边坡工程处治技术06 锚杆(索)的设计与施工.ppt

第六章 锚杆（索）设计与施工,6.1 概述6.2 锚杆（索）设计与计算6.3 锚杆（索）构造设计6.4 锚杆（索）的施工6.5 锚杆（索）的试验与观测,6.1 概述,6.1.1 岩土锚固技术的发展与应用 1. 岩土锚固技术 岩土锚固技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的强度和自稳能力的一门工程技术。 2. 基本原理 岩土锚固的基本原理是利用锚杆（索）周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖的自身稳定。,锚杆（索）加固原理示意图,6.1.2 锚杆（索）的结构与分类,1. 锚杆（索）的结构 锚（索）杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由段和锚固段组成。,锚杆结构示意图,1-台座；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-钻孔；6-自由隔离层；7-钢筋；8-注浆体；Lf-自由段长度；La-锚固段长度,锚索结构示意图,1-台座；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-自由隔离层； 6-钻孔；7-对中支架；8-隔离架；9-钢绞线；10-架线环；11-注浆体；12-到向槽；Lf-自由段长度；La-锚固段长度,2. 锚杆的分类（1）按应用对象分类 岩石锚杆（索）：内锚段锚固于各类岩层中，而自由段可以位于岩层或土层中。 土层锚杆（索）：锚固于各类土层中的锚杆。（2）按是否施加预应力分类 预应力锚杆（索）：锚杆锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受载状态。 非预应力锚杆（索）：锚杆（索）锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态。,（3）按锚固形态分类 圆柱形锚杆、端部扩大头锚杆、连续球形锚杆。（4）按锚固机理分类 粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆。,圆柱形锚杆,端部扩大头锚杆,连续球形锚杆,6.1.3锚杆（索）在边坡处治中的应用,1.采用锚杆（索）加固边坡，提供足够的抗滑力。2.采用锚杆加固岩石边坡，增加岩体自身强度，提高边坡的稳定性。3.锚杆在边坡加固中与其他支挡结构联合使用。 （1）锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式锚杆挡墙。 （2）锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式锚杆挡墙。,（3）锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土板肋式锚杆挡墙。（4）锚杆与混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙。（5）锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构。（6）锚钉加固边坡，在边坡中埋入短而密的抗拉构件与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性。,6.2 锚杆（索）设计与计算,6.2.1 锚杆（索）设计的基本原则 1.设计锚杆的使用寿命不小于公路或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用年限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用年限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。 2.当对支护结构变形量容许值要求较高、或岩层边坡施工期稳定性较差、或土层锚固性较差、或采用了钢绞线和精轧钢时，宜采用预应力锚杆。,3.设计的锚杆必须达到设计的锚固力要求，防止边坡滑动剪断锚杆，锚杆选用的钢筋或钢绞线必须满足有关国家标准。4.非预应力锚杆长度一般不超过16m，单锚吨位一般为100-400KN，最大设计吨位不超过450KN，预应力锚杆（索）一般不超过50m，单锚设计吨位一般500-2500KN ，最大设计荷载不超过3000KN。5.进行锚杆设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆施工完毕后应进行抗拔试验。,6.2.2 锚杆（索）的设计程序,6.2.3 锚杆（索）的布设,锚杆的布置与安设角度原则上应根据实际地层情况以及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定。 （1）锚杆上覆地层厚度应不小于4.0m，以避开车辆反复荷载的影响，也避免采用高压注浆使上覆地层隆起。 （2）锚杆水平与垂直间距宜大于2.5m，以避免应力集中，同时不得小于1.5m，以避免群锚效应降低锚固力。,（3）锚固角的安设角度，需要考虑邻近状况、锚固地层位置和施工方法。一般锚杆的俯角不小于15，不大于45。 理论分析表明，锚索满足下式是最经济的： 式中：b 锚索倾角；q 滑面倾角；f 滑面内摩擦角。,6.2.4 锚杆（索）锚固设计荷载的确定,锚杆（索）锚固设计荷载应根据边坡的推力大小和支挡结构的类型综合考虑确定。首先应当计算边坡的推力或侧压力，然后根据支挡结构的形式计算该边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、布置便可确定出锚杆（索）锚固荷载的大小。,a) 岩质滑坡根据极限平衡法进行计算，应考虑预应力沿滑面施加的抗滑力和垂直滑面施加的法向阻滑力。,F滑坡推力设计值（kN）;Pt设计锚固力(kN)；j 滑动面内摩擦角() 。,锚杆（索）加固原理示意图,b) 堆积层（包括土质）滑坡根据传递系数法进行计算，考虑预应力锚索沿滑面施加的抗滑力，可不考虑垂直滑面产生的法向阻滑力。所需锚固力为：Pt =F / cos,1. 锚杆锚筋的截面积计算 假设锚杆轴向设计荷载为Pt，则可由下式初步计算出锚杆要达到设计荷载Pt所需要的锚筋截面：,式中：Ag由N计算出的锚筋截面；k 安全系数，对于临时锚杆取1.6-1.8，对于永久锚杆取2.2-2.4； fptk 锚筋（钢丝、钢绞线）抗拉强度设计值。,6.2.5 锚杆（索）锚筋的设计,2. 锚筋的选用 根据锚筋截面计算值Ag，对锚杆进行锚筋的配置，要求实际的锚筋配置截面Ag Ag 。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因素综合考虑。 对于棒式锚杆，都采用钢筋做锚筋。如果是非预应力锚杆一般选用普通、级热轧钢筋；如果是预应力锚杆可选用、级冷拉热轧钢筋或其他等级的高强精轧螺纹钢筋。钢筋的直径一般选用22-32。,对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆应优先选用钢绞线、高强钢丝。3. 按实际锚筋截面计算锚杆承载力设计值 按实际锚筋配置截面计算锚杆承载力设计值：,6.2.6 锚杆（索）的锚固力计算与锚固体设计,锚杆极限锚固力（极限承载力）：指锚杆锚筋沿握裹砂浆或砂浆沿孔壁产生滑移破坏时所能承受的最大临界拉拔力，可以通过破坏性拉拔试验确定。 锚杆容许锚固力（容许承载力）：极限锚固力（极限承载力）除以适当的安全系数（通常为2.0-2.5）。,1. 圆柱形锚杆锚固力与锚固长度计算 根据锚固机理，锚杆的极限锚固力可按下式计算： 式中：L 锚固体长度；d 锚固体直径；qs 锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度。 锚杆要达到锚固力设计值Ng所需要的最小锚固体长度：,锚固力计算模式图,2. 端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算,端部扩大头型锚杆的极限锚固力由三部分组成：直孔段圆柱形锚固体摩擦阻力、扩孔段圆柱形锚固体摩阻力以及扩大头端面承载力。前两项摩阻力可由式（6.5）计算，扩大头端面承载力目前主要运用锚定板抗拔力计算公式近似计算。 砂土中锚杆的极限锚固力计算： 粘性土中锚杆的极限锚固力计算：式中：Pu 锚杆极限锚固力；L1, L2, D, d 锚固体结构尺寸； qs 锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值；h, g 扩大头上覆土层的厚度和土体容重；Cu 土体不排水抗剪强度； bc 锚固力因数。,锚杆的最小锚固长度为： 砂性土： 粘性土：在实际工程中，为了便于计算常将上面两式简化为：式中：Bc 扩大头承载力修正系数，对于临时锚杆去4.5-6.5，对于永久性锚杆取3.0-5.0。,3. 锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度计算 对于坚硬岩石，如果锚固体与岩层之间的极限摩阻力大于锚筋与锚固砂浆之间的极限握裹力，锚杆首先从锚筋与锚固砂浆之间剪切破坏。极限握裹力计算公式：最小握裹长度：式中：L 锚固体长度；dg 锚筋直径；n 锚筋数量； qg 锚筋与锚固砂浆之间的极限粘结强度， Lg 锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度。 圆柱形L=max(Lm, Lg ) , 端部扩大头型L=max(La, Lg ),非预应力土层锚杆弹性变形的计算 对于土层锚杆在外荷载作用下，除了锚杆自由段产生变形外，锚固段也存在一部分变形，一般需通过试验确定，在初步设计时可以近似估算： （6.13）式中：Sc 锚杆弹性变形；Lf , La 锚杆自由段和锚固段长度；A , Ac 杆体截面面积和锚固体截面面积；Es , Ec 杆体弹性模量和锚固体组合弹性模量，可由下式确定： （6.14） Am , Em 锚固体中砂浆体的截面面积和弹性模量。,6.2.7 锚杆（索）的弹性变形计算,非预应力岩石锚杆弹性变形计算 非预应力岩石锚杆的弹性变形主要为锚杆自由段的弹性变形，估算公式为： （6.15）3. 预应力锚杆（索）弹性变形的计算 预应力锚杆在受到的轴向拉力小于预应力实际保留值时，可按刚性拉杆考虑；如果承受的轴向拉力大于预应力保留值时，预应力锚杆将再次产生拉伸变形，此时锚杆的变形量可根据拉力超出预应力保留值的增量代入式（6.13）和（6.15）中的Sc计算变形量。,6.2.8 锚杆（索）的锁定荷载和锚头设计,（1）边坡坡体结构完整性较好时，可将设计锚固力的100%作为锁定荷载。（2）边坡坡体有明显蠕变且预应力锚杆与抗滑桩相结合，或因坡体地层松散引起的变形过大，应由拉张试验确定锁定荷载，这种情况下锁定荷载一般取设计锚固力的50%-80%。,（3）当边坡具有崩滑性时，锁定荷载可取为设计锚固力的30%-70%。（4）如果设计的支挡结构容许变位时，锁定荷载应根据设计条件确定有时按容许变形的大小可取设计锚固力的50%-70%。（5）当锚固地层有明显的徐变时，可将锚杆张拉到设计拉力值的1.2-1.3倍，然后再退值到设计锚固力进行锁定。,6.2.8 锚杆（索）的防腐设计,（1）锚固体防腐 锚固于无腐蚀条件地层内的锚杆，经除锈后可不再作特殊处理，直接由水泥砂浆密封防腐，对于锚固于有腐蚀条件地层内的锚固段应作防腐特殊处理，一般可用环氧树脂涂刷钢筋防腐。（2）自由段防腐对于非预应力锚杆自由段防腐：可采用除锈、刷沥青船底漆二度，沥青玻纤布缠裹二层。,对于预应力锚杆自由段防腐：可采用除锈、刷沥青船底漆二度后绕扎塑料布，在塑料布上再涂润滑油，最后装入塑料套管中，形成双层防腐。（3）锚头防腐首先对锚头零部件进行防腐处理，封堵、隔离地表水侵入锚杆，再用水泥封锚。（4）临时性锚杆的防腐对于临时性锚杆重点对外锚头和自由段作防腐处理。,6.3 锚杆（索）的构造设计,6.3.1 锚杆（索）的一般构造要求（1）锚杆自由段长度不小于5.0m，土层锚杆锚固段长度宜大于4.0m，小于14.0m，岩石锚杆锚固段长度宜大于3.0m，小于10.0m。（2）锚杆对中支架应沿锚杆轴线方向每隔1.0-2.0m设置一个，对于岩石锚杆支架间距可适当增大至2.0-3.0m。（3）在无特殊要求的条件下，锚杆浆体一般采用水泥砂浆，其强度设计值不宜低于M20。（4）锚杆外锚头、台座、腰梁及辅助件应按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范、钢结构设计规范进行设计。,6.3.2 锚杆挡墙的构造,（1）板肋式和桩排式锚杆挡墙中的肋柱和排桩的间距一般为2.06.0m，肋柱间距较小，一般肋柱宽度不小于300mm，肋高不小于300mm；钻孔桩的直径不小于500mm，挖孔桩的直径不小于800mm。（2）肋柱和排桩截面一般采用对称配筋作法，但如果顶端设单锚的桩锚结构可根据立柱的内力包络图采用不对称配筋作法。（3）锚杆布置上下排垂直间距不宜小于2.5m，水平间距不宜小于2.0m。,（4）桩和肋柱顶应设置钢筋混凝土联系梁，保证支挡结构整体共同工作。（5）现浇挡土板和拱板厚度不宜小于20cm，并应满足支座长度构造要求。（6）锚杆挡墙混凝土构件强度等级均不应小于C20，肋柱宜采用碎石混凝土。同时锚杆挡墙现浇混凝土构件温度伸缩缝的间距不宜大于25-30mm。（7）外锚头的防腐设计作重点考虑时，应有可靠的防腐构造处理，保证其永久防腐的可靠性。,6.3.3 锚板支护结构的构造,（1）系统锚杆布置要求：锚杆倾角宜与水平线成5-20夹角；锚杆布置宜采用菱形排列，或采用行列式排列；锚杆间距宜在1.5-2.5m，锚杆长度设计应遵循一般规定。 （2）局部锚杆布置要求：受拉破坏时，锚杆方向应按有利于锚杆受拉布置；受剪破坏时，宜逆着不稳定块体滑动方向布置。,（3）面板可采用喷射混凝土和现浇混凝土板；喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，喷射混凝土1天龄期的抗压强度不应低于5MPa。（4）喷射混凝土与岩面的粘结力：整体状与块体状岩体不应低0.7MPa，碎裂状岩体不低于0.4MPa。,（5）喷射混凝土面层厚度不应低于50mm，一般为80-120mm；含水岩层的喷射混凝土支护厚度应不低于80mm；钢筋网喷射混凝土支护厚度不应小于100mm，钢筋直径宜为6-12，钢筋间距为200300mm，钢筋保护层厚度不应低于30mm。 （6）现浇板厚度宜为150200mm，混凝土强度等级标号不应小于C20。根据设计需要可采：用双层或单层配筋，钢筋直径宜为8-14，钢筋间距为200300mm。,6.3.4 锚板钉边坡构造,（1）锚钉孔直径为70-120mm，锚钉中的钢筋应采用级螺纹钢，钢筋直径1632。（2）锚钉布置方式可采用行列式或梅花式，间距1-2m，锚钉与水平面的倾角为520，一般不大于15。锚钉的长度在岩质边坡中最短不应小于3m，在土质边坡中最短不应小于3m且不小于04倍坡高。,（3）现浇面板的厚度为150-200mm，混凝土强度等级不低于C20，板内设级钢筋，钢筋网间距一般为200mm。（4）锚钉边坡护面板必须与锚钉有可靠的连接。连数方式可采用螺帽加垫板或简易弯钩锚头，简易弯钩应与面板中的附加构造钢筋焊接。（5）锚钉边坡的护面板应沿纵向按2030m的长度分段设置竖向伸缩缝。同时必须在护面板背面或坡脚前等适当部位设置排水带(沟)，坡顶应采取隔水封闭措施。,6.4 锚杆（索）的施工,6.4.1 施工前的准备工作1. 施工前调查（1）锚固工程计划、设计图、边坡岩土性状等资料是否齐全；（2）施工场地调查，施工对交通的影响情况，对于新建中的公路可不考虑；（3）施工用水、用电条件调查；,（4）边坡工程周边可能对施工造成影响的各种状态调查；（5）对于城区公路边坡，考虑施工噪音、排污的影响；（6）掌握作业限制、环保法规或地方法令对施工造成的影响；（7）其他条件的调查，如施工用便道、气象、安全等条件。2. 施工组织设计 包括施工方法、施工程序、使用机械、工程进度、质量管理和安全管理等事项。,6.4.2 造孔 锚杆(索)施工的第一步就是按照施工图的要求钻孔，一般要求如下：（1）在钻机安放前，按照施工设计图采用经纬仪进行测量放线确定孔位以及锚孔方位角，并作出标记。一般要求锚孔人口点水平方向误差不应大于50mm，垂直方向误差不应大于10Omm。（2）确定孔位后根据实际地层及钻孔方向选取适当的钻孔机具并确定机座水平定位和立轴倾角(即锚孔倾角)。,（3）在边坡锚固的钻孔过程中应注意岩芯的拾取，并尽量提高岩芯采取率，以求不断地准确地划分地层、确定不稳定岩土体厚度，判断断裂破碎带、滑移面、软弱结构面的位置和厚度，从而验证设计所依据的地勘资料，必要时修改设计。锚孔深度应超过设计长度0.5-1.Om，同时锚孔锚固段必须进入中风化或更坚硬的岩层，深度一般不得小于5m。,6.4.3 锚杆制作与安装,在锚杆制作上，棒式锚杆的制作十分简单，一般首先按要求的长度切割钢筋，并在外露端加工成螺纹以便安放螺母，然后在杆体上每隔2-3m安放隔离件以使杆体在孔中居中，最后对杆体按要求进行防腐处理，这样棒式锚杆的制作便完成。此外对于各种锚杆还有以下要求：（1）严格按照设计进行钢筋（或钢绞线）选材。（2）严格按照设计长度进行下料。（3）锚杆组装可在严格管理下由熟练人员在工地制作。（4）锚束放人钻孔之前，应检查孔道是否阻塞，查看孔道是否清理干净，并检查锚索体的质量，确保锚束组装满足设计要求。安放锚束时，应防止锚束扭压、弯曲。,6.4.4 注浆施工,锚固的注浆是锚杆施工过程中的一个重要环节，注浆质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力。一般要求有：（1）按规定选择水泥浆体材料。（2）锚束浆液在28天龄期后要求抗压强度达到设计标号强度；当注浆为水泥砂浆时，一般选用灰砂比为1：11：2，水灰比为038048，且砂子粒径不得大于2mm，而二次高压注浆形成的连续球型锚杆的材料宜选用水灰比045050的纯水泥浆。,（3）注浆作业应连续紧凑，中途不得中断，使注浆工作在初始注入的浆液仍具塑性的时间内完成；在注浆过程中，边灌边提注浆管，保证注浆管管头插入浆液液面下5080cm，严禁将导管拔出浆液面，以免出现断杆事故。（4）二次高压注浆形成连续球型锚杆的注浆还应注意：一次常压注浆作业应从孔底开始，直至孔口溢出浆液；对锚固体的二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到50MPa时进行，注浆压力和注浆时间可根据锚固体的体积确定，并分段依次由下至上进行。,6.4.5 锚杆的张拉与锁定,锚杆的张拉，其目的就是要通过张拉设备使锚杆杆体自由段产生弹性变形，从而对锚固结构施加所需求的预应力值。一般要求如下：（1）张拉设备要根据锚杆体的材料和锁定力的大小进行选择。（2）张拉前对张拉设备进行标定。（3）安装锚夹具前，要对锚具进行逐个严格检查。,（4）张拉前，必须待锚固段、承压台(或粱)等