浅析锚杆在工程中的应用

基坑工程课程论文题目浅析锚杆在工程中的应用专业城市地下空间工程班级姓名学号任课教师完成时间目录浅析锚杆在工程中的应用21、前言22、锚杆的类型33、锚杆支护配套技术331光面爆破332喷射混凝土支护333网334钢带44、锚杆的设计441锚杆的抗拔作用442锚杆设计计算443锚杆整体稳定性544锚杆的防腐设计65、锚杆的施工651锚杆工艺流程652土层锚杆施工前的准备753钻孔754安放拉体855灌浆856张拉与锁定86、锚杆检测961拉拔试验检测原理962应力波反射法检测锚杆锚固质量97、结论9参考文献10浅析锚杆在工程中的应用摘要岩体和土层的锚固是一种把受拉杆埋入地层使其得以稳定的技术。岩土锚杆能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，从而大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全和工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都在开发利用这门技术。岩土锚固技术几乎遍及土木建筑领域的各个方面，如边坡、基坑、隧洞、地下工程、坝体、码头、海岸、桥梁、高耸结构及悬索建筑的拉力型基础等。关键词锚杆，锚杆设计，锚杆检测1、前言地下工程岩体的支护系统通常由锚杆、锚索、混凝土喷层以及钢丝防护网等组成。全长黏结式螺纹钢筋锚杆作为一种刚性加固结构广泛应用于采矿和隧道工程的开挖支护中。这种刚性单元通过钢筋表面上的螺纹使锚杆和锚固剂（水泥浆或环氧树脂）间产生较高的黏结强度，当岩体变形时，其提供荷载限制岩体的破坏和变形，使岩体内部的摩擦黏结作用得到充分调动，从而保持岩体的强度。此外，也可在锚固前对锚杆施加一定的预应力，使其主动提供荷载来抵抗岩体变形。自20世纪70年代以来，很多研究者对全长黏结锚杆的力学特性和加固作用进行了试验研究。TJFREEMAN1监测了全长黏结锚杆在KIELDER试验隧道支护中的受载过程和应力分布，并首先提出中性点、拉拔长度和锚固长度的概念，如图1所示2。锚杆加固技术具有安全、快速、低成本的特点，一开始就得到人们的广泛关注和高度重视。我国的锚杆支护技术的应用研究始于1956年，当时只有个别矿做试验性研究，60年代开始在围岩条件相对稳定的岩巷中推广使用，80年代后期开始在煤巷中推广使用。国外自20世纪40年代在地下工程中使用锚杆支护以来，发展非常迅速，现已成为地下工程的一种主要支护方式。目前，美国、澳大利亚的巷道锚杆支护率已达90以上，西欧一些主要产煤国家锚杆的支护率也达到80以上。近20多年来，这些国家锚杆支护也有很大的发展，并成为地下工程的主要支护形式。锚杆加固技术不仅用于地下工程的支护，而且在深基坑维护、边坡治理与加固、危险建筑物与结构物加固等方面，得到越来越广泛的应用。我国经过多年的推广应用锚杆技术，巷岩锚杆支护率达到了80，但煤巷锚杆支护率仅为40，与发达国家相比仍有一定的差距。2、锚杆的类型在各种形式的锚杆支护体系中，都是以锚杆作为主体的。锚杆在整个支护系统中起到了聚到了举足轻重的作用。凡是以锚杆为主体、控制围岩的变形与破坏、维护围岩稳定的，统称为锚杆支护，这就突出了锚杆在锚喷支护中的重要作用。锚杆支护作为一类支护方式，主要有下述几种具体形式（1）单体锚杆支护；（2）锚杆喷射混凝土（或砂浆）支护，简称锚喷支护；（3）锚杆网支护，简称锚网支护；（4）锚杆网喷射混凝土支护，简称锚网喷支护；（5）锚杆钢带支护，简称锚带支护；（6）锚杆网带支护，简称锚网带支护；（7）锚杆桁架支护，简称锚桁支护；（8）锚杆网桁架支护，简称锚网桁支护；（9）锚索支护。以上属于一次支护形式，对于地压大和变形严重的软岩、破碎、膨胀等地下工程，或永久性重要地下工程可采用二次支护形式，即在一次支护的基础上，再复喷混凝土，或现浇混凝土及钢筋混凝土，或架设金属支架、钢筋混凝土弧板，或砌筑料石碹等。3、锚杆支护配套技术单纯锚杆支护不能防止围岩的风化，不能有效控制杆间岩石的剥落，通常在围岩松动或大变形的情况下，导致锚杆支护的失效。采用光面爆破、喷射混凝土、金属网、钢带等配套技术，可改善锚杆支护的性能。31光面爆破光面爆破简称光爆，是一种合理利用炸药能量的控制爆破技术。用这种方法开掘出来的井巷成形规整，符合设计的断面轮廓尺寸，岩壁无明显的爆震龟裂，保护了围岩的强度和整体性，提高了围岩的稳定性与自承能力。光爆是锚喷支护的重要前提和基础，光爆和锚喷的有机结合构成了目前广泛使用的”光爆锚喷技术”。32喷射混凝土支护喷射混凝土是将一定配比的水泥、砂子、石子和速凝剂的拌和物，利用混凝土喷射机，通过管路压送到喷嘴处，与水混合后，以较高速度30120M/S喷射到岩石上，凝结硬化后而形成的一种支护形式。实践证明，喷射混凝土支护同其它传统的支护相比，具有成本低、施工速度快、安全性好、适应性强等特点。目前，混凝土喷射技术已广泛应用于交通、煤炭、冶金、水利水电等部门，成为地下工程中常用的支护方式。按着不同的标准，喷射混凝土可以分为不同的类别。根据喷射工艺的不同，分为干式喷射混凝土、潮式喷射混凝土、湿式喷射混凝土及SEC喷射混凝土；根据喷射混凝土的组成，可分为一般喷射混凝土与纤维增强喷射混凝土。33网传统的喷射混凝土支护属于脆性承载结构，虽然可允许围岩有一定的变形，但其允许变形量一般不超过5MM，在松软、破碎岩体中开挖的地下工程，围岩变形量较大，一般可达100300MM，甚至更大。这就出现了喷层的柔性与围岩的变形量不相匹配的问题，在围岩变形较大的情况下，喷层过早地开裂失效，丧失了与锚杆共同作用的条件，至使围岩不断恶化，围岩与混凝土陆续掉块，造成冒顶和片帮事故。为避免喷层过早开裂，提高其抗变形能力，可采取如下措施（1）在喷射混凝土中掺入钢纤维或其它化学纤维，以提高喷层的抗拉强度、抗弯强度、韧性和抗裂能力；（2）在混凝土中掺入外加剂，如木质素磺酸钙，以提高喷射混凝土的柔性与抗裂能力；（3）在混凝土中铺设金属网或塑料网等，形成柔性喷层。目前，钢纤维喷射混凝土成本高，在我国难于推广应用，各种化纤喷层尚处于试验阶段；在混凝土中掺入加剂的办法，对改善混凝土的柔性效果不大。因此，在喷层中加金属网或塑料网是改善喷层性能最简单、最可靠的途径。34钢带近年来，国内外广泛使用钢带作为锚杆的联系构件，在一般锚杆支护的基础上，若干根锚杆共用一条钢带作为辅助托板，使它们互相联系，以形成整体结构，增强对围岩的控制能力。尤其是能有效控制锚杆之间的岩体，特别适用于围岩松散破碎的地下工程。目前，常使用的钢带主要有三种类型（1）钢板钢带；（2）W型钢带；（3）圆钢钢带。4、锚杆的设计41锚杆的抗拔作用锚杆受力机理如图2所示。当锚固段锚杆受力TI时，首先通过锚杆与周边水泥砂浆的握裹力U传到砂浆中，然后通过砂浆传到周围土体。随着拉力的增加，当锚固段内发挥最大黏结力，就发生与土体的相对位移，随即发生土与锚杆的摩阻力，直到极限摩阻力。影响锚杆抗拔力的因素有（1）土层对抗拔力的影响；（2）灌浆对抗拔力的影响；（3）锚杆形式对抗拔力的影响。42锚杆设计计算421设计步骤在进行锚杆设计之前，应进行场地调查及工程地质的勘察。查明附近建筑物（基础构造、有无地下室、地下室的结构和形状）、地下公用设施（地铁、上下管道、煤气管道的位置、周围道路、河道等），以免在施工时发生意外事故。（1）确定基坑支护方案，根据基坑开挖深度和土的参数，确定锚杆的层数间倾角等；（2）计算挡墙单位长度所受各层锚杆的水平力；（3）根据锚杆的倾角、间距，计算锚杆轴力；（4）计算锚杆锚固段长度；（5）计算锚杆自由段长度；（6）计算桩、墙与锚杆的整体稳定；（7）计算锚杆锚索（粗钢筋或钢绞线）的断面尺寸；（8）计算锚杆腰梁断面尺寸；（9）绘制锚杆施工图。422锚杆布置（1）锚杆层数一般在基坑施工中，需先挖到锚杆标高，然后进行锚杆施工，锚杆预应力张拉后，方可挖下一层土。因此，多一层锚杆，就会增加一次施工循环。在可能的情况下，以少设锚杆层数为好；（2）锚杆间距上下排间距不宜小于20M；水平方向间距不宜小于15M。锚杆锚固体上覆土层厚度不应小于40M，锚固段长度不应小于40M。锚杆间距大，会增加锚杆的荷载，间距过小则易产生群锚效应；（3）倾角倾角不应小于13，并不大于40，一般以1535为宜。43锚杆整体稳定性在实际工程中除了对支护结构的荷载及内力计算分析外，还有重要的一点是基坑稳定性验算。基坑稳定性验算主要是计算基坑在外荷载的作用下是否丧失稳定。基坑失稳主要有两种形态（1）因基坑强度不足、地下水渗流作用而造成的基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土因承载力不足而隆起；地因承压水作用发生管涌、渗流等现象，导致基坑工程破坏。其破坏形式如图3（A）（B）（C）所示。（2）因桩（墙）、支撑（锚杆）体系的强度、刚度和稳定性不足而引起的支护结构体系的破坏，引起基坑倒塌。其破坏形式如图3D），（E），（F）所示。44锚杆的防腐设计对锚杆的腐蚀环境，应进行充分的调查，并选择适宜的防腐方法。防腐方法应适应岩土锚固的使用目的，即不能影响锚杆各部件包括锚固体、自由段和锚头的功能，因此对锚杆的不同部位要作不同的防腐结构设计。防腐方法的确定还必须使防腐材料在施工期间免受损伤，并保证长期具有防腐效能。永久性锚杆应采取双层防腐，临时性锚杆可采用简单防腐。当腐蚀环境特别严重时，也应采取双层防腐。441锚固体防腐永久性锚杆的锚固体防腐，宜采用波形防护管，在钢索与波形防护管间的空隙内则充填环氧树脂或水泥砂浆。在不担心发生有害裂缝的情况下，也可考虑仅用水泥浆封闭防腐，但钢杆索一定要居中，一般使用定位器，使水泥砂浆保护层厚度不小于201MM，临时性锚杆锚固段的杆体的保护层则不小于1MM。442自由段防腐防腐构造必须不影响张拉钢材的自由伸长，临时锚杆常用的方法是用润滑油或防腐漆涂刷后，再用塑料布包裹。永久锚杆则还要在塑料布上涂润滑油或防腐漆，最后套防腐塑料管。若自由段存在空隙，容易积存雨水。因此经以上防腐处理后，最好用水泥浆充填封死。443锚头的防腐永久性锚杆的承压板一般要涂敷沥青。一次灌浆硬化后承压板下部残留空隙，要再次充填水泥浆或润滑油，如锚杆不需再次张拉，则锚头涂以润滑油、沥青后用混凝土封死，如锚杆需重新张拉，则可采用盒具密封，但盒具的空腔内必须用润滑油充填。临时性锚杆的锚头宜采用沥青防腐。5、锚杆的施工51锚杆工艺流程锚杆施工过程，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固，锚杆施工工艺流程如4所示。在开挖至锚杆埋设标高时，按图示施工顺序进行，然后循环进行第二层等的施工。52锚杆施工前的准备施工前的准备包括施工前的调查和施工组织设计。施工前调查包括收集场地岩土报告，锚杆支护设计方案；分析地下水性质、埋深，预测降水效果及对锚杆施工的影响；地下障碍物的核实；了解作业限制、环保规则、地方法规；了解施工空间、各种设备、工程道路情况，了解现场各工种配合要求。施工组织设计，也就是开工前，详细制定施工组织设计，确定施工方法、施工程序、使用机械设备、工程进度、质量控制和安全管理等事项、内容包括工程概况工程名称、地点、工期要求、工程量、目的；岩土勘察报告中地层、地下水位简介；锚杆设计简介；施工机械设备，临时设施，施工材料；作业程序，各工种人员配备；施工管理，质量、进度控制，施工适用的规范、标准；安全、文明施工措施；应支付的工程验收技术资料。53钻孔钻孔前的准备工作包括首先是钻孔机具的选择必须满足土层锚杆的钻孔要求，坚硬粘土和不易塌孔的土层，可以选用地质钻机、螺旋钻机和土锚专用机；饱和粘性土与易塌孔的土层，宜选用带护壁套管的土锚杆专用钻机。其次钻孔前，还要正确定出孔位，其水平向误差100MM，垂直向误差50MM，倾角误差值为20；最后安放杆体前，湿式钻孔应用水冲洗，直至孔口留出清水为止。钻孔的施工方法有两种，一是清水循环钻进成孔法。这种方法在实际工程中运用最广，软硬土层都能适用，但需要有配套的排水循环系统。有些施工单位为了方便，在现场只设置排水系统，没有设置重复利用水系统装置。在软黏土成孔时，如果不用跟管钻进，应在钻孔孔口处放入1M2M的护壁套管，以保证孔口处土层不坍塌。二是螺旋钻孔干作业法。该法适用于无地下水条件的黏土、粉质黏土、密实性和稳定性都较好的砂土等地层。54安放拉体土层锚杆用的拉杆，常用的有粗钢筋、钢丝束和钢绞线，也有采用无缝钢管作为拉杆的。承载能力要求较小时，多用粗钢筋；承载能力要求较大时，多用钢绞线。如果是使用、钢筋作杆体时，组装要求如下钢筋应平直，除油、除锈；接头采用焊接，长度为30D，但不小于500MM，并排钢筋也要采用焊接；杆体轴向间隔10M20M设置一个对支架，注浆管、排气管与杆体绑扎牢固；杆体自由段用塑料管或塑料布包裹，并在与锚固段连接处用铅丝绑牢固；杆体应按防腐要求进行防腐处理。防腐保护层取决于使用年限及周围介质对杆体腐蚀的影响程度，一般来说，临时锚杆可简单的采用涂抹黄油作为防腐保护层或不做，永久性锚杆必须有严格的防腐保护。如果使用钢绞线作杆体时，组装的要求如下杆体除油、除锈，按设计尺寸下料，每股长度误差不超过500MM；杆体平直排列，轴向间隔1015M设置一个隔离架，杆体保护层不应小于20MM。预应力筋、排气管绑扎牢固、并不得用镀锌材料；自由段用塑料管包裹，与描固段相交处的管口应密封，并用铅丝绑紧；按防腐要求作防腐处理。55灌浆灌浆是土层锚杆施工过程中重要的工序。灌浆的浆液为水泥砂浆或水泥净浆。首先是材料准备，优先选用425号普通硅酸盐水泥，标号不得低于325号；采用坚硬耐久的中粗砂，细度模数宜大于25，含水率控制在57，含泥量不得大于2；采用强度较高的碎石或卵石，抗压强度大于50MPA，粒径不宜大于15MM；选用符合要求的外加剂；灰砂比为11105，砂率宜为4555，水灰比宜为0405。灌浆的方法分为一次灌浆和二次灌浆。一次灌浆只用一根注浆管，一般采用30MM的胶皮管，一端与压浆泵相连，另一端与拉杆同时送入钻孔内，距孔底50CM即可。在确定钻孔内的浆液是否灌满时，可根据从孔口流出来的浆液浓度与搅拌的浆液浓度是否相同来判断。对于压力灌浆锚杆，待浆液流出孔口时，将孔口用黏土封堵，严密捣实，再用2MPA4MPA的压力进行补灌，稳压数分钟后再停止。二次灌浆法适用于压力灌浆锚杆，要用两注浆管，其管端距离锚杆末端50CM左右，管端出口需用胶布塞住，以防止土进入管中。56张拉与锁定灌注完成后，须养护7D8D，当砂浆的强度能达到7080时，才可以进行张拉。另外只能对有预应力要求的锚杆才能进行张拉。张拉应力一般为设计锚固力的7580。（1）张拉宜采用“跳张法，即隔二拉一”；（2）锚杆正式张拉前，应取设计拉力的1020，对锚杆预张拉1次2次，使各部位接触紧密；（3）正式张拉应分级加载，每级加载后维持3MM，并记录伸长值，直到设计锚固力的80；最后一级荷载应维持5MIN，并记录伸长值；（4）锚杆预应力没有明显损失时，可锁住锚杆；如果锁定后发现有明显应力损失，应重新进行张拉。6、锚杆检测61拉拔试验检测原理拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法。进行拉拔试验时，将液压千斤顶放在托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预应力，然后用手动液压泵加压，同时记录液压表和位移计上的对应读数，当压力或者位移读数达到预定值时，或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时，停止加压，测试后，可整理出锚杆的位移荷载曲线，进而分析出锚杆的锚固质量6。612拉拔试验检测方法的局限性目前，国内外拉拔试验方法多停留在用千斤顶进行机械破损性拉拔试验阶段，只能按设计的锚固力值人为控制，即拉到设计值时终止拉拔。因此小于设计锚固力的锚杆可能被破坏，大于设计值的也无法知晓其极限锚固力，而且只能少量抽检。众所周知，锚杆设计的目的主要是通过锚杆将破碎或不稳定岩体与牢固稳定的岩体连结在一起，以提高整体稳定性。当锚杆发挥作用时，锚杆不同部段其功能是不同的。假如只有外端锚固效果好，而内端锚固效果差，锚杆就会因为无法固定而发挥不了作用；反过来，如果只有内端锚固效果好，而外端锚固效果差，又会因外端的锚固力小于破碎或不稳定岩体的自重而导致岩体失稳。从以上分析可知，锚杆锚固质量的好坏不但和锚杆的整体抗拔力有关，而且还和锚杆各段的锚固力有关，而拉拔试验测定的抗拔力只是锚杆的整体抗拔力，而不能指明锚杆各段的锚固力。目前，有些工程的锚杆抗拔力设计值远小于锚杆实际能够达到的抗拔力值，这就有可能仅靠锚杆一段的锚固力就足以达到甚至超过锚杆抗拔力设计值。因此，如果仅凭拉拔试验测定的抗拔力来评价锚杆锚固质量，就有可能把只有一端锚固效果好，而另一端锚固效果差的不合格锚杆误判为合格锚杆3。62应力波反射法检测锚杆锚固质量621应力波在锚杆中的传播规律从锚杆端部发射的弹性应力波，在向锚杆底端传播的过程中，当砂浆充填不均匀、不密实时，将产生反射和透射，通过反射波的波幅和相位特征及相应的传播时间即可判定锚杆的长度和缺陷的位置及程度4。622应力波在锚杆锚固体系中的衰减机制应力波在锚杆锚固体系中传播时，其能量随着传播距离的增加而减弱的现象，称为应力波的能量衰减。通常在应力波的传播过程中，其能量的衰减主要有以下几种形式扩散衰减、散射衰减、吸收衰减5，6。623应力波反射法的局限性锚固系统是一个复杂的动力学系统。我们用应力波反射法检测锚杆锚固质量时，应力波能量在该系统中的衰减非常快，很难看到底端的反射信号，而且容易受到诸多因素的影响，如锚杆外露段长度、砂浆强度、岩石节理的分布等，这就使得我们测得的信号含有许多干扰成分，从而很难根据实测的信号对锚杆的锚固质量给出一个准确的评价。7、结论（1）组合构件是锚杆支护系统的重要组成部分。组合构件应有一定的护表面积、抗拉强度与抗弯刚度，其几何参数、力学参数应与锚杆参数与力学性能相匹配。W形钢带与M形钢带是两种性能比较优越的锚杆组合构件形式。（2）组合构件的支护作用主要表现为锚杆预应力和工作阻力扩散作用；支护锚杆间围岩，改善围岩应力状态；均衡锚杆受力和提高整体支护作用；及减少锚杆预应力损失的作用。（3）提高锚杆支护系统的刚度对支护效果非常重要，锚杆预应力起决定性作用。给锚杆施加较大的预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散是提高锚杆支护效果的有效途径。（4）锚杆预应力低，导致锚杆支护产生的应力场应力值小，形成的有效压应力区范围小，而且