《斜坡的锚固》PPT课件.ppt

第七章斜坡的锚固 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 三 岩土锚固技术的发展 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 自1911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年酉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 德国 奥地利的地下开挖工程 已把锚杆作为控制施工安全的重要手段 我国使用岩石锚杆起始于50年代后期 到60年代末 锚固技术已在我国的矿山 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 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 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 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 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 垒川镍矿山巷峒工程 张家洼铁矿山巷峒工程 舒兰煤矿山巷峒工程等 此外 在西南 西北广大地区的铁路沿线 常可见到在铁路隧道的洞口路堑段采用桩板式短锚杆挡墙作为围护 支挡结构 取得了明显的技术 经济效益 在地质灾害防治的实践中 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 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 由此可见 岩土锚固技术在基坑 边坡 坝体 隧洞 地下工程 桥梁以及地质灾害防治等领域中已得到了广泛应用 它几乎遍及土木建筑领域的各个方面 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10 20 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 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 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2 端部扩大型锚杆的极限锚固力和锚固长度a 砂土中锚杆极限锚固力可按下 图 式计算 则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D d L1 L2 锚固体结构尺寸K 安全系数qs 粘结强度 c 锚固力因素h 扩大头上覆土层厚度r 土体容重 b 粘土中端部扩大头型锚杆的极限锚固力计算 锚固段长度可由下式求得 式中 Cu 土体不排水抗剪强度 其它参数同以前 注 锚固体表面与周围地层间的粘结强度 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 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 关于锚固体的安全系数Ks为形成统一标准 土层锚杆设计与施工规范 2 锚杆自由段长度的确定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 以利于改善被锚固地层的稳定性 3 锚杆预应力筋的设计锚杆的预应力钢筋尽可能的采用钢铰线 高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋 最大限度的减少钻孔和施加预应力的工作量 普通级钢筋仅用于设计轴向力小于500KN 长度小于20m的锚杆 锚杆的预应力钢筋的截面面积按下式确定 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 6 0 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 2 1 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 根据单元体的极限平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面授损伤 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