水工预应力锚固设计规范

中华人民共和国行业标准水工预应力锚固设计规范SL212-98条文说明目次1总则3一般规定3.1基本资料3.2锚杆材料3.3锚固设计的基本内容4锚杆体的选型与设计4.1锚杆体的选型4.2锚杆体的结构设计4.3锚杆体的防护设计4.4张拉力的控制和张拉程序设计5岩体预应力锚固设计5.1岩质边坡5.2坝基5.3地下洞室6水工建筑物的预应力锚固设计6.1预应力闸墩6.2闸室,挡墙6.3水工建筑物的补强加固7试验与监测设计7.1材料及被锚固介质特性的检验7.2锚杆的整体性试验7.3锚固效果的原位监测设计制定说明预应力锚固技术作为对边坡,围岩,基础和各种建筑物的加固手段,已经有了很大的发展和广泛的应用.国内外工程实践表明,它是一种高效,经济的加固措施.这种加固技术,在国际上始于20世纪20年代.我国从60年代开始应用预应力锚杆加固大坝基础,70年代扩展到对闸墩和地下洞室的加固.现在几乎所有的水利水电工程均不同程度的应用预应力锚杆加固高陡边坡,地下洞室,大坝基础,大型弧门的闸墩,也广泛应用于其他水工建筑物的加固和补强.预应力锚固技术的发展不仅表现在应用广泛,还表现在预应力锚杆的锚固力在我国已经发展到6000kN,锚杆的最大张拉力已达到10000kN；成功地研制出能施加相应张拉力,性能稳定的系列张拉设备；具有适应工程需要的,加工精度高,生产工艺严格,锚杆回缩量小,安全可靠的系列锚夹具产品；发展和研制了一批预应力锚固监测仪器,此外在造孔和锚杆施工方面也有了一套完整的可行的技术.这些预应力锚固配套技术的形成和发展,促进了我国预应力锚固技术的发展和应用,同时也推进了我国预应力锚固设计和施工技术法规的形成.为了进一步推广应用和发展预应力锚固技术,规范预应力锚固技术的应用,特制定本规范.水工预应力锚固设计规范,主编单位为东北勘测设计研究院,参编单位有西北勘测设计研究院和湖南省水利水电勘测设计研究院.1996年9月,由水利水电规划设计总院和水电水利规划设计总院共同主持,邀请了冶金部,水利部,电力部,工程兵等单位的预应力锚固工程设计,施工和科研方面的专家参加了送审稿审查会,形成了水工预应力锚固设计规范(送审稿)审查纪要(水规局技字19960010号).按照审查会专家们提出的意见的纪要的要求,规范编制单位又经过了近一年的工作,对规范进行了两次补充和修改并提出了报批稿.为了保证规范质量,规范编制组又邀请部分专家进行了讨论,讨论后又做了局部修改. 水工预应力锚固设计规范是我国第一部预应力锚固设计规范,它集中了国内预应力锚固专家的智慧,力求全面总结我国预应力锚固发展的经验,反映我国当前预应力锚固的发展水平.但由于预应力锚固技术本身的先进性及其发展的迅速,实施过程之中应注意总结经验,并使该规范在预应力锚固技术的发展和设计实践中逐步加以完善.1总则1.0.1预应力锚固技术的最大特点,是尽可能少的扰动被锚固的土体或岩体,并通过锚固措施合理的提高可利用岩体或土体的强度.所以预应力锚固技术是最为高效和经济的加固技术,因此得到了各行各业的高度重视和迅速的发展.在土木工程建筑中,利用钢丝或钢绞线具有较高抗拉强度的特性-用于建筑和加固各种工程,已取得了良好的效果.早在20世纪初,预应力锚杆就做为一种新的支护手段,用于西利西安的矿山开采.进入30年代以后,阿尔及利亚的舍尔法坝采用预应力锚杆加固取得了成功.到5070年代,则有更多的工程应用了预应力锚杆技术.这种高效,经济的预应力锚固技术,近年来又得到了迅速的发展,目前已广泛的应用于工业民用建筑,桥梁,矿山建筑,高陡边坡,大型地下洞室的围岩加固,大型弧门闸墩加固,坝基的加固,以及各种建筑物的维护和补强.在国际上对单根预应力锚杆施加的锚固力已达13000kN,在我国已发展到了10000kN.锚杆的结构类型不仅种类繁多,而且越来越先进.在水利水电建设中,应用预应力锚固技术也越来越普遍,葛洲坝,白山,漫湾,龙羊峡,李家峡,岩滩,小浪底,三峡等大中型工程都不同程度的采用了预应力锚固技术.为了更加有效地推进预应力锚固技术的发展,规范应用条件,合理地利用预应力锚固技术,保证工程安全,特制定本规范.1.0.2本规范的应用范围是,采用预应力锚固技术对坝基,岩质边坡,地下工程的围岩,以及混凝土结构的各种水工建筑物的加固,补强等工程的设计.1.0.3预应力锚固技术是一种发展中的加固措施,工序比较复杂,种类繁多,应用广泛,而且制约因素较多,又多用于隐蔽工程.在工程设计时必须详尽地掌握工程的运用要求和锚固对象的各种基础资料,根据不同的条件,采用可靠的技术,因地制宜地进行设计工作.为了有利于新技术,新方法,新工艺的推广应用,应开展必要的室内和现场试验以及工程的原位监测,做好技术论证,以保证锚固工程的安全可靠,技术先进,经济合理.对于锚固工程,因地质条件的差异,运行,管理要求的不同,锚固设计有较大的差别.为做好锚固设计,详尽地掌握地质资料和工程运行要求是必要的.此外,锚固对象又受诸多影响因素的制约,小面积的试验资料又很难真实地反映实际情况,目前一些重要工程,还安排了反映综合因素影响的原位监测.因而这些监测成果也是设计工作不可缺少的重要资料.依据上述基础资料,可参照图1.0.3的程序对预应力锚固工程进行设计.1.0.4预应力锚固的目的是：采用最为经济,施工简便,布置简捷的方法,提高工程的稳定性,改善工程的应力条件,增加工程运行的安全度.锚固设计是工程设计中的部分内容.本规范主要用于工程的锚固设计,涉及工程其他内容的设计,应遵守相应的规定.图1.0.3预应力锚固设计程序图3一般规定3.1基本资料3.1.1采用预应力锚杆对岩体,坝基,边坡及水工建筑物进行加固处理,主要目的是保持岩体和水工建筑物的稳定,改善水工建筑物或围岩的应力分布.应根据基础资料,按相应的规程规范,并按其荷载组合进行稳定和应力分析,确定不稳定区域的范围,分析失稳原因.为论证采用预应力锚固技术的先进性和合理性,还应做好技术经济比较.3.1.2预应力锚杆的承载能力,锚杆的长度,锚束的方位受地质情况影响很大,因此必须详尽地掌握锚固部位的地质资料.对地下洞室,主要评价围岩的稳定状态和可能发生塑性破坏的深度,范围；对局部破坏部位,主要了解和掌握滑动面或破坏面的位置,产状和不利结构面的组合；对水工建筑物本身,要掌握影响稳定和内部应力恶化的各种荷载和运行方式；对锚固介质,要掌握所处的环境条件及物理和化学特性.从而正确确定设计参数,优化结构布置和施工方法.为了正确进行锚固设计必须具备的资料包括：工程地质平面图,剖面图；围岩的级别,岩性,产状和主要构造；岩体强度,结构本身强度；软弱结构面的位置及组合关系；围岩同胶结材料的结合强度；工程所处位置的水文地质条件；地下水发育程度,性质,化学成分；工程建筑物等级,布置,地形,地貌等.上述资料都应通过地质勘察和试验获得.3.1.3原位监测的资料,对地下工程的围岩稳定,边坡的稳定评定有非常重要的价值,原位监测的结果可直观地反映结构物及岩体的稳定状况.为此,许多工程是一些重要工程在施工初期就布置了一定数量的收敛计,多点位移计或测斜仪,监测边坡或地下结构物的稳定状况,而且直接用于工程稳定评价.本规范所规定的重要锚固工程是指一旦出现失稳将给其他工程带来较大的危害,造成较大损失的工程.3.2锚杆材料3.2.1在大多数的预应力锚固工程中,锚杆材料主要有两种,一种是高强度,低松驰的预应力钢丝；另一种是高强度,低松驰的预应力钢绞线.随着预应力锚固技术的发展,有些锚固工程使用一种特殊的高强度的精轧螺纹钢筋,以满足锚杆安装中的刚度要求.精轧螺纹钢筋的极限抗拉强度可达1100MPa,其螺纹可直接用标准的联接器对接.我国丰满大坝的加固中,部分锚杆采用了精轧螺纹钢筋,由4股钢筋组成单根锚杆的张拉力达到了2400kN,效果很好.当预应力锚杆设计张拉力小于300kN时,应采用普通螺纹钢筋做锚杆材料.3.2.2我国生产的预应力钢丝和预应力钢绞线均为定型产品,并制定了国家标准GB/T5223-1995和GB/T5224-1995.预应力锚杆设计,施工,试验及验收均应以此为标准.对于精轧螺纹钢筋,国家尚未制定技术标准.为保证工程安全,本规范根据已有工程经验和厂家条件制定了精轧螺纹钢筋的技术标准.3.2.3预应力锚杆的外锚头,锚夹具主要包括：锚夹片,锚板,锚垫板和限位板.这些部件分别承担着传递,保持预应力锚杆的张拉力的任务,是预应力锚杆实际施加预应力的重要部件.加工这些部件的材质也应符合国家的标准,它们的实际强度不应低于国家规定指标的95%.3.2.4因矿渣水泥,火山灰水泥中,含有较多的硫化物和氯化物,对锚杆有应力腐蚀作用.故封孔灌浆的材料,应使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥.3.2.5无粘结式预应力锚杆是近几年发展起来的具有特殊防腐,防锈性能的,可以使预应力自由伸缩的预应力锚杆,已开始广泛地用于各种工程的加固,例如小浪底边坡加固和地下厂房加固几乎全部是采用这种类型的锚杆.日本生产的无粘结预应力锚杆的基本结构见图3.2.5,包裹尺寸见表3.2.5-1.我国也开始生产这种类型的预应力锚杆,其结构尺寸及包裹材料见表3.2.5-2和表3.2.5-3.锚杆体采用的包裹材料应有一定强度,以防止因运输或施工过程中造成破损,而失去双层保护的作用.此外还要求包裹材料对锚杆不产生腐蚀作用并具有化学稳定性.图3.2.5无粘结式预应力锚杆的基本结构表3.2.5-1锚杆包裹材料厚度表锚杆材料标准外径(mm)涂膜式包裹厚度(mm)标准润滑脂涂敷量(g/m)abc7股钢丝绞合20.00.10.61.036表3.2.5-2我国生产喷涂钢绞线参数钢绞线种类12.7钢绞线15.2钢绞线标准外径(mm)13.616.1标准单位重量(g/m)7931123标准被膜厚度(mm)0.140.14标准被膜重量(g)17.621.0被膜材料日本产环氧树脂粉末日本产环氧树脂粉末表3.2.5-3我国生产无粘结预应力筋参数钢绞线种类12.7喷涂钢绞线(按日本标准)15.2喷涂钢绞线(按日本标准)15.2光面钢绞线(我国建议标准)无粘结筋外径(mm)16.819.317.818.5无粘结筋重量(g/m)8911239840870PE厚度(mm)1.11.10.81.2PE重量(g/m)51593060建筑脂用量(g/m)4757353.3锚固设计的基本内容3.3.1根据对围岩或水工建筑物稳定性分析的结果,经过技术经济比较,选定采用预应力锚杆加固方案后,可采用图1.0.3的程序,确定锚固范围和锚固深度；选择锚固方式,计算锚固力的大小；确定预应力锚杆的数量和锚杆的布置；确定锚杆的结构型式和各项设计参数；编制施工技术要求和需要特殊处理的工程措施,以及安全监控设计.并根据监控结果优化锚杆的设计参数等.3.3.2在预应力锚固设计中,需研究岩体或水工建筑物可能失稳的条件和失稳破坏的形式.确定预应力锚杆的锚固范围和锚固深度.一般情况下,岩质边坡和水工建筑物基础的破坏形式主要是滑动.引起岩质边坡滑动的主要因素是顺坡节理的存在.查清顺坡节理的位置,各种结构面的组合情况,产状及其力学性质就可确定滑动范围,滑动力的大小,决定施加的阻滑力和锚固位置.地下洞室围岩失稳主要有两种方式.一种是由于洞室开挖引起应力的重新调整,使部分部位应力超限,出现大范围的塑性区.为抑制有害变形发展和限制塑性区扩大,应采用系统加固的方法.根据洞室的开挖程序,通过有限元分析计算,确定塑性区范围和深度,需要施加的锚固力和锚固深度；另一种是由于软弱结构面的不利组合,使局部岩体滑动或塌落.此时可按块体理论分析失稳条件,确定锚固力和锚固深度.对于水工建筑,主要是应用预应力锚杆所施加的预压应力,改善结构物内部的应力状态.因此,需要根据水工结构内部的应力分析结果,确定施加的预应力大小和锚固的部位.3.3.3单根锚杆的锚固力大小,主要由锚固介质的力学强度,锚杆体采用的材料和张拉设备的张拉能力决定.当被锚固介质力学强度较低,质量不好,岩体破碎,软弱时,只能采用胶结式锚固段型式的锚杆.当胶结材料同岩体或混凝土的粘结强度较低时,锚固段的锚固力受到限制.因而需要增设其他结构措施,增大锚固段的锚固力.锚杆体的材料是制约单根锚杆锚固力的一个重要因素.决定材料数量时,应考虑一定安全裕度,再根据需要决定钻孔直径.一般情况下,当采用钢绞线时,锚固力,单束锚杆钢绞线股数和钻孔直径有表3.3.3的关系.表3.3.3单束锚杆的锚固力,钢绞线根数和钻孔直径关系表单根锚杆锚固力(kN)1000200030006000单束锚杆钢绞线股数6 121940钻孔最小直径(mm)110140160220单根锚杆的锚固力还受到施工设备的限制.例如钻孔机具,必须满足可造锚固力需要的最小孔径的要求；张拉锚杆的千斤顶,最大出力应大于单根锚杆的超张拉力.目前我国生产的张拉千斤顶的最大出力为6000kN.在锚固设计时,单根锚杆锚固力应综合上述条件选取.选用的张拉设备可依照SL46-94水工预应力锚固施工规范附录A规定执行.此外,在选择单根预应力锚杆的锚固力时,还应考虑可能发生的预应力损失.影响预应力损失的主要因素是：锚杆材料的徐变性质；锚固介质的流变特性；锚杆张拉锁定后钢绞线回缩量的大小(与锚夹具特性有关)；以及锚杆同孔壁摩擦和锚夹具之间的接触情况等.在上述预应力损失中,锚杆的回缩量大小及同孔壁和锚夹具的接触变形可利用超张拉克服,而锚杆材料的徐变和锚固介质的流变是属时间效应,应在设计时予以考虑.其中钢材的徐变影响仅占预应力值的1%,对于混凝土建筑物中的预应力锚杆,由于混凝土的徐变引起的预应力损失为5%6%,此值变幅不大,而对于岩体或土体中的预应力锚杆,大部分预应力损失则来源于岩体的流变特性,所以岩体锚固设计时应着重考虑锚固介质的质量.在预应力锚固设计时,关于应力损失量的考虑,对于一般性工程,可根据经验或工程类比法确定；对于重要工程,应通过试验确定.3.3.4预应力锚杆的数量与需要提供的锚固力和单根锚杆的设计张拉力有关.各根锚杆提供的锚固力的总和应满足式(3.3.4)的规定.n1q1+n2q2+nnqnQ或nqQ (3.3.4)式中Q-稳定需要的总锚固力；q1,q2, ,qn-各单根锚杆的设计张拉力；n1,n2, ,nn-不同设计张拉力的锚杆根数；q-单根锚杆平均设计张拉力；nn1+n2+nn-锚杆的总根数.3.3.5采用预应力锚杆进行加固,锚固段的位置需置于稳定的介质中.对于由软弱结构面引起的塌滑,预应力锚杆需穿越软弱结构面,锚固段需要置于不能滑动的完整岩层中；对于由塑性变形引起的塑性区或拉力区,锚固段需置于稳定的弹性区内.这样,预应力锚杆在被锚固介质中的实际长度为孔口至软弱结构面或塑性区的距离,加上与锚固荷载相应的锚固段长度.3.3.6为了向被锚固介质提供最佳的锚固效果,力求锚固力分布均匀.在一般情况下,锚杆应均匀,等距离布置.布置型式可以是方型布置,也可以是梅花型或菱形布置.由于其他布置要求,也可以布置成矩形.从锚杆的受力条件分析,当锚束受到较大拉力时,被锚固介质处于受压状态,而在锚固段和外锚头附近的一定范围内,被锚固介质出现拉应力区.所以锚杆的布置应力求缩小锚固段和外锚头附近的拉应力区范围,拉应力值也要控制在允许的范围之内.此外,由于锚杆的锚固力是靠锚固段的胶结材料同锚杆的握裹力及同孔壁的粘结力来提供的,当锚杆张拉时,锚固段附近介质出现拉应力.当其拉应力过大时,对锚固效果也会产生一定影响.因此,锚杆的布置应力求达到为锚固对象提供均匀的锚固力,而且锚固段部位的拉应力区也不宜过大.当采用群锚,且单根锚杆的锚固力又较大时,应布置长短相间的锚杆,以分散或缩小锚固段附近的拉应力,避免锚固段附近锚固介质拉裂.锚杆的方位应以提供最大阻滑力和最有效支护抗力为目的进行布置.一般情况下,最有效的布置为逆滑动方向布置.但由于受施工条件,滑动体的边界条件限制,只能以一定的角度布置,所以必须经过综合比较,选择最优的锚固方向,以达到最有效的加固效果.由于稳定需要,设计中若布置的预应力锚杆数量较多,锚固段在被锚固的介质中比较集中,在锚固介质的某个高程或某个平面内应力状况比较复杂,或由于施加的张拉力比较大而造成锚固段区域内产生局部拉应力.为改善锚固段区域被锚固介质的应力条件,锚固段最好分布在不同高程或不同平面内,这样可以扩大锚固段的范围,减小局部拉应力的数值,改善锚固段区域的应力分布.由于锚固技术的发展,为改善锚固段区域的应力状况,不少国家,特别是日本对锚固段的结构形式做了改进,将锚固段做成压缩集中型或压缩分散型,将锚固段区域的拉应力变为压应力,大大改善了锚固段的应力状态,扩展了预应力锚杆的使用范围,为发展高荷载预应力锚杆创造了条件.这种型式的锚头已引入我国,压缩集中型及压缩分散型锚头构造见图3.3.6-1,常规胶结式锚固段及压缩集中型和压缩分散型锚固段应力分布状况见图3.3.6-2.图3.3.6-1压缩集中型及压缩分散型锚固段结构(单位：mm)3.3.7混凝土预应力闸墩,由于结构尺寸小又承受了较大的水推力,结构中应力状态比较复杂.计算结果表明,在巨大的水推力作用下,闸墩内侧表面和闸墩与大梁连结部位都有较大的拉应力,有些工程上述部位的主拉应力达8.0MPa.为了改变这种状况,在闸墩的平面上和立面上均需布置一定数量的预应力锚杆.在立面上预应力锚杆应沿水平推力的合力方向呈扇形扩散布置,使闸墩中应力分布均匀.图3.3.6-2各种型式锚固段应力分布示意图(a)常规锚固段应力分布；(b)压缩集中型锚固段应力分布；(c)压缩分散型锚固段应力分布由于闸墩尺寸较小,预应力锚杆在平面内的布置,除应考虑应力条件外,还应考虑施工简便,灵活.在水工混凝土结构中,布置预应力锚杆,还应长短相间布置,主要目的是改善闸墩的应力条件.图3.3.8锚杆体与钻孔关系示意图(单位：mm)3.3.8由于预应力锚杆内部应力较高,为防止应力腐蚀,从防护的角度出发,预应力锚杆应有一定厚度的水泥浆包裹,参照SL/T191-96水工混凝土结构设计规范的规定,并结合预应力锚固设计和施工经验,预应力锚杆的最小保护厚度为20mm,所以只有钻孔直径大于锚束直径40mm时,才能满足这一要求,如图3.3.8.对采用机械式锚固段的预应力锚杆,是靠锚固段的外夹片同孔壁的嵌固与摩擦承受锚杆的张拉力的.因此必须保证外夹片的嵌固效果.从机械式锚固段结构设计可知,锚固段直径可调尺寸仅有1015mm,如果孔口直径超差,则影响嵌固质量,如果孔口直径欠差则安装困难,所以规定机械式锚固段终孔直径误差宜在+2mm以内.3.3.9对于较为重要的工程或工程的重要部位,不仅要采用工程类比法初选锚固设计参数,通过分析,计算和比较决定锚固参数,还应采用数值计算,分析或通过模型试验进行验证,以获取锚固效果最佳,施工切实可行,最经济的设计方案.对于岩质边坡,坝基,地下洞室的边墙稳定分析,较为有效的方法是刚体平衡法,对于地下洞室的塑性区,拉力区的确定,一般采用有限元分析的方法.目前预应力锚杆用于工程加固已经非常广泛,已积累了较为丰富的经验.在工程的锚固设计中,应充分利用已取得的经验和成果.对于小型或临时性的锚固工程,可比照类似工程确定各项设计参数.3.3.10由于预应力锚杆,工作时锚杆材料内部应力较大,再加上各股钢丝受力不均匀性,决定了对锚杆的防腐和防锈蚀的重要性.因此,在预应力锚固设计时一定要注意锚杆的防腐防锈处理的设计.锚杆的防护设计,一定要根据锚杆的使用年限,锚杆的工作环境和地下水的性质等条件进行.3.3.11由于锚固工程多为隐蔽性工程,地质条件和地质参数很难选取得非常准确,及其他一些不可预见因素的影响,给工程的锚固设计带来困难.为了优化设计,保证锚固工程设计经济,合理,运行安全,必须安排一定数量的试验锚杆,决定或验证主要设计参数的合理性和可靠性.3.3.12在水利水电工程中,普通采用锚杆加固岩体,且应用的锚杆数量相当可观,例如漫湾水电站采用2200根锚杆施加4.34106kN的锚固力加固左岸山体.李家峡两岸山体,小浪底进口边坡,地下厂房顶拱,三峡永久船闸高边坡等工程都采用了大量的预应力锚杆加固.这些工程都安装了原型观测仪器,对工程的运行状况进行监测.监测结果不仅可对工程的锚固效果进行评价,而且还可为工程的安全运行提供信息.通过对监测资料的整理分析,还可总结锚固设计经验,提高设计水平,做到锚固设计优质,高效.4锚杆体的选型与设计4.1锚杆体的选型4.1.1随着预应力锚固技术的发展,锚杆体的种类也越来越多.区别锚杆体的类型,主要是外锚头的结构类型.目前外锚头的主要型式有OVM锚,DM锚,GZM锚,LM锚,和YFM锚等.对外锚固端的锚夹具而言,要求硬度适当,制造工艺精良,可以承受较大的锁定荷载,而且锚杆锁定后,在长期荷载作用下,预应力损失最小.还要求在锚杆张拉锁定时,操作简便,安全可靠.锚固段的主要类型有两种：一种为机械式锚固段,由金属加工而成,例如胀壳式等；另一种为胶结式,胶结式锚固段可以用水泥砂浆,也可以用树脂做胶结材料.锚束是采用抗拉强度较高的材料制成的提供锚固力的部件.目前应用的材料主要有高强钢丝,高强钢丝制成的钢绞线或精轧螺纹钢筋.在进行锚固设计时,应根据工程的运行条件的使用年限,单根锚杆需要的锚固力,张拉设备出力,以及施工环境等条件选用.根据已建工程的统计,目前已经应用的几种锚杆体的类型见表4.1.1.表4.1.1锚杆体类型锚杆体类型锚固段型式外锚头型式锚束材料OVM锚(夹片锚)胶结式群孔夹片钢绞线DM锚(镦头锚)胶结式镦头锚具钢丝GZM锚(弗式锚)机械式或胶结式锥型锚塞及锚环钢丝LM锚(螺栓端杆锚)机械式或胶结式螺栓端杆锚具精轧螺纹钢筋或钢筋YF锚(压缩分散锚)P型锚及承载体单孔或群孔夹片无粘结钢绞线4.1.2已建工程经验表明,机械式锚固段有许多优点,施工简便,可以实现快速张拉.如大型地下洞室的顶拱加固,锚杆垂直向上,灌浆困难,而采用机械式锚固段则施工简便,而且锚固效果较好.机械式锚固段主要靠凸凹不平的金属夹片与孔壁的咬合和摩擦提供张拉力.当锚杆拉紧后,锚固段与孔壁处于紧密接触状态,随着拉力的增加,咬合力和摩擦力也随之增加.由于锚固段凸起部分靠张拉力嵌于岩石内一定深度,这无疑增大了锚杆的锚固效果.但是,由于锚固段部位的岩体软硬差别较大,遇到较坚硬的岩石,锚固段凸起部分嵌入岩石内的深度不可能很深,靠咬合提高的锚固力将受限制；而遇到软弱岩石,锚固段凸起部分嵌入岩石的深度可能较深,但由于岩石软弱,当对锚杆施加张拉力时,首先被破坏的锚固段部位的岩体.锚固段部位岩体一旦破坏,锚杆的张拉力也就无法再施加了.其次机械式锚固段尺寸不可能很大,孔壁的咬合力和摩擦力也不可能太高.根据已建工程的经验,机械式锚固段所提供的锚固力,一般情况下为1000kN左右.当锚固工程的环境温度较低,胶结材料处于受冻或胶结材料较长时间不凝结时,也应采用机械式锚固段.为了迅速提供支护抗力和制止危岩塌滑,必须立即张拉时,应尽可能采用机械式锚固段.4.1.3胶结式锚固段的优点是适用于各种岩体,只要锚固段有足够的长度,可以提供较大的锚固力.因此,胶结式锚固段有很广泛的适用性.丰满大坝基础加固采用的6000kN预应力锚杆就是胶结式锚固段,锚固段长度13.3m.4.1.4外锚头包括混凝土垫墩,钢垫板,限位板和工作锚板(锚夹具).外锚头型式选择同锚固段型式选择一样,除了考虑单根锚杆的张拉力和外锚头所处的环境条件外,还应考虑施工场地条件.一般情况下,应优先选用机械式外锚头.当施工场地宽敞,要求锚固力较大,锚杆向下布置,又有特殊需要时,也可以选择钢筋混凝土外锚头.在选用机械式外锚头时,应选择性能稳定,锚杆锁定后预应力损失最小,施工方便的外锚头型式.外锚头的关键部件是锚板和夹片,它们直接影响张拉和锁定的效果.对锚板和夹片的要求是：锚杆张拉时不断丝,能自锁；锁定时锚杆回缩量要小.因此,对锚板和夹片加工的要求非常严格,工艺也非常精良,所以选择外锚头的生产产品应通过国家质量认证.4.1.5为了保证锚固效果,使锚杆受力均匀,减少外锚头各部件的接触变形造成的预应力损失,必须在锚具和锚固介质之间,设置钢垫板和混凝土垫墩.钢垫板和混凝土垫墩应平整,其法线方向应同锚杆轴线一致.混凝土垫墩应有足够的尺寸和强度,必要时应配适量的钢筋.垫墩的尺寸,应保证传力均匀.混凝土垫墩可以现场浇筑,也可预制.为了适应边坡或变形的需要,为了增加边坡或围岩和整体稳定性,在被锚固介质软弱破碎或锚固介质为土体时,各根锚杆的垫墩也可用钢筋混凝土框架梁联成整体的结构形式.由于锚杆的张拉力很大,所以要求锚垫板应有一定的厚度,一般来讲钢垫板的厚度宜为20mm.4.1.6锚束是为预应力锚杆提供张拉力,而实现对工程的加固.其工作机理是,当对高强钢丝或钢绞线施加张拉力时,钢丝或钢绞线将伸长,如果再将两端联接锚束的锚固段和外锚头锚住和锁定,锚束的伸长量不能回缩,此时对锚固介质产生压应力,从而达到加固的目的.对于永久的锚固工程,必须要求锚束的伸长量长期保存,这就要求锚束的材料,具有良好的弹性和低松驰特性,以保证预应力损失小,锚固效果好.在实际锚固工程中,为了施工安装方便,也可以采用强度较大的精轧螺纹钢筋做为锚杆材料.丰满坝体加固,采用了精轧螺纹钢筋做为锚杆材料,取得了较好的加固效果.4.1.7在预应力锚固工程的设计时,应按设计需要选择性能好,压力稳定,安装方便的张拉设备.张拉设备可按SL46-94水工预应力锚固施工规范选用.4.1.8对拉式预应力锚杆,锚杆两端的锚头均暴露在外部,其结构型式均为外锚头的结构型式,所以安装方便,可以实现迅速张拉.在张拉时,为减少摩阻损失,可以两端同时张拉.由于有上述明显的优点,在条件允许的情况下,应优先采用对拉式预应力锚杆.例如距离较近的两洞室之间的边墙等部位的加固.4.1.9由于预应力锚固技术正处在一个发展阶段,应用的领域也越来越广,锚固技术也在不断发展,应积极推广经济,高效,新型锚杆体.但为了保证锚固质量,提高锚固效果,对新的锚杆体必须通过现场试验,研究加以论证,取得有说服力的数据后,经审查批准后方可推广应用.4.2锚杆体的结构设计4.2.1为了充分发挥锚固段,张拉段,外锚头及各种部件的材料力学性能,必须按等强度的原则进行设计,做到经济合理,安全可靠.4.2.2锚固段的长度,主要受两个因素控制.一个是锚固段的胶结材料同孔壁的粘结力；另一个是胶结材料同钢丝或钢绞线的握裹力.由于钢材同水泥浆之间的握裹力比水泥浆同孔壁的粘结强度大近1倍,所以钢材同水泥浆的握裹力一般不起控制作用.一般工程可不必进行锚杆同水泥浆握裹力的计算.对于重要工程,则应采用钢材同水泥浆的握裹力来对锚固段长度进行校核.锚固段应有足够的胶结长度,用于抵御最大的张拉荷载.影响锚固段长度的因素除了胶结材料本身的强度和围岩质量以外,胶结质量的影响也十分重要.由于锚固段的灌浆是在很深钻孔中实施,钻孔直径仅为100200mm,孔深可达50m以上,再加上锚束和各部件的阻碍,要确保锚固段胶结的密实,有良好的质量,是有一定难度的,检查也不十分准确.所以,在锚固段长度的设计时,往往用一定的安全系数来做保证.安全系数大小与工程的重要程度和施工条件有关,其中特别与锚杆孔的方向关系极大.当锚杆孔方向同水平面的夹角大于45时,锚杆孔为仰角,此时灌浆难度较大,而且不易灌注饱满和密实,所以胶结长度安全系数应取大值.当锚杆孔方向同水平面夹角小于0时,锚杆孔为俯孔,此时灌浆容易,而且注浆效果好,易饱满密实,所以胶结长度的安全系数可取小值.根据锚杆孔方向不同,采用不同的安全系数可节省锚固工程造价.由于胶结材料的强度大小对胶结段长度也有很大影响.胶结材料同孔壁粘结力的大小是受围岩条件控制的.试验结果表明,当水泥浆的抗压强度为42MPa时,则极限粘结强度可达4.2MPa,假如安全系数取2.5,则容许的粘结强度可选用1.7MPa.根据已建工程的经验,水泥浆胶结材料同围岩的粘结强度可按表4.2.2-1选取.树脂材料同围岩的粘结强度可按表4.2.2-2选取.表4.2.2-1水泥浆胶结材料同围岩的粘结强度围岩级别 粘结力C(MPa)1.51.51.21.20.80.80.30.3表4.2.2-2树脂材料同围岩的粘结强度围岩类型抗压强度(MPa)粘结力(MPa)粘土岩,粉砂岩5.01.21.6煤,页岩,泥灰岩,砂岩14.01.63.0砂岩,石灰岩50.03.05.0花岗岩及各种类似花岗岩的火成岩100.05.07.04.2.3锚固段长度的确定是假定胶结材料同孔壁的剪应力沿孔壁均匀分布条件下进行计算的,而光弹试验结果表明,锚固段沿孔壁的剪应力呈倒三角形分布,其分布是不均匀的,而沿锚固段长度迅速递减,并不是锚固段越长,其抗拔力越大,当锚固段长到一定程度,拉拔力提高并不显著,见图4.2.3,所以锚固段不宜过长.国际预应力混凝土协会实用规范(FP)也特别规定锚固段长度不宜超过10m.如果10m的锚固段长度尚不能满足工程需要,可采用改善锚固段结构的办法,提高锚固力.为了提高锚固段的锚固效果,锚固段部位的孔壁尽可能粗糙.为了缩短锚固段长度,也可采取扩孔措施.为了提高锚杆体(钢丝或钢绞线)同胶结材料的握裹力,也可以改变锚固段锚杆的结构形状,如设置内锚板,钢绞线或钢丝弯成钩状,加密隔离架或分段缩径等.图4.2.3孔壁和水泥浆的粘结力与锚杆和孔壁接触面积的关系4.2.4水泥浆同围岩不仅有较好的胶结性能,而且对锚杆材料有较好的防护特性,所以大多数锚固工程均采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥做为胶结材料.如果在水泥浆中掺入一定的减水剂,早强剂,还可获得较高的强度.例如丰满大坝基础加固6000kN预应力锚杆,锚固段的胶结材料采用水泥浆,其配比为硅酸盐525水泥,水灰比0.38,掺入10%EA型复合膨胀剂和0.6%UNF-5高效减水剂,7天强度可达55.3MPa,28天强度为81.3MPa.在选择胶结材料的强度指标时,还应考虑围岩条件.围岩条件好可选用较高强度的配比,并可选择树脂材料做为胶结材料,这样可充分发挥树脂材料同围岩粘结力较高的优势.在围岩条件软弱,破碎或风化严重时,胶结材料强度高将失去意义,应选择较低强度的配比,但不能低于35MPa.4.2.5机械式锚固段也称为机械式内锚头,由金属材料制成.其主要部件有外夹片,锥筒,锚塞,托圈,套管弹簧和垫圈等组装而成,详见图4.2.5.由于机械式锚固段安装方便,而且安装后可立即对锚杆施加张拉力,所以也有一定的适用性,它特别适用于中等硬度的围岩条件和锚固力在1000kN级的预应力锚杆.在锚固工程设计中,一定要注意这一使用条件.图4.2.5机械式内锚头结构1-外夹片；2-锥筒；3-六棱锚塞；4-钢绞线；5-托圈；6-套管；7-顶簧；8-垫圈4.2.6机械式锚固段的工作机理是靠外夹片同孔壁的咬合与摩擦实现锚固的,所以要求内锚头的结构尺寸,应同要求的锚孔直径有良好的匹配.当弹簧完全放松时锚头直径最大,安装时弹簧压紧,外夹片退至锥筒直径较小的一端,锚头直径最小.锥筒和外夹片的锥度一般为1:10,如果锥筒长度为300mm,锚头的最大直径和最小直径之差也只有15mm左右,也就是说机械式内锚头在钻孔中的可调直径的大小只有15mm的范围.为保证顺利下锚,钻孔设计直径应大于弹簧完全压紧时锚头的最小直径,但当施加设计张拉力时,又必须保证外夹片同孔壁的咬合,锚固段不产生滑移或拉出,因此钻孔的设计尺寸应小于弹簧放松时锚固段的最大直径.如果成孔后的实际直径同设计要求的直径误差过大,势必影响锚固段的安装或张拉时同孔壁的咬合,因此必须严格控制机械式锚固段部位的钻孔直径误差.4.2.7锚束是预应力锚杆提供锚固力的主要部件,由强度高,低松驰的高强钢丝,钢绞线或精轧螺纹钢筋构成.预应力锚杆使用的锚束材料,其力学性能,断面尺寸必须符合国家标准GB/T5223-1995和GB/T5224-1995的规定.实际使用的钢材表面不应有锈蚀,损伤或断裂的痕迹.由于精轧螺纹钢筋目前尚无国家标准,可按本规范规定的标准执行.对于锚固力较大的预应力锚杆,均由多股高强钢丝或多股钢绞线组成.例如6000kN锚固力的锚杆,由42股钢绞线组成,对多股钢绞线同步张拉时,受力很难保证均匀一致,多股钢绞线同时锁定后,由于张拉时伸长量不一致,锚夹片工作性能不同,锁定后每股钢绞线受拉状态也是不均匀的.丰满大坝基础加固锚杆试验,实测每股钢绞线受力的不均匀系数为0.911.03.其他工程也做过类似的工作,其实测结果见表4.2.7-1.从表中所列数据可见,其不均匀程度就更差.为防止由于每股钢绞线受力不均匀,而使受力较大的首先拉断,继而全部拉断的结果出现,在设计时要考虑一定的安全裕度.表4.2.7-1各工程实测钢绞线受力不均匀系数工程名称白山地下厂房白山15号坝段锚固丰满坝基加固镜泊湖进水口小浪底不均匀系数0.41.670.71.170.81.170.871.130.41.67此外预应力锚杆的工作环境是长期在高应力状态下工作,为了锚杆的正常工作,必须考虑应力腐蚀的影响.基于上述原因,国内外的锚固工程都将锚束材料的极限抗拉强度的60%65%做为锚束允许设计应力.例如日本锚固协会的VSL锚固设计施工规范中规定：对于永久性锚固工程,锚束材料允许的设计应力为0.6b(b-钢材的极限抗拉强度)；对于临时性锚固工程,锚束材料的允许设计应力为0.65b.国内外绝大多数锚固工程都是按0.600.65b做为设计允许的应力标准进行控制的,见表4.2.7-2和表4.2.7-3.实践证明,这一规定是合理的.表4.2.7-2国内部分工程锚束材料强度利用系数和预应力损失情况工程名称孔深(m)单束锚固力(kN)岩性强度利用系数预应力损失(%)梅山坝基加固373240花岗岩0.658.8双牌坝基加固353250砂岩及板岩互层0.604.4麻石锚固试验383240白云母片岩0.649.8镜泊湖岸坡加固21900闪长花岗岩脉0.6050.0陈村岸坡加固302320石英砂岩板岩互层0.557.7丰满泄洪洞11480变质砾岩0.6010.0丰满51号坝段加固61.66000变质砾岩0.576.5白山地下厂房混合岩27.0白山15号坝段加固混凝土6.8碧口0.60洪门0.61铜街子0.66天生桥0.65漫湾预应力闸墩0.63二滩预应力闸墩0.60水口预应力闸墩0.63为了减少张拉时预应力损失,减少与孔壁的摩擦,提高锚固效果,钢丝或钢绞线必须按一定规律编索并设置隔离架,保证钢丝或钢绞线在钻孔中顺直,不扭曲,不交叉.隔离架对应的穿索孔方位要一致.为了保证下锚顺利,对倾角较陡的锚杆,隔离架间距不大于4m,对同水平方向夹角小于45的锚杆,隔离架间距不大于2m.为了保证封孔灌浆效果,隔离架中要预留灌浆管和排气管通道.封孔灌浆后锚杆的保护层应大于20mm.采用机械式锚固段的锚杆,锚固段和锚束的联接极为重要.国内外经验表明,采用爆炸压接的方式联接比较稳妥可靠.表4.2.7-3部分国家规范规定的材料强度利用系数k规范名称控制应力取值中国T10-740.7R(先张法),0.65R(后张法)中国铁路工程技术规范0.75R中国公路预应力混凝土桥梁设计规范0.75R国际预应力混凝土协会F-CEB实用规范0.8ftk(相当我国的R) 美国AC1318-770.8fpu(相当我国的R) 原苏联CHHH11-21-750.75Ra11(大体相当我国的R) 日本预应力混凝土结构设计规范0.7p(相当我国的R) 说明表中k 为预应力锚杆达到最大应力值,相当于本规范规定的超张拉力时的锚杆应力值.R为材料的标准强度值.对于长期观测的锚杆,不能封孔灌浆,以保证锚杆永久处于自由状态.当锚杆受力条件变化时,立即可获得变化数值.为了防止观测锚杆锈蚀或腐蚀破坏,要采取稳妥措施做好永久性保护.4.2.8外锚头是由混凝土或钢筋混凝土垫墩,钢垫板,工作锚板等部件组成,而工作锚板则是外锚头提供锚固力的关键部件.工作锚板的类型很多.但无论采用什么类型的,均要求有足够的强度,使用寿命长,夹片不易损坏,自锚能力强,保证夹片能夹紧钢丝或钢绞线,卸荷回缩时不滑移.此外还要求夹片具有自松能力,以适应反复张拉或补偿张拉的要求.外锚头的结构尺寸还要适应施工场地条件的要求,保证施工方便.锚杆张拉程序完成后,当张拉千斤顶卸荷时,是靠工作锚板来锁定锚杆的.锁定时钢丝或钢绞线均产生一定量的的回缩,回缩量大小决定了锚杆预应力损失的大小.锚杆锁定后回缩量大小与锚夹具的设计和制造工艺有关.我国的锚夹具制造水平已达到了国际先进水平,由东北勘测设计研究院和柳州建筑机械总厂研制,柳州建筑机械总厂生产的锚夹具,在丰满6000kN级预应力锚杆的锚固中测得的回缩量为5.8mm,2400kN级预应力锚杆的回缩量仅为4.4mm,柳州建筑机械总厂实测平均回缩量仅为2.76mm这一指标远远小于国际通用的VSL规范标准,这无疑大大降低了锚杆的预应力损失量.孔口垫墩尺寸大小同孔口围岩条件关系极大,孔口围岩条件较好,垫墩尺寸可小些,孔口围岩条件较差,垫墩尺寸应大些,必要时还应配置钢筋.垫墩断面型式一般为梯形断面,保证传力面积大,而且均匀传力.有些工程采用了预制钢筋混凝土块,锚杆安装时一并安装孔口垫墩.也有些地质条件极差的工程,还将垫墩同框架梁联成整体,以保证锚固的整体性.由于混凝土垫墩受力比较集中,荷载也较大,因此,要求垫墩混凝土强度等级不低于C30.4.3锚杆体的防护设计4.3.14.3.3预应力锚固工程的锚杆长期在高应力状态下工作,因此对预应力锚杆的防护十分重要.如无防护或防护不当,高应力状态下的工作锚杆,则由于应力腐蚀而失效.由于预应力锚杆的工作环境不同,预应力锚杆的防护标准也不同,如果环境水中含有过量的氯离子,会加速锚杆的应力腐蚀.根据已建的锚固工程和国外的经验,按锚杆的工作年限和环境的条件,制定了预应力锚杆的防护标准.经验证明,采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的刚性防护是最为有效的防护手段.4.3.4双层保护的无粘结预应力锚杆,已开始在我国的锚固工程中应用.这种型式的预应力锚杆材料,已在我国开始生产.它的主要特点是采用了在钢丝或钢绞线表面喷涂防腐材料,外层加设塑料套管,钢丝或钢绞线之间充填防腐油,其构造见本规范条文说明3.2.5条.为了更有效的防护,除观测锚杆和有补偿张拉的预应力锚杆外,在双层保护的预应力锚杆同孔壁之间也应用水泥浆灌注,防止塑料套管老化失效或施工过程中破损而造成锚杆的锈蚀或腐蚀.4.4张拉力的控制和张拉程序设计4.4.1在岩体中实施锚固,由于岩体的力学性质差异较大和围岩的各向异性,再加上地质条件中不可预见的影响因素,影响预应力保持的因素要比水工建筑物多.考虑到这种情况,当对岩体中的预应力锚杆施加设计张拉力时,要求锚杆中的平均应力,不宜大于材料极限抗拉强度的60%.在预应力锚杆锁定后,由于锚具夹片总要有一定的回缩量,在锚杆张拉力过程中,锚杆体与孔壁要产生摩擦等,这些情况都要使锚杆的预应力产生一定的损失.为了保证设计需要的锚固力,张拉时必须进行超张拉.超张位荷载一般可按设计张拉力的15%控制.如果设计锚固力时,钢材强度利用系数为0.6,当施加超张拉荷载时锚杆材料中的平均应力,则不宜大于其极限抗拉强度的69%.4.4.2,4.4.3对于水工建筑物的锚固,被锚固介质大多为混凝土或钢筋混凝土结构,其力学性质比较稳定,清楚,基本为各向同性.混凝土的徐变特性也无太大差异,建筑物作用荷载相对比较明确.所以对锚杆张拉力控制可以适当放宽.当施加设计张拉力时,锚杆的平均应力不宜大于钢材极限抗拉强度的65%；当施加超张拉力时,锚杆中的平均应力不宜大于钢材极限抗拉强度的75%.4.4.4对锚杆施加张拉力时,由于张拉荷载较大,各部位的变形都有一个适应过程.为使锚杆变形充分,减少预应力损失,必须按规定程序,逐级施加张拉力,不可一次张拉至超张拉荷载.张拉力应平稳施加,每级张拉力下要持荷5min以上.为了保证预应力锚固效果,在正式封孔灌浆之前,如果确认锚杆锁定后,保存的预应力低于设计锚固力的90%,必须进行补偿张拉,达到设计要求的锚固力后,方可封孔灌浆.对群锚的张拉,合理的张拉程序更为重要,因为当张拉某根锚杆时,附近岩体将产生压缩变形.在这一压缩变形的影响下,已锁定的邻近锚杆的锚固力要降低.为了克服岩体压缩变形的影响,保证设计需要的锚固力,并且力求做到岩体均匀受力,一定要按设计程序张拉.必要时对每根锚杆按设计张拉力的分级,采用大循环的方式安排张拉程序.即对全部群锚施加第一级张拉荷载后锁定,再对全部群锚施加第二级张拉荷载,以此类推,直到全部群锚都张拉至超张拉荷载.这一张拉程序有利做到在张拉期围岩变形充分,减少锚杆的预应力松弛.当然这一张拉程序的主要缺点是,张拉时间长,每张拉一级荷载,要安装一次张拉机具,施工比较麻烦,也容易损坏夹片,从而影响锚杆的锁定效果.安排张拉程序时,一定要注意简便,既达到减少预应力锚杆预应力损失的目的,又要方便施工.5岩体预应力锚固设计5.1岩质边坡5.1.1在岩质边坡中,由于软弱结构