明显。◆国际上的开展

理论研究：——悬吊理论的提出〔1952，LouisPanek〕——合成梁作用理论〔Jacobio〕——拱形压缩带作用理论(1955，Rabcewicz;Lang等人开展)。

◆国内的开展长江三峡链子崖危岩锚固工程3.4.1.5锚杆的分类目前，在我国和全世界范围内，适用于不同的地质条件，具有不同功能和用途的锚杆有数百种。锚杆分类方法按不同分类原那么和分类标志也有很多种。现在介绍一些主要的分类：1.按应用对象分岩石锚杆土层锚杆(海洋锚杆)2.按是否预先施加应力分为预应力锚杆〔主动式锚杆〕非预应力锚杆〔被动式锚杆〕3.按锚固机理分为：粘结式锚杆：水泥砂浆锚杆和树脂锚杆摩擦式(机械式)锚杆：管缝式锚杆和水胀式管状锚杆、胀壳式锚杆和楔缝式锚杆4.按锚杆杆体材料分为：

金属锚杆木锚杆竹锚杆钢筋混凝土锚杆5.按锚固体形态分为：

圆柱型锚杆端部扩大型锚杆连续球体型锚杆6.按锚固局部大小分：全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆3.4.2锚固作用原理3.4.2.1锚固系统1.概念在岩土加固工程中，如果以锚杆〔索〕作为加固系统的主要构件，就形成了一个锚杆〔索〕加固系统。简称锚固系统。2.单体锚杆组成锚固系统中通常由很多单体锚杆组成。单体锚杆有三大局部组成：杆体〔拉杆〕，锚头，锚固体。2.单体锚杆组成2.单体锚杆组成——锚头位于锚杆的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传给结构物或围岩。锚头由台座、承压板和紧固件等组成，必须保证：自身有足够的强度，并能将集中力分散。——杆体连结锚头和锚固体，作用是将来自锚头的拉力传递给锚固体。通常利用其弹性变形的特性，在锚固过程中对锚杆施加预应力。杆体通常由钢筋和钢管等制成。受拉张作用。——锚固体位于锚杆的根部，它将拉力从杆体传给地层。3.单体锚索组成

3.单体锚索组成

3.单体锚索组成

3.单体锚索组成

4.锚杆的根本力学参数1〕抗拔力锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力，即锚固力。2〕握固〔裹〕力锚杆杆体与粘结材料间的最大抗剪力。3〕粘结力锚杆粘结材料与孔壁岩土之间的最大抗剪力。4〕拉断力锚杆极限抗拉强度。◆岩土锚固的根本原理就是依靠锚杆周围稳定地层的抗剪强度来传递结构物(被加固物)的拉力，以稳定被加固体或保持地层开挖面自身的稳定。◆由于岩土体的复杂性，目前锚固作用的原理研究还不够深入。

◆悬吊作用原理3.4.2.2锚固的根本原理

◆组合梁作用原理提高地层承载能力3.4.2.2锚固的根本原理◆挤压加固作用原理

光弹实验证实◆复合作用◆岩土锚固的主要功能1〕提供作用于结构物上，用来承受外荷的抗力，其方向朝着与岩土相接触的点。2〕使被锚固地层产生压应力区或对通过的岩石起加筋作用〔非预应力锚杆〕3〕加固并增加地层强度，也相应的改善了地层的其它力学性能。4〕当锚杆通过被锚固结构时，能使结构本身产生预应力。5〕通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效的承受拉力和剪力。3.4.2.2锚固的根本原理1.灌浆锚固的根本概念用水泥砂浆〔或水泥浆、化学浆液、树脂等〕将一组钢拉杆〔粗钢筋或钢丝束等〕锚固在伸向地层内部的钻孔中。实际锚固工程中，水泥砂浆灌浆锚杆占绝大多数！2.砂浆锚固的传力过程取锚固段为隔离体，当锚固段受力时，拉力〔T〕首先通过钢拉杆周边砂浆的握裹力〔u〕传递到砂浆中，然后，再通过锚固段钻孔周边的地层粘结力〔摩阻力〕〔τ〕传递到锚固的地层中。由此可见，钢拉杆如受到拉力的作用，除了钢筋本身要有足够的截面积〔A〕承受拉力外，锚杆的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件：3.4.2.3灌浆锚固作用原理◆锚固段的砂浆对于钢拉杆的握裹力需能承受极限应力；◆锚固段的地层对于砂浆的粘结力〔摩阻力〕需能承受极限应力；◆锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。其中前两条是影响灌浆锚杆抗拔力的主要因素。3.锚固段的砂浆对于钢筋的握裹力在一般较完整的岩层中灌注的水泥砂浆抗压强度应不低于30MPa。如果严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，岩层锚杆的抗拔力Tu和最小锚固长度一般取决于砂浆的握裹力。为此：Tu≤πdLeu式中：Tu－锚杆的极限抗拔力〔KN〕d－刚拉杆的直径〔m〕Le－锚杆的有效锚固长度〔m〕u－砂浆对于钢筋的平均握裹应力〔KN/m2〕上式中砂浆的平均握裹应力u是一个关键的数值。dD砂浆anchorTiTi+1PiPi+1ui如图，Ti、Ti+1分别为锚杆在i、i+1断面上所受的拉力；Pi、Pi+1为i、i+1断面钢筋的应力；ui为这一段砂浆对于钢筋的单位面积握裹力，那么有：Li可见，只要将孔口内的钢筋分成不同的区段，就可以根据各区段两端截面上的钢筋应力〔P〕的数值，按上式计算求得各个区段中砂浆对于钢筋的握裹力〔u〕。很多资料说明，砂浆对于钢筋的握裹力，取决于砂浆与其周边以外砂浆之间的抗剪力，也就是砂浆本身的抗剪强度。然而，锚孔内砂浆握裹应力的分布情况相当复杂，在实际工作中，只考虑平均握裹应力的数值，并研究其所需的锚固长度。某些钢筋混凝土试验资料建议钢筋与混凝土之间的握裹应力大约为其标准抗压强度的10－20％，据此计算一根锚杆所需的最小锚固长度Lemin,并令锚杆钢筋的极限拉应力为σs，那么：按上式计算，在岩层中一般所需的锚固长度仅1－2m就够了，这已被铁道部科学研究院在屡次岩层拉拔试验中得到证实。试验资料说明：当采用热轧螺纹钢筋作为拉杆时，在完整硬质岩层的锚孔中其应力传递深度不超过2m。影响岩层锚杆拉拔能力的主要因素是砂浆的握裹能力。例如，当岩层锚固深度大于1.0m，采用φ25的20MnSi钢筋时，往往钢筋被拉断而锚固段不会从锚孔中拔出；φ32的16MnSi钢筋被拉到屈服点〔290KN〕；2φ32的20MnSi钢筋被拉到屈服点〔550KN〕都未发现岩层有较明显的变化。上述试验说明，一般钢拉杆在完整坚硬岩层中的锚固深度只要超过2m就足够了。但是，在使用中，必须判明以下情况：——锚固区岩体是否稳定，是否有滑坡、塌方的可能。——节理分割的锚固区岩块，在受拉力后是否会产生松动。考虑到上述因素，建议灌浆锚固段到达岩层内部〔除去外表风化层〕的深部不小于4m。必须指出:〔1〕上述平均握裹应力和最小锚固长度只适用于锚固在岩层中的锚杆。如果锚孔灌浆是在土层中，那么土层对于锚孔砂浆的单位粘结力〔摩阻力〕小于砂浆对钢筋的单位握裹力。因此，土层锚杆的最小锚固深度将受土层性质的影响。〔2〕风化层中钢筋应力和砂浆握裹力的分布都和新鲜岩层的情况有所不同〔注意除去外表风化层〕4.锚固段孔壁的抗剪强度〔粘结力〕在风化岩层和土层中，锚杆的极限抗拔能力取决于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大粘结力〔摩阻力〕。应为：

Tu≤πDLeτ上式中：Tu－柱状锚体的极限抗拔力〔KN〕D－锚杆钻孔的直径〔m〕Le－锚杆的有效锚固长度〔m〕τ－锚固段周边的抗剪强度〔KPa〕锚固段周边抗剪强度〔τ〕的数值受地层性质、锚杆的埋藏深度、锚杆类型和施工灌浆等许多复杂因素的影响。即便在相同深度处τ值也可能由于锚杆类型和施工灌浆方法的类别而有较大变化。锚杆孔壁与砂浆接触面的抗剪破坏，可能有三种：1)砂浆接触面外围的地层剪切破坏2)沿砂浆和孔壁的接触面剪切破坏3)沿砂浆内的剪切破坏一般而言，土层的强度是低于砂浆强度，所以上述3)通常不可能发生。如果施工灌浆工艺好，那么2)也不可能发生，因此，土层锚杆孔壁对于砂浆的粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度。即为：τ=σtgφ+c式中c－－锚固区土层的粘聚力φ－－土的内摩擦角σ－－孔壁周边法向压应力3.4.3锚固工程设计计算3.4.3.1一般要求在方案使用岩土锚杆时，应充分研究锚固工程的平安性、经济性和施工的可行性。1.设计前有关资料的调查和收集1)场地地形条件2)周边已有建筑物情况3)地下埋设物4)道路交通5)气象等2.工程地质勘察了解岩土体结构及有关物理力学参数、地下水特征等资料。必须强调：

◆有机质土层作为永久锚固的锚固地层，会引起锚固体的腐蚀破坏；◆液限WL大于50％的土层，由于其高塑性会引起明显蠕变，不能长久的保持恒定的锚固力；◆相对密度Dr小于0.3的松散地层，锚固体单位面积上的粘结力极低。以上三种未经处理的地层均不得作为永久锚杆的锚固地层。3.有关临时和永久性锚杆临时性锚杆：使用期限在2年以内的工程锚杆永久性锚杆：使用期限在2年以上的工程锚杆3.4.3.2锚杆设计流程锚杆设计的内容包括：

◆计算外荷载〔斜坡、挡墙、锚拉桩〕◆决定锚杆布置和安设角度◆锚杆锚固体尺寸设计◆预应力钢筋确定◆稳定性验算◆锚头设计〔流程图如下页〕调查与勘察计算作用在结构上的外力决定锚杆布置与安设角度锚固体设计决定锚杆设计的锚固力锚杆长度确实定锚杆预应力筋的设计锚固体尺寸是否满足设计要求锚杆稳定性验算是否满足要求岩体结构岩土性质临近的状况锚固地层位置锚固体形式平安系数锚固体直径锚固地层力学性质锚杆预应力值的决定锚杆锚头的设计否否3.4.3.3锚杆布置和安设角度锚杆的布设应满足以下要求：1〕锚杆上覆地层厚不应小于4m，以防止车辆行驶等反复荷载的影响，也是为了不致由于较高注浆压力而使上覆岩体隆起。2)锚杆的水平和垂直间距一般不宜大于4m，以防止压力集中，也不得小于1.5m，以免“群锚效应〞而降低锚固力；3)锚杆的安设角度，对基坑或近于直立的边坡而言，需考虑临近状况、锚固地层位置及施工方法。一般锚杆的俯角不小于13°，不大于45°，以15-35°为好。俯角愈大，那么有利于抵抗侧压力的水平分力愈小，而由于垂直分力加大，会引起护壁桩向下压力增大等不良影响。此外，在可能条件下，锚杆锚固体应锚定于较好的地层中。3.4.3.3锚杆布置和安设角度4)必须充分了解斜坡的地质状况，确定斜坡变形破坏的模式后，才能决定锚杆布置位置。总原那么是：锚杆布置对斜坡产生最大抗力。5)锚固体〔段〕应布置于较完整和坚硬的地层中，并通过比较选出与此地层相适应的内锚头。6〕锚杆数量m应根据锚固工程所需加固力T和锚杆设计锚固力Nt确定，即：m=T/Nt3.4.3.4边坡〔滑坡〕加固力计算◆平面破坏模式假设锚杆加固力T以θ角穿过边坡的破坏面，那么加固后边坡平安系数Fs为：式中：T－锚杆加固力C，φ－岩土的粘聚力和内摩擦角W－滑体的自重L－破坏面长度U1－破坏面上的静力上托力U2－满水时后缘拉裂缝中的静水压力Fs－边坡的平安系数a，β－分别为边坡坡角和破坏面倾角θ－锚杆方向与水平面的夹角◆多滑块平面破坏模式多滑块平面破坏模式中最常见的是双滑块破坏模式。如不考虑所施加的加固力T，假定主动滑块处于极限平衡状态，那么可求得边坡稳定系数为：式中：◆多滑块平面破坏模式如考虑作用于边坡上的加固力T，那么平安系数Fs计算公式为：◆圆弧形破坏模式式中：Wi——第i条块自重；

αi——第i条块破坏面倾角Ui——第i条块破坏面水压力边坡稳定系数：当加固力T作用于剪切面时，其法向分力Pn和切向分力Pt有助于斜坡稳定。锚固后边坡的平安系数Fs为：式中：θ为锚杆轴线与破坏面法线的夹角值得注意的是：平面破坏模式的上述加固力计算公式所得到的是单位厚度边坡所需的加固力。3.4.3.5锚杆结构设计1.锚杆极限锚固力及锚固体设计锚杆的极限锚固力随锚固形式不同，计算方法也有所不同，圆柱型锚杆的锚固力由锚固体外表与周围地层的摩擦力或砂浆的握固力提供。端部扩大型锚杆的锚固力除此之外还有扩大局部的面承力。◆圆柱型锚杆的锚固力P和锚固段长度Lm式中：P－锚杆极限锚固力Lm－锚固段长度Nt－锚杆的设计锚固力qs－锚固体外表与周围岩土体间的粘结强度d－锚固体直径，一般为80-150mm〔土层中〕K－锚杆平安系数[注]：〔1〕锚固体外表与周围地层间的粘结强度qs与许多因素有关，如：钻孔方法、岩土性质、渗透性、抗剪强度、锚杆上覆地层厚度、灌浆压力等。它一般不能精确确定，应由试验确定。结合国内外实测结果，给出下表所示的粘结强度推荐值。但它仅用于初步设计时估算锚杆锚固力。岩土种类岩土状态qs值（Kpa）淤泥质土－20－25粘性土坚硬60－70硬塑50－60可塑40－50软塑30－40粉土中密100－150砂土松散90－140稍密160－200中密220－250密实270－400岩石泥岩600－1200风化岩600－1000软质岩1000－1500硬质岩1500－2500〔2〕关于锚杆的平安系数K未形成统一标准，?土层锚杆设计与施工标准?规定为：锚杆破坏后危害程度安全系数临时锚杆永久锚杆危害轻微、不构成公共安全问题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◆端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度〔1〕砂土中锚杆极限锚固力计算：那么在外力作用下所需锚固段的长度由下式求得：式中：Nt－锚杆设计轴向拉力值K－锚杆平安系数qs－粘结强度βc－锚固力因素h－扩大头上覆土层厚度r－土体重度◆端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度实际工作中，假设扩孔段长度L2较小，扩孔直径变化不大，那么忽略锚孔直径变化带来的摩阻力差异，那么锚固段长度Lm可按下式近似计算：〔2〕粘土中锚杆极限锚固力计算同样，锚固段长度可由下式求得：式中：τ－土体不排水抗剪强度，βc——锚固力因素，可取9其它符号同前与砂土中类似：近似计算公式为：◆完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度以上是按锚杆锚固体与地层粘结强度确定锚固力和锚固长度。在较完整岩体中〔灌注的水泥砂浆抗压强度不低于30MPa〕，如果严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，完整岩层锚杆的锚固力和锚固长度一般取决于砂浆的握裹力，即：式中：ds——锚杆直径；Lsm——完整岩层中锚固段长度；τs——砂浆对锚杆的平均握裹力，一般由试验确定。◆完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度为平安起见，对极限锚固力作一定折减：在实际设计计算中，应分别按锚固体与地层以及锚杆与水泥砂浆计算出锚固长度Lm和Lsm，然后，以大者作为锚固长度设计值。2.锚杆自由段长度确实定

一般锚杆自由段长度不宜小于5.0m，以防止由于锚具的缺陷或移动使施加的预应力出现显著的衰减。同时，自由段一般应超过破裂面1.0m，以利于被锚固地层的稳定性和锚固的可靠性。3.锚杆拉杆设计◆锚杆的拉杆尽可能的采用抗拉强度高的材料，如钢铰线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋等，最大限度的减少钻孔和施加预应力的工作量。◆设计轴向力小于500KN〔小预应力〕，长度小于20m的锚杆，通常采用普通Ⅱ、Ⅲ级钢筋。◆大预应力〔500KN〕、长锚杆〔20m〕或具有徐变的地层，锚杆采用钢绞线。其预应力损失量仅仅为普通钢筋的1/7。◆锚杆拉杆的截面面积按下式确定：A=K·Nt/fptk式中：A—锚杆拉杆截面积；Nt—锚杆设计轴向力；K—锚杆平安系数；fptk—钢丝、钢绞线、钢筋强度标准值。◆对有腐蚀性地层的永久性锚杆，其钢筋直径应增大2-3mm，以增大锚杆的耐腐蚀性。3.锚杆拉杆设计◆目的：使拉杆处在砂浆的中央，能均匀受力；使砂浆呈等厚度包裹拉杆，满足防腐要求〔砂浆保护层厚度不得小于10mm〕。◆对中器设计要求：满足功能要求；安装顺利◆设计范例〔可因地制宜自行设计〕4.锚杆拉杆对中器设计3.4.3.6锚头设计及锚杆的锁定荷载

1.锚头设计◆锚头设计考虑的因素：锚杆设计荷载、岩土体条件、支挡结构和施工条件。◆设计要求：1〕锚头的传力台座的尺寸和结构构造应使台座具有足够的强度和刚度，不得产生有害的变形，并符合钢筋混凝土设计标准要求。2〕锚具型号、尺寸的选取应保持锚杆预应力值的恒定，并满足机械零件设计要求。

3.4.3.6锚头设计及锚杆的锁定荷载

1.锚头设计◆锚头的组成：台座〔支墩〕、承压板〔垫板〕、紧固器〔锚具〕◆台座通常由钢筋混凝土组成，其中放置承压板的外外表必须设计成与锚杆垂直。按受压构件设计。◆承压板采用高强度钢板，起应力扩散作用，要求变形小。◆紧固器：钢筋螺母或钢绞线锚具1〕螺母的尺寸和规格根据钢筋直径、螺纹规格和预应力大小确定；2〕钢绞线锚具根据可分为：4孔、7孔、9孔、12孔、15孔等不同型式，可根据设计要求到厂家订做。国内常用的有OVM、JM、QM锚具系列。3.4.3.6锚头设计及锚杆的锁定荷载2.锁定荷载对于锚杆，原那么上可按锚杆设计轴向拉力值〔工作荷载〕作为预应力值而加以锁定。但具体工程中，锁定荷载应视锚杆的使用目的和地层性状而加以调整。◆岩体加固和边坡抗滑的锚固加固松动岩体、滑移边坡时，以设计拉力值为锁定荷载为好。◆结构物反面地层为松散土质一般锁定荷载为设计拉力值的0.6－0.8。◆允许变形的结构物的锚固，可取设计拉力值的0.5-0.7倍作为锁定荷载。◆预计地层有明显的徐变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。3.4.3.7锚杆稳定性验算

锚杆有多种破坏形式，设计时必须仔细校核各种可能的破坏形式。因此，除了要求每根锚杆必须能够有足够的承载力之外，还必须考虑包括锚杆和岩土体在内的整体稳定性。一般是针对土层锚杆而言。锚杆稳定性验算包括：外部稳定性验算和内部稳定性验算。1)外部稳定性是验算在锚固系统外的整体失稳按土坡稳定性圆弧滑动验算；2)内部稳定性是验算在锚固系统边缘的整体失稳按Kranz简化法计算。1.单排锚