基坑工程 土层锚杆施工

基坑工程土层锚杆施工土层锚杆简称土锚杆，它是在深开挖的地下室墙面（排桩墙、地下连续墙或挡土墙）或地面，或已开挖的基坑立壁土层钻孔（或掏孔），达到一定设计深度后，或再扩大孔的端部，形成柱状或其他形状，在孔内放入钢筋、钢管或钢丝束、钢绞线或其他抗拉材料。灌入水泥浆或化学浆液，使之与土层结合成为抗拉（拔）力强的锚杆。锚杆是一种新型受拉杆件，它的一端与工程结构物或挡土桩墙连接，另一端锚固在地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力、水压力等。其特点是能与土体结合在一起承受很大的拉力，以保持结构的稳定；可用高强钢材，并可施加预应力，可有效地控制建筑物的变形量；施工所需钻孔孔径小，不用大型机械；用它代替钢横撑作侧壁支护，可节省大量钢材；能为地下工程施工提供开阔的工作面；经济效益显著，可大量节省劳力，加快工程进度。土层锚杆施工适用于深基坑支护、边坡加固、滑坡整治、水池、泵站抗浮、挡土墙锚固及结构抗倾覆等工程。锚杆由锚头、锚具、锚筋、塑料套管、分割器、腰梁及锚固体等组成，如图1〜4，锚头是锚杆体的外露部分，锚固体通常位于钻孔的深部，锚头与锚固体间一般还有一段自由段，锚筋是锚杆的主要部分，贯穿锚杆全长。图1:1-锚夹，2-腰梁，3-塑料管，4-挡土桩墙，5-基坑，6-锚筋，7-灌浆锚杆图2：钢筋锚杆、锚头装置1-钢筋，2-螺帽，3-垫圈，4-承载板，5-混凝土土墙图3定位分隔器图4腰梁种类S）直梁式腰梁；（b）斜梁式腰梁1—钢腰梁；2一承压板；3—锚具；4—锚座；5—腰梁

支板；6一腰梁；7—锚具；8—张拉支座；9-异形板锚杆有三种基本类型，第一种锚杆类型如图5(a)所示，系一般注浆(压力为0.3〜0.5MPa)圆柱体，孔内注水泥浆或水泥砂浆，适用于拉力不高、临时性锚杆。第二种锚杆类型如图5(b)所示，为扩大的圆柱体或不规则体，系用压力注浆，压力从2MPa(二次注浆)到高压注浆5MPa左右，在黏土中形成较小的扩大区，在无黏性土中可以扩大较大区。第三种锚杆类型如图5(c)所示，是采用特殊的扩孔机具，在孔眼内沿长度方向扩一个或几个扩大头的圆柱体，这类锚杆用特制扩孔机械，通过中心杆压力将扩张式刀具缓缓张开削土成型，在黏土及无黏性土中都可适用，可以承受较大的拉拔力。图5：锚杆的基本类型(a)圆柱体注浆锚杆；(b)扩孔注浆锚杆;(c)多头扩孔注浆锚杆1施工机械与设备锚杆钻孔机械有多种不同类型，每种类型有不同施工工艺特点与适用条件。按工作原理可分为回转式钻机、螺旋钻机、旋转冲击钻及潜孔冲击钻等，主要根据土层的条件、钻孔深度和地下水情况进行选择。灌浆机具设备有灰浆泵、灰浆搅拌机等。锚杆灌浆宜选用小型、可移动、安全可靠的注浆泵。主要有UBJ系列挤压式灰浆泵、BMY系列锚杆注浆泵等。张拉设备包括穿心式千斤顶锚具和电动油泵。根据锚杆、锚索的直径、张拉力、张拉行程选择穿心式千斤顶，然后选择与千斤顶配套的电动油泵和锚具。2

施工工艺2.1

施工准备（1）预应力杆体材料宜选用钢绞线、高强度钢丝或高强螺纹钢筋。当预应力值较小或锚杆长度小于20m时，预应力筋也可釆用HRB335级或HRB400级钢筋。（2）水泥浆体所需的水泥应选用普通硅酸盐水泥，必要时可采用抗硫酸盐水泥，不得使用高铝水泥；骨料应选用粒径小于2mm的中细砂。（3）塑料套管材料应具有足够的强度，具有抗水性和化学稳定性，与水泥砂浆和防腐剂接触无不良反应。隔离架应由钢、塑料或其他对杆体无害的材料制作，不得使用木质隔离架。（4）防腐材料应具有耐久性，在规定的工作温度内或张拉过程中不开裂、变脆或成为流体，应保持其化学稳定性和防水性,不得对锚杆自由段的变形产生任何限制。（5）锚杆施工必须掌握施工区域的工程地质和水文地质条件。（6）应查明锚杆施工区域的地下管线、构筑物等的位置和情况，慎重研究锚杆施工对其产生的不利影响。（7）应根据设计要求、土层条件和环境条件，合理选择施工设备、器具和工艺。相关的电源、注浆机泵、注浆管钢索、腰梁、预应力张拉设备等准备就绪。（8）根据设计要求和机器设备的规格、型号，平整场地以保证安全和有足够的施工场地。（9）工程锚杆施工前，按锚杆尺寸宜取两根锚杆进行钻孔、穿筋、灌浆、张拉与锁定等工艺的试验性作业，检验锚杆质量，考核施工工艺和施工设备的适应性。掌握锚杆排数、孔位高低、孔距、孔深、锚杆及锚固件形式。清点锚杆及锚固件数量。定出挡土墙、桩基线和各个锚杆孔的孔位，锚杆的倾斜角。2.2孔位测量校正钻孔前按设计及土层定出孔位作出标记。钻机就位时应测量校正孔位的垂直、水平位置和角度偏差，钻进应保证垂直于坑壁平面。钻进时应控制钻进速度、压力及钻杆的平直。钻进速度一般以0.3〜0.4m/min为宜。对于自由段钻进速度可稍快；对锚固段，尤其在扩孔时，钻进速度宜适当降低。遇流砂层应适当加快钻进速度提高孔内水头压力，成孔后应尽快灌浆。应保证钻孔位置正确，随时调整锚孔位置及角度。锚杆水平方向孔距误差不大于50mm,垂直方向孔距误差不大于100mm。钻孔底部偏斜尺寸不大于长度的3%。2.3

成孔由于土层锚杆的施工特点，要求孔壁不得松动和坍陷，以保证钢拉杆安放和锚杆承载力；孔壁要求平直以便于安放钢拉杆和浇筑水泥浆；为了保证锚固体与土壁间的摩阻力，钻孔时不得使用膨润土循环泥浆护壁，以免在孔壁上形成泥皮；应保证钻孔的准确方向和线性。常用的钻进成孔方法有螺旋干作业钻孔法、潜钻成孔法和清水循环钻进法等。螺旋干作业钻孔法用于无地下水、处于地下水位以上或呈非浸水状态时的黏土、粉质黏土、砂土等地层。该方法利用回转螺旋钻杆，在一定钻压和钻速下，在向土体钻进的同时将切削下来的土体排出孔外。采用该方法应根据不同土质选用不同的回转速度和扭矩。潜钻成孔法主要用于孔隙率大，含水量低的土层，它采用风动成孔装置，由压缩空气驱动，利用活塞的往复运动作定向冲击，使成孔器挤压土层向前运动成孔。该方法具有成孔效率高、噪声低、孔壁光滑而坚实、孔壁无坍落和堵塞等特点。冲击器有较好的导向作用，即使在卵石、砾石的土层中成孔亦较直。成孔速度可达1.3m/min。清水循环钻进法是锚杆施工应用较多的一种钻孔工艺，适合于各种软硬地层，可采用地质钻机或专用钻机，但需要配备供排水系统。对于土质松散的粉质黏土、粉细砂以及有地下水的情况下应采用护壁套管。该方法可把钻孔过程中的钻进、出渣、固壁、清孔等工序一次完成，可防坍孔，不留残土。但此法施工应具有良好的排水系统。扩孔主要有机械法扩孔、爆破法扩孔、水力法扩孔和压浆法扩孔四种方法。机械法扩孔多适用于黏性土，需要用专门的扩孔装置。爆破法扩孔是引爆预先放置在钻孔内的炸药，把土向四侧挤压形成球形扩大头，多适用于砂性土，但在城市中不推广。水力法扩孔虽会扰动土体，但施工简易，常与钻进并举。压浆法扩孔是用10〜20个大气压，使浆液渗入土中充满孔隙与土结成共同工作块体，提高土的强度，在国外广泛采用，但需用堵浆设施。我国多用二次灌浆法来达到扩大锚固段直径的目的。2.4杆体组装安放锚杆用的拉杆常用的有钢筋、钢丝束和钢绞线，主要根据锚杆承载力和现有材料情况选择。承载能力较小时，多用粗钢筋；承载能力较大时，多用钢绞线。1.钢筋拉杆钢筋拉杆（包括各种钢筋、精轧螺纹钢筋、中空螺纹钢管）的制作较简单。预应力筋前部常焊有导向帽以便于预应力筋的插入，在预应力筋长度方向每隔1〜2m焊有对中支架。自由段需外套塑料管隔离，对防腐有特殊要求的锚固段钢筋应提供具有双重防腐作用的波形管并注入灰浆或树脂。钢筋拉杆长度一般都在10m以上，为了将拉杆安置在钻孔的中心，防止其自由段挠度过大、插入时土壁不扰动、增加拉杆与锚固体的握裹力，需在拉杆表面设置定位器（或撑筋环）。定位器的外径宜小于钻孔直径1cm。2.钢丝束拉杆钢丝束拉杆在施工时将灌浆管与钢丝束绑扎在一起同时沉放。钢丝束拉杆的自由段需进行防腐处理，可用玻璃纤维布缠绕两层，外面再用粘胶带缠绕，也可将自由段插入特制护管内，护管与孔壁间的空隙可与锚固段同时进行灌浆。钢丝束拉杆的锚固段亦需定位器，该定位器为撑筋环，如图6。钢丝束外层钢丝绑扎在撑筋环上，撑筋环的间距为0.5〜1.0m,锚固段形成一连串菱形，使钢丝束与锚固体砂浆的接触面积增大，增强粘结力。图6钢丝束拉杆的撑筋环1一锚头；2—自由段及防腐层；3一锚固体砂浆,4—撑筋环;5一钢丝束结；6—锚固段的外层钢丝；7一小竹筒3.钢绞线拉杆钢绞线分为有粘结钢绞线和无粘结钢绞线，有粘结钢绞线锚杆制作时应在锚杆自由段的每根钢绞线上做防腐层和隔离层。由于钢绞线拉杆的柔性好，在向钻孔中沉放时较方便，因此在国内外应用较多，常用于承载能力大的锚杆。锚固段的钢绞线要清除其表面油脂，以防止其与锚固体砂浆粘结不良。自由段的钢绞线应套聚丙烯防护套等进行防腐处理。钢绞线拉杆还需用特制的定位架。钢丝束或钢绞线一般在现场装配，下料时应对各股长度精确控制，每股长度误差不大于50mm,以保证受力均匀和同步工作，组装方式见图7。图7：锚索组装示意图2.5

灌浆灌浆用水泥砂浆的成分及拌制、注入方法决定了灌浆体与周围土体的粘结强度和防腐效果。灌浆浆液为水泥砂浆或水泥浆。水泥通常采用质量良好的普通硅酸盐水泥，不宜用高铝水泥，氯化物含量不应超过水泥重的0.1%。压力型锚杆宜釆用高强度水泥。拌合水泥浆或水泥砂浆所用的水，一般应避免采用含高浓度氯化物的水。一次灌浆法宜选用砂灰比0.8〜1.0、水灰比0.38〜0.45的水泥砂浆，或水灰比0.40-0.50的纯水泥浆；二次灌浆法中的二次高压灌浆，宜用水灰比0.45〜0.55的水泥浆。浆体强度一般7d不应低于20MPa,28d不应低于30MPa；压力型锚杆浆体强度7d不应低于25MPa,28d不应低于35MPa。二次灌浆法是在一次灌浆形成注浆体的基础上，对锚杆锚固段进行二次高压劈裂注浆，使浆液向周围地层挤压渗透，形成直径较大的锚固体并提高周围地层力学性能，可提高锚杆承载能力。二次灌浆通常在一次注浆后4〜24h进行，具体间隔时间由浆体强度达到5MPa左右而加以控制。二次灌浆适用于承载力低的土层中的锚杆。2.6腰梁安装腰梁是传力结构，将锚头轴拉力进行有效传递，分成水平力及垂直力。腰梁设计应考虑支护结构特点、材料、锚杆倾角、锚杆垂直分力以及结构形式等。直梁式腰梁是利用普通托板将工字钢组合梁横置，如图1(a)所示，其特点是垂直分力较小，由腰梁托板承受，制作简单，拆装方便。斜梁式腰梁是通过异形支承板，将工字钢组合梁斜置，如图1（b）所示，其特点是由工字组合梁承受轴压力，由异形钢板承受垂直分力，结构受力合理，节约钢材，加工简单。腰梁的加工安装应使异形支承板承压面在一个平面内，以保证梁受力均匀。安装腰梁应考虑围护墙的偏差。一般是通过实测桩偏差，现场加工异形支撑板，锚杆尾部也应进行标高实测，找出最大偏差和平均值，用腰梁的两根工字钢间距进行调整。腰梁安装有直接安装法和整体吊装法。直接安装法是把工字钢放置在围护墙上，垫平后焊板组成箱梁，安装较为方便，但后焊缀板的焊缝质量较难控制。整体吊装法是在现场将梁分段组装焊接，再运到坑内整体吊装安装;该方法质量可靠，可与锚杆施工流水作业，但安装时要有吊运机具，较费工时。2.7张拉和锁定锚杆压力灌浆后，养护一段时间，按设计和工艺要求安装好腰梁，并保证各段平直,腰梁与挡墙之间的空隙要紧贴密实，并安装好支承平台。待锚固段的强度大于15MPa并达到设计强度等级的70%〜80%后方可进行张拉。对于作为开挖支护的锚杆，一般施加设计承载力的50%〜100%的初期张拉力。初期张拉力并非越大越好，因为当实际荷载较小时，张拉力作为反向荷载可能过大而对结构不利。锚杆宜张拉至设计荷载的0-9-1.0倍后，再按设计要求锁定。锚杆张拉控制应力，不应超过拉杆强度标准值的75%。锚杆张拉时，其张拉顺序要考虑对邻近锚杆的影响。锚体养护一般达到水泥（砂浆）强度的70%〜80%,锚固体与台座混凝土强度均大于15MPa时（或注浆后至少有7d养护时间），方可进行张拉。正式张拉前应取设计拉力的10%〜20%,对锚杆预张1〜2次，使各部位接触紧密和杆体完全平直，保证张拉数据准确。正式张拉宜分级加载，每级加载后，保持3min，记录伸长值。锚杆张拉至1.1-1.2设计轴向拉力值Nt时，土质为砂土时保持10min,为黏性土时保持15min,且不再有明显伸长，然后卸荷至锁定荷载进行锁定作业。锚杆张拉荷载分级观测时间遵守（表1）的规定。锚杆张拉荷载分级观测时间表1张拉荷载分级观测时间（min）张拉荷载分级观测时间（min）砂质土黏性土砂质土黏性土.0.1Nt.551.0Nt5100.25Nt55.1.1-1.2Nt10150.50Nt55锁定荷载10100.75Nt5.5锚杆锁定工作，应釆用符合技术要求的锚具。当拉杆预应力没有明显衰减时，即可锁定拉杆，锁定预应力以设计轴拉力的75%为宜。锚杆锁定后，若发现有明显预应力损失时,应进行补偿张拉。3试验和检测锚杆工程常用的试验主要有基本试验、验收试验和蠕变试验。3.1

基本试验基本试验亦称极限抗拔试验，用以确定设计锚杆是否安全可靠，施工工艺是否合理,并根据极限承载力确定允许承载力，掌握锚杆抵抗破坏的安全程度，揭示锚杆在使用过程中可能影响其承载力的缺陷,以便在正式使用锚杆前调整锚杆结构参数或改进锚杆制作工艺。任何一种新型锚杆或已有锚杆用于未曾应用的土层时，必须进行基本试验。试验应在有代表性的土层中进行，所有锚杆的材料、几何尺寸、施工工艺、土的条件等应与工程实际使用的锚杆条件相同。1）基本试验锚杆数量不得少于3根。2）基本试验最大的试验荷载不宜超过锚杆杆体承载力标准值的0.9倍。3）锚杆基本试验应釆用分级加、卸载法。拉力型锚杆的起始荷载为计划最大试验荷载的10%,压力分散型或拉力分散型锚杆的起始荷载为计划最大试验荷载的20%。4）锚杆破坏标准：后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍时；锚头位移不稳定；锚杆杆体拉断。5）试验结果宜按循环荷载与对应的锚头位移读数列表整理，并绘制锚杆荷载-位移（Q-s）曲线，锚杆荷载一弹性位移（Q-se）曲线和锚杆荷载一塑性位移（Q-Sp）曲线。6）锚杆弹性变形不应小于自由段长度变形计算值的80%,且不应大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值。7）锚杆极限承载力取破坏荷载的前一级荷载，在最大试验荷载下未达到基本试验中第3条规定的破坏标准时，锚杆极限承载力取最大试验荷载值。3.2

验收试验验收试验是检验现场施工的锚杆的承载能力是否达到设计要求，确定在设计荷载作用下的安全度，并对锚杆的拉杆施加一定的预应力。加荷设备亦用穿心式千斤顶在原位进行。检验时的加荷方式，依次为设计荷载的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33、1.5倍，然后卸载至某一荷载值，接着将锚头的螺帽紧固，此时即对锚杆施加了预应力。验收试验锚杆数量不少于锚杆总数的15%,且不得少于3根。1）锚杆验收试验加荷等级及锚头位移测读间隔时间应符合下列规定：①初始荷载宜取锚杆轴向拉力设计值的0.5倍；②加荷等级与观测时间宜按（表2）规定进行；验收试验锚杆加荷等级及观测时间表2加荷等级0.

5Nu0.75Nu1.0Nu1.2Nu1.33Nu1.5Nu观测时间（min）555101015③在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次；④达到最大试验荷载后观测15min,并测读锚头位移。2）试验结果宜按每级荷载对应的锚头位移列表整理，絵制锚杆荷载-位移（Qs）曲线。3）锚杆验收标准：在最大试验荷载作用下，锚头位移稳定，应符合上述基本试验中第5条的规定。3.3

蠕变试验为判明永久性锚杆预应力的下降，蠕变可能来自锚固体与地基之间的蠕变特性，也可能来自锚杆区间的压密收缩，应在设计荷载下长期量测张拉力与变位量，以便决定什么时候需要做再张拉,这就是蠕变试验。对于设置在岩层和粗粒土里的锚杆，没有蠕变问题。但对于设置在软土里的锚杆必须作蠕变试验，判定可能发生的蠕变变形是否在容许范围内蠕变试验需要能自动调整压力的油泵系统，使作用于锚杆上的荷载保持恒量，不因变形而降低，然后按一定时间间隔（1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、45、60min）精确测读1h变形值，在半对数坐标纸上绘制蠕变时间关系图，曲线（近似为直线）的斜率即锚杆的蠕变系数Ks≤0.4mm,锚杆是安全的；K,s>0.4mm时，锚固体与土之间可能发生滑动，使锚杆丧失承载力。3.4永久性锚杆及重要临时性锚杆的长期监测锚杆监测的目的是掌握锚杆预应力或位移变化规律，确认锚杆的长期工作性能。必要时，可根据检测结果，采取二次张拉锚杆或增设锚杆等措施，以确保锚固工程的可靠性。永久性锚杆及用于重要工程的临时性锚杆，应对其预应力变化进行长期监测。永久性锚杆的监测数量不应少于锚杆数量的10%,临时性锚杆的监测数量不应少于锚杆数量的5%。预应力变化值不宜大于锚杆设计拉力值的10%,必要时可采取重复张拉或恰当放松的措施以控制预应力值的变化。锚杆预应力变化的外部因素温度变化、荷载变化等外部因素会使锚杆的应力变化，影响锚杆的性能。爆破、重型机械和地震力发生的冲击引起的锚杆预应力损失量，较之长期静荷载作用引起的預应力损失量大得多，必须在受冲击范围内定期对锚杆重复施加应力。车辆荷载、地下水位变化等可变荷载，对保持锚杆预应力和锚固体的锚固力具有不利影响。温度变化会使锚杆和锚固结构产生膨胀或收缩，被锚固结构的应力状态变化对锚杆预应力产生较大影响，土体内部应力增大也会使锚杆预应力增加。2.锚杆预应力随时间的变化随着时间的推移，锚杆的初始预应力总是会有所变化。一般情况下，通常表现为预应力的损失。在很大程度上，这种预应力损失是由锚杆钢材的松弛和受荷地层的徐变造成的。长期受荷的钢材预应力松弛损失量通常为5%〜10%。钢材的应力松弛与张拉荷载大小密切相关，当施加的应力大于钢材强度的50%时，应力松弛就会明显加大。地层在锚杆拉力作用下的徐变，是由于岩层或土体在受荷影响区域内的应力作用下产生的塑性压缩或破坏造成的。对于预应力锚杆，徐变主要发生在应力集中区，即靠近自由段的锚固区域及锚头以下的锚固结构表面处。3.锚杆预应力的测量仪器对预应力锚杆荷载变化进行观测，可釆用按机械、液压、振动、电气和光弹原理制作的各种不同类型的测力计。测力计通常都布置在传力板与锚具之间。必须始终保证测力计中心受荷，并定期检查测力计的完好程度。4锚杆防腐土层锚杆要进行防腐处理，锚杆的防腐主要有如下三个方面：1.锚杆锚固段的防腐处理（1）一般腐蚀环境中的永久锚杆，其锚固段内杆体可采用水泥浆或砂浆封闭防腐，但杆体周围必须有2.0cm厚的保护层。（2）严重腐蚀环境中的永久锚杆，其锚固段内杆体宜用波纹管外套，管内孔隙用环氧树脂水泥浆或水泥砂浆充填，套管周围保护层厚度不得小于1.0cm。（3）临时性锚杆锚固段应采用水泥浆封闭防腐，杆体周围保护层厚度不得小于1.0cm。2.锚杆自由段的防腐处理（1