6.4锚固结构设计

6.4.1.1锚固的基本概念（1）岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达到有效的调用和提高岩土的自身强度和自稳能力的技术。这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用就是锚固。（2）锚固工程：应用数学、力学和工程材料等科学知识来解决岩土工程中的锚固计算、设计、施工和监测等方面的技术和工艺就称为锚固工程。6.4.1概述6.4锚固结构设计6.4.1.2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。众所周知，岩土锚固技术是当前岩土工程领域的一个重要分枝。由于这项技术能够主动调用并提高岩土的自身强度和自稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都在大力开发这门技术。6.4.1.3岩土锚固技术的发展◆国际上的发展——自1911（1912）年美国首次采用岩石锚杆支护矿山苍道起，锚固技术便迅速发展．——1918年西利西安矿山开采使用锚索支护。——1934年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆(索)。——1957年德国Bauer公司在深基坑中使用土层锚杆。据不完全统计，国外各类岩石锚杆已达600余种，锚杆年使用量达2．5亿根。6.4.1.3岩土锚固技术的发展◆国际上的发展理论研究：——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等人发展)。6.4.1.3岩土锚固技术的发展——我国使用岩石锚杆起始于上世纪50年代后期（矿山），到60年代末，锚固技术（砂浆锚杆）已在我国的矿山、水电、铁路、土木建筑等系统内广为采用。——1964年，使用中出现偏斜和裂缝的梅山水库右岸坝基加固采用了预应力锚索。——1969年，海军某库大跨度地下工程采用锚杆加固高40m的岩墙，比原计划的钢筋混凝土边墙支护节约投资250万元，并缩短了工期。——上世纪70年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用土层锚杆支护。近一、二十年来，我国的交通、能源和民用建筑迅速发展，锚固技术得到了更广泛的应用和进一步的发展。◆国内的发展——民用建筑方面：北京天府饭店、京城大厦，上海太平洋饭店，成都四川宾馆、龙舟大厦等一大批深基坑工程相继大规模采用预应力锚杆。——水电方面：镜泊湖水电站，葛州坝水电站，洪门水电站，天生桥二级工程，漫湾电站(云南)，李家峡电站、黄河小浪底水电站等水电工程中都分别对坝基、坝体、闸室、导流洞、左岸边坡、坝肩边坡等有隐患的部位进行了预应力锚索加固。有效地提高了这些水工结构物的长期稳定性和安全保证。至于系统锚杆、锚索加固，则几乎无一电站不采用。目前正在施工的三峡工程，其设计锚固工程量非常大，仅就船闸高边坡而言，大量使用锚杆、锚索加固工程的造价将达数亿元。——隧道方面：上世纪80年代以来，我国已经在极端复杂的工程地质条件下建成了一大批隧道与地下工程，其软弱、松散的洞室围岩均采用了各种型式的锚杆(索)技术进行了有效的加固，数有代表性的有大秦线军都山双线铁路隧道工程，金川镍矿山巷峒工程，张家洼铁矿山巷峒工程，舒兰煤矿山巷峒工程等。——地质灾害防治：我国越来越多地采用锚固技术加固和整治滑坡、变形体和危岩，最具代表性的当数长江三峡链子崖危岩体锚索加固工程。在该工程中，仅“五万方”危岩体的加固，就需1000KN、2000KN和3000KN预应力锚索约200根。——锚固机理及相应的设计计算方法——锚杆材料及类型方面——锚固施工机具方面：砂浆锚杆钻装机（马鞍山矿山研究院）、自进式缝管锚杆安装机（冶金部建筑研究总院）、全液压多功能钻机（广西柳州建筑机械总厂、原地矿部机械电子研究所）6.4.1.4锚固技术在边坡工程中的应用6.4.1.5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.按锚固部分大小分：全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆6.4.2锚固作用原理6.4.2.1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。单体锚杆有三大部分组成：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。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（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。◆岩土锚固的基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6.4.2.2锚固的基本原理◆组合梁作用原理提高地层承载能力6.4.2.2锚固的基本原理◆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。6.4.2.2锚固的基本原理1.灌浆锚固的基本概念用水泥砂浆（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：6.4.2.3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，则有：iiiiiiiiiiiiiLPPdLPdPddLTTuidLuTT4)(4141112211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）。很多资料表明，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，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。udLudLdsees4)4(minmin2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新鲜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（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，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：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6.4.3锚固工程设计计算6.4.3.1一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