土锚设计与施工.ppt

第七节土锚设计与施工,一、土锚概述土层锚杆，亦称土锚，它的一端与支护结构联结，另一端锚固在土体中，将支护结构所承受的荷载（侧向的土压力、水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等）通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。,二、土锚应用和发展临时支护到永久性建筑工程11种类型的土层锚杆，见教材图3-2非粘性土层到粘性土层粘土中最大锚固力1000kN，非黏土中2500kN在高含水量、高压缩性的松散黏土层中尚无应用,三、锚杆的类型第一种类型锚杆为圆柱形由圆柱形注浆体和钢筋或钢索构成，孔内注水泥浆、水泥砂浆或其他化学注液。适用于拉力不高，临时性锚杆及岩石性锚杆第二种类型为扩大圆柱形注入压力灌浆液，通过压力灌浆形成扩大区。适用于黏性土和无黏性土，要求较大拉力是采用较高压力注浆第三种类型为圆锥形扩大采用特殊扩孔装置在孔眼内长度方向扩一个或几个扩孔型圆柱体。要求特性机械扩孔装置，在黏性土和砂土中都适用，可获得较高拉拢力,四、土锚构造土层锚杆一般由钢拉杆（钢索）、锚头、自由段保护套管、定位分隔器（钢绞线用）和锚固体等组成。如下图所示。,土锚根据潜在滑裂面，分为自由段（非锚固段）lf和锚固段la（图3-71）锚固段是承载力的主要来源。,五、土锚设计设计钢材、水泥和土体三种材料，其承载能力与施工因素密切有关，按弹塑性理论和土力学原理精确设计计算十分复杂，且与实际情况有出入。故一般多根据经验数据进行设计，然后通过现场试验进行检验土层锚杆设计要考虑的问题包括：锚杆布置、锚杆承载能力、锚杆的整体稳定性、锚杆尺寸确定等。,锚杆的埋置深度根据建筑基坑支护技术规程，土锚的上下排垂直间距不宜小于2m；水平间距不宜小于1.5m；土锚锚固体上覆土层厚度不宜小于4m。锚杆的层数层数通过计算确定，上下间距25m,水平间距14.5m，或锚固体直径的10倍左右锚杆的倾角土锚的倾角宜为1525，不宜小于12.5且不应大于45。锚杆的长度一般要求锚固体置于滑动土体以外的好土层内，通常长度为1525m，单根锚杆的最大长度不超过30m，土锚自由段长度不宜小于5m，并应超过潜在滑裂面1.5m。土锚的锚固段长度不宜小于4m，一般为57m。拉杆（拉索）下料长度，应为自由段、锚固段及外露长度之和。外露长度需满足锚固及张拉作业的要求。,（一）锚杆布置,（二）土锚的承载能力,锚杆的承载能力即极限抗拔力，取决拉杆的极限抗拉强度、拉杆与锚固体之间的极限握裹力、锚固体与土体间的极限侧阻力。由于拉杆与锚固体之间的极限握裹力远大于锚固体与土体之间的极限侧阻力，所以在拉杆选择适当的前提下，锚杆的承载能力主要取决于后者。极限抗拔力计算见教材P54，公式3-1,1.土锚承载力计算：锚杆承载力计算，应符合下式要求：（3-18）式中Td锚杆水平拉力设计值，由式（3-18）计算；锚杆与水平面的倾角；Nu锚杆轴向受拉承载力设计值。规程规定，对安全等级为一级和缺乏地区经验的二级基坑侧壁，土锚应进行基本试验（极限抗拔力试验如图3-72），Nu值取基本试验确定的极限承载力Pug除以受拉抗力分项系数；基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时，可按式（3-19）计算土锚轴向受拉承载力设计值，并进行锚杆验收试验,式中d1扩孔锚固体直径（cm）；d非扩孔锚杆或扩孔锚杆的直孔段锚固体直径（cm）；l1直孔部分的锚固段长度（cm）；l2土中扩孔部分的锚固段长度（cm）；土体与锚固体的极限摩阻力标准值，应根据当地经验取值（MPa）。s锚杆轴向受拉抗力分项系数，取1.3；q扩孔部分土层的抗压强度（MPa）。Pug土层锚杆的极限抗拔力设计值（kN）基坑侧壁安全等级为三级时，亦按式（3-19）计算Nu值。对于塑性指数大于17的黏性土层中的土锚，应进行徐变试验。,2.拉杆（拉索）截面计算：普通钢筋的截面面积，按下式计算（3-20）预应力钢筋的截面面积，按下式计算：（3-21）式中As、Ap普通钢筋、预应力钢筋拉杆的截面面积；fy、fpy普通钢筋、预应力钢筋拉杆的抗拉强度设计值。,稳定性考虑两种情况：整体稳定性和深部破裂面稳定性。破换形式见教材P56图3-9,（三）锚杆的整体稳定性,土层锚杆的蠕变用于锚固支护结构的土层锚杆，始终承受接近恒载的拉力，土层锚杆的变形一直在发展，这就是土层锚杆的蠕变。主要由四部分组成：自由段钢拉杆的伸长，一般为弹性变形锚固体的伸长，荷载较小时表现为弹性变形，当荷载较大时，锚固体产生细微裂缝，即为塑限变形锚固体周围土体在一定范围内的剪切变形，荷载很小是为弹性变形，荷载较大时为塑性变形并伴随有黏性流变锚固体与土体之间的相对滑动，只有当锚杆接近破坏时菜产生，塑性变形，这种变形不允许产生,（三）锚杆的蠕变和松弛,土层锚杆的松弛对于需要施加预应力的土层锚杆，当施加预应力张拉到一定荷载后将其锚固，随着时间的推移，土层锚杆锚头的变形保持不变，而锚杆内的内力却随着时间而递减施加预应力的目的：使自由段钢拉杆弹性伸长，对锚固体产生预应力，以限制锚固土层的变形通过施加预应力对锚杆进行试验，可以解释设计和施工中的差错，证实土层锚杆的适应性，预测其工作状况检验土层锚杆与板桩等支护结构协同工作的情况,（三）锚杆的蠕变和松弛,六、土层锚杆施工土层锚杆施工，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。在正式开工之前还需进行必要的准备工作。（一）施工准备工作在土层锚杆正式施工之前，一般需进行下列准备工作：1.土层锚杆施工必须清楚施工地区的土层分布和各土层的物理力学特性（天然重度、含水量、孔隙比、渗透系数、压缩模量、凝聚力、内摩擦角等）。这对于确定土层锚杆的布置和选择钻孔方法等都十分重要；还需了解地下水位及其随时间的变化情况，以及地下水中化学物质的成分和含量，以便研究对土层锚杆腐蚀的可能性和应采取的防腐措施；2.要查明土层锚杆施工地区的地下管线、构筑物等的位置和情况，慎重研究土层锚杆施工对它们产生的影响；,3.要研究土层锚杆施工对邻近建筑物等的影响，如土层锚杆的长度超出建筑红线、还应得到有关部门和单位的批准或许可；同时也应研究附近的施工（如打桩、降低地下水位、岩石爆破等）对土层锚杆施工带来的影响；4.要编制土层锚杆施工组织设计，确定土层锚杆的施工顺序；保证供水、排水和动力的需要；制订钻孔机械的进场、正常使用和保养维修制度；安排好施工进度和劳动组织；在施工之前还应安排设计单位进行技术交底，以全面了解设计的意图。,（二）钻孔土层锚杆的钻孔工艺，直接影响土层锚杆的承载能力、施工效率和整个支护工程的成本。钻孔的费用一般占成本的30以上，有时甚至超过50。钻孔时注意尽量不要扰动土体，尽量减少土的液化，要减少原来应力场的变化，尽量不使自重应力释放。土层锚杆的成孔设备，国外一般采用履带行走全液压万能钻孔机，孔径范围50320mm，具有体积小，使用方便，适应多种土层，成孔效率高等优点。国内使用的有螺旋式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机，亦有的采用改装的普通地质钻机成孔。在黄土地区亦可采用洛阳铲形成锚杆孔穴，孔径7080mm。,对土层锚杆钻孔用钻机的具体要求有以下几方面：通过回转、冲击钻具等钻进方式将动力传给钻头，是钻头具有适宜的转速（或冲击频率）及一定的调节范围，以便有效地破碎土体或岩石；能通过钻具向钻头传递足够的轴向压力，并有相当的调节范围，是钻头能有效的切入或压碎土体或岩石；能调整和控制钻头的给进速度，保证连续钻进；能变换钻进角度和按一定的技术经济指标钻出设计规定的直径和深度的钻孔，这一点对用工程地质钻机改装的锚杆钻机尤为重要；能完成升降钻具的工作，具备完成纠斜、处理孔内事故等的技术性能,钻孔方法的选择主要取决于土质和钻孔机械。常用的土层锚杆钻孔方法有螺旋钻孔干作业法、压水钻进成孔法、潜钻成孔法等，应用较多的为压水钻进法，可把成孔过程中的钻进，出渣，清孔等工序一次完成，可防止塌孔，不留残土，能适用于各种软硬土层，但施工现场积水较多。当土层无地下水时，亦可用螺旋钻孔干作业法来成孔，一般是先成孔，清除废土，然后插入拉杆，施工时采取多个平行作业。钻出的孔洞用空气压缩机风管冲洗孔穴；将孔内孔壁残留废土清除干净。扩孔的方法有4种：机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔。压浆扩孔在国外广泛采用，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。,（三）安放拉杆土层锚杆用的拉杆，常用的有钢管（钻杆用作拉杆）、粗钢筋、钢丝束和钢绞线。主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择。承载能力较小时，多用粗钢筋：承载能力较大时，我国多用钢绞线。钢筋拉杆使用前要除锈。锚固段的钢绞线要仔细清除其表面的油脂，以保证与锚固体砂浆有良好的粘结。为了将拉杆安置在钻孔的中心，防止自由段产生过大的挠度和插入钻孔时不搅动土壁；对锚固段，还为了增加拉杆与锚固体的握裹力，所以在拉杆表面需设置定位器（或撑筋环），如图3-76所示。钢筋拉杆的定位器用细钢筋制作，在钢筋拉杆轴心按120夹角布置，间距一般2-2.5m。为保证非锚固段拉杆可以自由伸长，可在锚固段和非锚固段之间设置堵浆器。,（四）压力灌浆压力灌浆是土锚施工中的一个重要工序。施工时，应将有关数据记录下来，以备将来查用。灌浆的作用是：形成锚固段，将锚杆锚固在土层中；防止钢拉杆腐蚀；充填土层中的孔隙和裂缝。,灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种。二次灌浆法可以显著提高土锚的承载能力。一次灌浆法只用一根灌浆管，利用泥浆泵进行灌浆，灌浆管端距孔底10cm20cm，待浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞入孔口，并用湿粘土封堵孔口，严密捣实，再以24MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才告结束。二次灌浆法要用两根灌浆管，第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50cm左右（图3-78），管底出口处用黑胶布等封住，以防沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100cm左右，管底出口处亦用黑胶布封位，且从管端50cm处开始向上每隔2m左右作出lm长的花管，花管的孔眼为8mm，花管做几段视锚固段长度而定。,（五）张拉和锚固土锚灌浆后，待锚固体强度大于15MPa并达到设计强度等级的75以上，便可对土锚进行张拉和锚固。张拉前先在支护结构上安装围檩。张拉用设备与预应力结构张拉所用者相同。从我国目前情况看，张拉端钢拉杆为变形钢筋者，其端部加焊一螺母端杆，用螺母锚固。钢拉杆为光圆钢筋者，可直接在其端部攻丝，用螺母锚固。如用精轧钢纹钢筋，可直接用螺母锚固。张拉粗钢筋用一般单作用千斤顶。,七、土锚试验土层锚杆的承载力尚无完善的计算方法，主要根据经验或通过试验确定，试验项目包括极限抗拔试验，性能试验和验收试验。1.极限抗拔力试验试验应在有代表性的土层中进行，所用锚杆的材料、几何尺寸、施工工艺、土的条件应与工程实际相同。试验步骤如下。（1）安装支架及千斤顶；（2）试验开始时按事先预计极限荷载的1/10施加荷载，最终每级按预计极限荷载的1/15施加荷载直至破坏；（3）加荷后每隔510min测读一次变位数值，每级加载阶段内记录不少于三次；（4）在某级荷载作用下，连续三次变位值不