基坑与边坡工程：第六章 锚固结构

第六章 锚固结构（anchoring）,第一节 概述 一、锚固的基本概念 1.岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达到有效的调用和提高岩土的自身强度和自稳能力的技术。 2.斜坡锚固：是岩土锚固中的一种，即它是一种将受拉杆件埋入斜坡中，达到有效的调用和提高斜坡的自身强度和自稳能力的技术。,二、岩土锚固的特点,1.调用岩土自身的强度，达到提高其自稳能力的目的。 2.岩土体成为工程结构的一部分。 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。,四、岩土锚固技术在岩土工程中的应用,1.边坡稳定工程,2.深基础工程,3.结构抗倾覆应用,4.隧道加固,5.各种构筑物稳定与锚固,电线杆，荷载试验，坝下游冲刷区，海洋平台,6.其它用途,五、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 同分类原则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锚杆：管缝式锚杆和水胀式管状锚杆机械式锚杆：胀壳式锚杆和楔缝式锚杆 4.安锚杆杆体材料分为：金属锚杆木锚杆竹锚杆 钢筋混凝土锚杆 5.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.按锚固部分大小分：全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆,第二节 锚固作用原理,一.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，或者说就称为锚杆（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。 单体锚杆有三大部分组成：杆体，锚头，锚固体。 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。,杆体 连结锚头和锚固体，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 随着锚固技术的发展，应用越来越广泛，处理的工程的难度 和规模也增大，要求锚杆承受的荷载也越来越大。 锚索 广义讲，锚索实际上是高承载力的锚杆 锚索组成仍为三大部分：锚头，锚索体，锚固体。,锚头：由垫板、锚环、锚塞和混凝土墩组成。 锚索体：由高强钢丝、钢丝束、钢丝绳、钢铰线等制成。 锚固体；定位止浆环、扩张环、导向帽等。 4.锚杆的基本力学参数 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。,二.锚固的基本原理 岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度 来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。 岩土锚固的主要功能是： 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）(见下页图) 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。*锚杆的这些功能是相互补充的，对某一特定工程而言，也并非每一个功能都能发挥作用。,三.灌浆锚固作用原理 1.灌浆锚固的基本概念指的是用水泥砂浆（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 取锚固断为隔离体，当锚固断受力时，拉力（T）首 先通过刚拉杆周边砂浆的握裹力（u）传递到砂浆 中，然后，再通过锚固断钻孔周边的地层粘结力 （摩阻力）（）传递到锚固的地层中。 由此可见，刚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：,1）锚固段的砂浆对于刚拉杆的握裹力需能承受极限应力； 2）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； 3）锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。 其中1）、2）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 抗拔力和最小锚固长度一般取决于砂浆的握裹力。为 此：Tu *d*Le*u,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。 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 料表明，砂浆对于钢筋的握裹力，取决于砂浆于其周边 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于混凝土之间 的握裹应力大约为其标准抗压强度的1020， 据此计算一根锚杆所需的最小锚固长度并令锚杆 钢筋的极限拉应力为 s，则：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多次 岩层拉拔试验中得到证实。试验资料表明：当采 用热轧螺纹钢筋作为拉杆时，在完整硬质岩层的 铺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 25的20MnSi钢 筋时，往往钢筋被拉断而锚固段不会从锚孔中拔出； 32 的16MnSi钢筋被拉到屈服点（290KN）；2 32的20MnSi 钢筋被拉到屈服点（550KN）都未发现岩层有较明显的变 化。 上述试验表明，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，建议灌浆锚固段达到岩层内部（除去表 面风化层）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，则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岩层的情况有所不同（注意除去表面风化层） 4.锚固段孔壁的抗剪强度 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 *D*Le* 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） 锚固段周边的抗剪强度（kPa） 锚固段周边抗剪强度（ ）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 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，可能有以下 三种：,1)砂浆接触面外围的岩层剪切破坏 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，则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：=tg+c 式中c锚固区土层的粘聚力 土的内摩擦角 孔壁周边法向压应力,边坡规范对锚杆的计算,基坑规范对锚杆的计算,第三节 锚杆设计,一、一般要求 在计划使用岩土锚杆时，应充分研究锚固工程的 安全性、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参数、地下水特征等资料。 注： 1)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 2)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 3)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低。 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,二、锚杆设计流程,锚杆设计包括： 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,计算作用在挡土墙（桩）上的侧压力,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,锚杆长度的确定,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 安全系数 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,三、锚杆布置和安设角度,1）锚杆上覆地层厚不应小于4m，以避免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，以避免压力集中，也不得小于1.5m，以免“群锚效应”而降低锚固力 3)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。总原则是：锚杆布置对斜坡产生最大抗力。 4)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度，不大于45度，以15-35度为好。俯角愈大，则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。,四、锚固力计算,1.平面破坏面的锚固力假设锚杆锚固力P以a角穿过斜坡的破坏面，则有斜坡安 全系数Ks为：,式中： P锚杆锚固力 c， 岩土的粘聚力和内摩擦角 W滑体的自重 L滑体长度 U1滑体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 Ks斜坡的安全系数 a，分别为斜坡坡角和破坏面倾角 锚杆方向与破坏面法线的夹角,2)圆弧形破坏面的锚固力,当一锚固力P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。锚固后斜坡的安全系数为：,式中： N土体重量垂直于剪切破坏面的分力 T土体重量平行于剪切破坏面的分力 L一条剪切破坏面的宽度 C，f土体的粘聚力和摩擦系数 3)其它计算（略）,当锚杆轴线与剪切破坏面的法线成a角时，有Pn=P*sinaPt=P*cosa 代入上式验算：,边坡规范,基坑规范,五、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表面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座端的面承力。,1)圆柱型锚杆的极限锚固力PL和锚固段长度LmPL=* d*LmqsLm=(K*Nt)/(* d*qs) 式中： PL 锚杆极限锚固力 Lm 锚固段长度 Nt 锚杆的设计轴向拉力 qs 锚固体表面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 安全系数,边坡规范,基坑规范,六.锚杆的锁定荷载和锚头设计,1.锁定荷载 对于锚杆，原则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。但锁定荷载应视锚杆的 使用目的和地层性状而加以调整。 1）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。 2）结构物背面地层为松散土质 一般锁定荷载为设计拉力值的0.60.8。 3）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1.21.3倍，然后再退到 设计拉力值锁定。,2.锚头设计概述 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。 锚具型号、尺寸的选取应保持锚杆预应力值的恒 定。 七.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。,分析锚杆稳定性分为两种情况： 1)在锚固系统外的整体失稳：按土坡稳定性验算 2)在锚固系统边缘的整体失稳：按Kranz简化计算,1.单排锚杆稳定性验算从土质边坡内取一单元体，根据单元体的极限衡状态用力多边形图解法对锚杆稳定性进行验算。 2.双排锚杆稳定性验算 计算方法相同。,八、锚杆的防腐设计,对锚杆的腐蚀环境，应进行充分的调查，并选择适当的防护方法。 防腐设计的原则 1)防腐方法不能影响锚杆各部件的功能。因此对锚杆的不同部位要作不同的防腐结构设计。 2)防腐方法的确定还必须使防腐材料在施工期间免受损伤，并保证长期具有防腐效能。 3)永久性锚杆应采用双层防腐，临时性锚杆可采用简单防腐（当腐蚀环境特别严重时，也应采用双层防腐）,1.锚固体的防腐 1)波形防护管：永久性锚杆防腐用，防护管与锚杆间的空隙内填充环氧树脂和水泥砂浆 2)水泥砂浆封闭防腐 注意锚杆一定要居中，一般使用定位器。 保护厚度： 大于等于20mm（永久性锚杆）大于等于10mm（临时性锚杆） 2.自由段防腐 该段的防腐构造必须不影响张拉钢材的自由伸长。 临时性锚杆防腐法 用润滑油或防腐油漆涂刷后，再用塑料布包裹。 永久性锚杆防腐法 在临时性锚杆防腐方法之后，还要在塑料布上涂润滑油或 防腐漆，最后套防腐塑料管。,注：若自由段存在空隙，容易积存雨水，经上述防腐处理后，最后用水泥浆充填封死。 3.锚头防腐 1)临时性锚杆锚头防腐 沥青封闭 2)永久性锚杆锚头防腐 承压板涂沥青 a.如锚杆不需要再次张拉，锚头涂润滑油、沥青后用混凝土封死。 b.如锚杆需要再次张拉，可采用合具封闭，但合具的空腔内必须用润滑油充填。,第四节 锚杆施工,锚杆施工主要包括：施工准备，锚杆孔钻凿，锚 杆制作与安放，注浆，锚杆张拉和锁定。 一、施工准备 施工前的调查 施工组织设计 二、锚杆孔的钻凿 1.一般要求 1)钻孔过程中，对锚固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较好，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，应选择不同的钻机和钻孔方法，以保证杆体插入和注浆过程中孔壁不致塌陷，钻孔直径符合设计要求，不致使孔壁过分扰动。,3)钻孔用水以清水为好，膨润土悬浮液和浆水都会减弱锚杆的锚固力，应避免使用。 4)锚固长度区段内的孔壁如有沉渣或粘土附着，会使锚杆锚固力下降，因此，要求用清水充分清洗孔壁。 5)施工过程若有地下水从钻孔中流出，必要时应采取注浆堵水，以防止锚固段浆液流出而影响锚杆的锚固力。 6)对滑坡整治和斜坡稳定工程，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。2.钻孔精度钻孔精度视结构物的重要程度和使用目的而有所不同。不同规范也有不同要求。一般孔底偏离轴线的误差不超过钻孔长度的3 。 3.钻孔机械和钻孔方法 短锚杆孔：气功冲击钻机（风钻）长锚杆孔：回转，冲击，回转冲击 4.锚杆孔的扩孔方法 可采用“专门的钻孔机具”或在“孔内放少量炸药”进行扩孔。,三、锚杆杆体的制作,杆体材料：普通钢筋、螺纹钢筋、高强钢丝、钢铰 线。 短锚杆制作、安放、施加预应力等都较简单 长锚杆制作、运输等都较困难，最好采用钢铰线， 其柔性好，便于运输、安装。 1.棒条锚杆的制作 简单按要求的长度切割钢筋。每隔2-3m放隔离 件 2.多股钢铰线锚杆的制作 我国常用锚杆钢铰线为74和75 两种。 （示意图）,四、注浆,1.注浆材料：水泥浆和水泥砂浆 水泥：标号 325#普通硅酸盐水泥 水：一般凡适合于饮用的水均可作为拌合水。 水灰比：实践表明：1:0.41:0.45。采用这种水灰比具有泵送所要求的流动速。因而易于渗入小型开口的孔隙之中，硬化的灰浆具有足够的强度和防水性，收缩也小。 灰砂比：当选用水泥砂浆时，灰砂比为：1:11:2，且砂子的粒径不得大于2mm。水泥砂浆只能用于一次注浆。,为了改善水泥浆体在施工中和硬化后的性能，可以加入适量的外加剂。如 早强剂：三乙醇胺 缓凝剂：本质磺酸钙 减水剂：UNF_5等 2.水泥浆的搅拌 遵循下列基本原则： 1)适量的水泥和砂子必须按重量计量 2)在向搅拌机输送水泥和砂子以前，就必须把拌合水送到搅拌机 3)向搅拌机送入任何一种外加剂，均需在搅拌时间过半后送入 4)机械搅拌时间不应少于2分钟，应避免用人工搅拌。 3.注浆工艺（不讲）,五、锚杆的张拉与锁定,1.锚杆张拉的概念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求的预应力值 2.张拉的要求 1)锚杆张拉前，应对张拉设备进行标定 2)当锚固体与台座混凝土强度大于15MPa时，方可进行张拉 3)锚杆正式张拉前，应取0.10.2倍设计轴向拉力值，对锚杆预张拉12次，使各部位紧密接触，杆体完全平直。 4)永久性锚杆的张拉控制应力con0.60fptk 临时性锚杆的张拉控制应力con0.65fptk fptk为锚杆材料强度标准值 5)当锚杆张拉至设计轴向拉力值的1.11.2倍时，保持一定时间，然后卸至锁定荷载进行锁定。 张拉设备：空心千斤顶、高压油泵等,思 考 题 简述锚杆(索)的结构与分类 。 简述锚杆在边坡加固中通常与哪些支挡结构联合使用及相应的使用范围。 如何进行锚杆体和锚固体的设计？ 如何对锚杆(索)的锁定荷载 进行调整？ 简述锚杆(索)的构造设计。 简述锚杆施工 的具体步骤。,感谢聆听！,