第三章3.8锚固工程设计

锚固工程设计1锚固的基本概念1岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达到有效的调用和调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自身强度和自稳能力的技术。一、概述2锚固工程技术的发展世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时间内，锚杆在采矿工业中得到普及。美国60年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%～75%。1952年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差。但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。英国主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的设计方法。澳大利亚自1932年发明Ｕ型钢支架以来，主要采用Ｕ型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上。自80年代以来，由于采深加大，Ｕ型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。德国国内锚固支护发展2个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。（之前机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆）锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。美国、澳大利亚接近100%，英国80%，美国锚杆支护为巷道顶板的唯一支护方式。我国1995年时约15.15%，目前约50%。3锚固工程技术特点和应用范围边坡稳定工程深基础工程结构抗倾覆工程隧洞加固工程各种构筑物稳定与锚固其他用途锚杆在滑坡治理工程中的应用秭归马槽岭滑坡预应力锚索抗滑桩秭归邓家坡滑坡滑坡预应力锚索格构深圳梧桐山大道辅道边坡锚杆挡墙二、锚杆类型和结构适用于不同地质条件，具有不同功能和用途的锚杆有数百种。锚杆分类方法按按不同分类原则由很多种。主要的分类有：1、按应用对象分岩石锚杆土层锚杆海洋锚杆2、按预应力分预应力锚杆（主动式锚杆）非预应力锚杆（被动式锚杆）锚杆类型3、按锚固机理分：4、按锚固体形态分：机械式锚杆摩擦式锚杆粘结式锚杆水泥砂浆锚杆、树脂锚杆管缝式锚杆、水胀式管状锚杆胀壳式锚杆、楔缝式锚杆圆柱形锚杆端部扩大型锚杆连续球体型锚杆5、按锚固长度分：全长锚固式端部锚固式加长锚固式粘结式锚杆有三大部分组成：杆体，锚头，锚固体锚杆结构图二、锚杆类型和结构锚杆结构锚头锚头位于锚杆的外露端，也称外锚段，通过它最终实现对锚杆施加荷载，并将锚固力传递给结构物或围岩。螺母和垫板是锚头部分的重要部件。锚杆结构图杆体锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指将杆体与岩土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。组成锚杆必须具备几个因素：①一个抗拉强度高于岩土体的杆体②杆体一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力③杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力自旋树脂锚杆玻璃钢锚杆自钻锚杆管缝锚杆胀壳锚杆无粘结钢绞线锚固体锚固体将拉力从杆体传递到地层。粘结型锚固体主要有水泥质粘结材料和树枝类粘结材料。1、水泥浆或水泥砂浆2、快硬水泥药卷3、树脂二、锚杆类型和结构锚索结构锚索也是锚杆的一种，具有高承载力。三部分组成：杆体，锚头，锚固体1-锚墩；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-自由隔离层；6-锚孔；7-对中支架；8-隔离架；9-钢绞线；10-束紧环；11-锚固体（注浆体）；12-导向帽；Lf-自由段长度；La-锚固段长度二、锚杆类型和结构预应力锚索类型锚固设计就是针对特定的地层条件和锚固型式，确定锚杆(索)承载能力和锚固长度。为了使锚索的应力能传人稳定的地层，通常采用下列方法来达到目的：①用极限装置（例如涨壳式内锚头）把锚索固定在坚硬稳定的地层中;②用注浆体（例如砂浆、素水泥浆或树脂类注浆体）把锚固段锚索体与孔壁粘结在一起；③用扩大锚头钻孔（例如高压注浆，扩孔）等手段把锚固段固定在稳定地层中。由于地层条件千变万化，锚杆（索）的锚固性能对地层性质的变化极其敏感，所以不能用一个简单的公式来准确计算其锚固力。通常需要通过现场试验来确定锚杆（索）在特定地层的锚固力和锚固性能。三、锚固设计三、锚固设计锚杆（索）锚固设计的主要内容：①根据地层情况合理选择锚杆（索）锚固类型及结构尺寸；②确定锚杆（索）的锚固力设计值及预应力量值；③确定锚杆（索）体材料及截面面积；④计算锚杆（索）注浆体与地层之间的粘结长度；⑤计算锚杆（索）注浆体与锚索体之间的粘结长度；⑥确定锚杆（索）锚固段长度、张拉段长度及锚固深度；⑦选择张拉设备及锚具；⑧确定锚杆（索）的结构形式及防腐措施；⑨确定锚头的锚固形式及防护措施。锚杆在破坏时，常表现为以下几种破坏形式：（1）沿着锚杆体与注浆体接合处破坏；（2）沿着注浆体与地层接合处破坏；（3）由于埋入稳定地层中的深度不够而使地层；（4）由于锚杆体强度不足而出现断裂；（5）锚固段注浆体被压碎或破裂；（6）整体支护力不够而出现锚杆群的破坏极限锚固力：锚杆的极限抗拔力，通常由破坏性拉拔试验确定。极限锚固力由锚杆（索）体与注浆体界面的锚固力；注浆体与地层界面的锚固力；锚固体强度；地层的抵抗力决定。容许锚固力：能满足长期受力，控制锚固体及地层的塑性破坏区，满足变形要求的锚固力。通过极限锚固力除以适当安全系数确定。设计锚固力：能满足被加固岩土体稳定性要求的锚固力。工作锚固力：工作期间所实际受的锚固力。预应力锁定值：锁定值就是锚索的预加力值，即锚索的初始预应力荷载。预应力张拉值：预应力锚索施工期间张拉时的最大荷载滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-2006锚杆（索）锚固设计，锚固力应满足的条件----锚索容许锚固力，kN----锚索极限锚固力，kN----安全系数----锚索设计锚固力----锚索工作锚固力1、设计锚固力的确定2、锚筋设计3、锚固段设计4、锚杆的布置5、锚筋的选用6、构造要求三、锚固设计1、设计锚固力确定锚杆（索）的设计锚固力应根据边坡的推力大小和支护结构类型综合考虑确定。首先应当计算滑坡的推力或侧压力，然后根据支挡结构的形式计算该滑坡要达到稳定需要锚固提供的支撑力。根据这个支撑力和锚杆数量、布置便可确定单根锚杆（索）所需的锚固力—设计锚固力，该荷载的大小作为锚筋截面计算和锚固体设计的重要依据1、设计锚固力确定后缘裂隙静水压力沿滑面扬压力A—地震加速度（g）①岩质滑坡锚固力计算滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-2006滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-2006①岩质滑坡锚固力计算1、设计锚固力确定②土质滑坡锚固力计算滑坡防治工程设计与施工技术规范DZT0219-20061、设计锚固力确定1、设计锚固力确定建筑边坡工程技术规范GB50330-20131、设计锚固力确定建筑边坡工程技术规范GB50330-2013三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求1、设计锚固力确定三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求1、设计锚固力确定三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求2、锚杆钢筋截面面积计算2、锚杆钢筋截面面积计算三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求建筑边坡工程技术规范GB50330-20132、锚杆钢筋截面面积计算三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求2、锚杆钢筋截面面积计算《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025-2006)2、锚杆钢筋截面面积计算《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025-2006)2、锚杆钢筋截面面积计算二级边坡，设计单根锚索锚固力为1000kN，地层岩土体和地下水对钢筋混凝土的腐蚀等级微，采用1860级15.24钢绞线，单根锚索需要多少根钢绞线？例题3.8.1utsPPFn16.625910007.17.11nsF取取n=7，单根锚索需要7根钢绞线按《三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求》（铁路路基支挡结构设计规范）按《建筑边坡工程技术规程》pytbsfPKA23151513201010000.2mmAs8.101401515n取n=10.8，单根锚索需要11根钢绞线岩石边坡高12m，边坡等级二级，侧向压力水平分力标准值150kN/m，设置锚杆排距间距均为2m，水平下倾角15°，锚筋采用HRB400螺纹钢，试确定锚筋截面积。例题3.8.2HEehkij=150/12=12.5kPayxijtkSSeH=12.5×2×2=50kNcos/tkakHN=50/cos15=51.8kN按《三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求》akQaNN=1.3×51.8=67.3kNyasfNA20=67.3×1000/(0.69×360）=271mm2yakbsfNKA按《建筑边坡技术规程》23s0.2288360108.512mmAbK取锚固段形式在不同的地层中的锚固段型式有较大的差别，工程中常用的锚索的锚固段型式可归为A~D四种3、锚固段长度确定1.A型锚固段主要用于岩体或硬质粘性土地层。其锚固段钻孔为直筒状，采用较小的压力（Pg1MPa）或无压注浆。注浆后锚固段钻孔无扩孔现象发生，其锚固力主要受注浆体与地层界面控制。2.B型锚固段适用于软弱裂隙岩体或非粘性土。采用压力注浆，注浆压力一般大于1MPa。在软弱裂隙岩体和粗粒状非粘性土层中，由于注浆液渗人地层孔隙或自然裂隙，使锚固段有效直径增加，在细粒状无粘性土中，注浆体虽然不易渗人地层细小的孔隙，但由于在注浆压力作用下可以局部挤压地层使锚固段有效直径增加，从而可提高锚固力。锚固力取决于锚固段部分地层的周边抗剪力。3.C型锚固段通常是施工方法是，预先像B型锚固段那样先进行第一次注浆，待注浆体初凝之后通过设置在锚固段的袖阀管进行第二次高压注浆，当发生浆液压力突然降低时，表明劈裂现象已经形成。理论上C型锚固段适用于从软岩到各类土层，但对于较硬的地层，要使用较高的注浆压力才可实现，对于土层中的锚索，无控制的注浆压力可能导致地层的隆起和损坏相邻建筑物。国际预应力学院建议注浆压力不大于锚固段每米埋深的0.02MPaC型锚固采用高压注浆，注浆压力一般大于2MPa，锚固段地层由于受注浆体的水力劈裂作用二形成了大于原钻孔直径的树根状注浆体，从而可增加锚固力。4.D型锚固段D型锚固段适用于粘土地层。施工时，首先在粘土中钻一圆柱形的锚索孔，然后把锚固段部分的钻孔使用一种带有铰刀的钻具钻成一系列哑铃状的扩大孔，扩孔后的直径一般为原直径的2~4倍，因而可提高锚索的锚固力。D型锚固段的锚固力主要取决于钻孔地层的周边抗剪力和端承载力。3、锚固段长度确定锚固段的长度可根据理论计算、类比法和拉拔试验确定。锚索在注浆体与地层界面的锚固力受诸多因素的制约，岩石的强度、锚索类型、锚固段形式及施工工艺对注浆体与地层界面的锚固力都会产生影响，此外，还存在许多未了解的因素。。这些因素设计到注浆体与地层界面结合的力学问题和锚索与地层互相作用问题。所有计算锚固力的公式都是在一定的假设条件下得到的，然而这些假