边坡工程第十章说课材料

边坡工程第十章§10.2锚杆的结构与分类锚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。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；Lr

自由段；La锚固段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导向帽；Lr自由段；La锚固段锚索结构示意图（1）锚头：锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，由垫墩、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。（2）锚固段：锚杆远端将拉力传递给稳定地层的部分，锚固深度和长度应按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。（3）自由段：将锚头拉力传至锚固段的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和注浆体组成。（4）锚杆配件：为了保证锚杆受力合理、施工方便而设置的部件，如定位支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等。锚杆的分类按应用对象划分：岩石锚杆、土层锚杆岩石锚杆是指内锚段锚固于各类岩层中的锚杆，而自由段可以位于岩层或土层中。土层锚杆是指锚固于各类土层中的锚杆，其构造、设计、施工与岩石锚杆有共同点也有其特殊性。

按是否预先施加预应力划分锚杆类型

非预应力锚杆、预应力锚杆非预应力锚杆是指锚杆锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态；非预应力锚杆通常采用Ⅱ、Ⅲ级螺纹钢筋，锚头较简单。预应力锚杆是指锚杆锚固后施加一定的外力，使锚杆处于主动受载状态。按锚固形态的锚杆分类

圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆、连续球型锚杆圆柱形锚杆适用于各类岩石和较坚硬的土层，一般不在软弱粘土层中应用。端部扩大型锚杆较适用于粘土等软弱土层以及比邻地界限制土锚长度不宜过长的土层和一般圆柱型锚杆无法满足要求的情况。连续球型锚杆一般适用于淤泥、淤泥质粘土等极软土层或对锚固力有较高要求的土层锚杆。端部扩大头型锚杆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；9端部扩头体；

Lr自由段长度；La锚固段长度连续球体型锚杆l台座；2锚具；3承压板；4支挡结构；5钻孔；6自由隔离层；7止浆密封装置；8预应力筋；9注浆导管；10锚固体；Lr自由段长度；La锚固段长度§10.3预应力锚索

预应力锚索是一种可承受拉力的结构系统。核心受拉体是高强预应力筋；安装后，可立即向被加固体主动施加压应力，限制其发生有害变形和位移。

10.3.1预应力锚索发展简况世界上大规模应用预应力锚索并获得成功的典型实例为20世纪30年代阿尔及利亚舍尔法大坝的加高加固工程。该坝在改扩建时把坝体加高3m，用37根预应力锚索进行加固。每根锚索由630根直径为5mm的高强钢丝组成，单孔施加荷载达到10MN,锚索间距6m，钢筋混凝土锚头设置在加高后的坝顶上。20年后预应力损失仅为9％。10.3.1预应力锚索发展简况岩体预应力锚索单根预应力承载力已达到16MN（德国）。单根锚索长度114m。土层锚索单孔安装荷载已达到1MN。我国的预应力锚固技术应用始于20世纪60年代。国内单孔安装荷载最大已达10MN（李家峡水电站），单项工程应用预应力锚索数量已达4540余根（三峡）。10.3.2预应力锚索基本特征预应力锚索以群组形式出现；预应力锚索具有很强的主动调控性；预应力锚索属高效预应力范畴，只要利用较小材料截面，即可获得较高的预应力；预应力锚索将结构与地层紧密地联结在一起，形成共同工作的体系；预应力锚索能够在尽可能少地扰动被锚固体的状况下，达到加固、增稳的目的，所以预应力锚索是一种高效、经济的加固技术。10.3.3预应力锚索基本组成构件预应力锚索基本组成：锚索束体（简称束体）、外锚头和锚固孔（简称锚孔）。束体——它可用各种预应力材料，按一定方式编制而成，其下端与锚孔底部固结，上端与外锚头相连，中间部分起到产生并传递预应力的作用。为了防止腐蚀，在束体上还要设置一些附件和防腐材料。外锚头——保持预应力并向被加固体传递预压力，一般由锚具、墩座（常用钢筋混凝土或钢制做），以及部分束体等组成。锚孔——起安放、固定束体，控制施力方向的作用，可用机械钻凿等方法在被加固体中制作成型。预应力锚索束体，依照它的不同部位实际所发挥的功能，可将其划分成三大段：内锚段（锚固段）、自由段和外锚段（外锚固段）。内锚段——是指束体下端最先与孔壁固结在一起的部分。也称为锚固体，担负着对锚索所承受的集中荷载，扩散传入稳定介质中的关键作用。自由段——是产生预应力的源头。指束体中能自由伸长并产生预应力的部分；预锚锁定后一般是指内锚段上端至工作锚具间的这一段束体。外锚段——是指伸出工作锚板外，可供千斤顶张拉、建立预应力的那部分束体。建立预应力后，此段束体大部分将被切除，只有很小的一段将与工作锚板、锚墩等共同组成预应力锚索的外持力端。10.3.4预应力锚索分类按单孔施加预应力的大小，可将锚索分为四类：巨型锚索（单孔加力＞8MN)；大型锚索(3—8MN)；中型锚索（1－3MN)；小型锚索（<1MN）。目前应用最多的是大、中型预应力锚索。10.3.4预应力锚索分类按预应力锚索束体使用的预应力材料的种类，可将其分为两类：

预应力锚索（用高强钢丝、钢绞线等柔性材料制作

）

预应力锚杆（用各类钢筋制作）。按束体内锚段与周围介质固结方法，可分为两类：

粘结式、

机械式。粘结式内锚段工作可靠、耐久性好、价格适当、施工方便，应用广泛。10.3.4预应力锚索分类按束体内锚段是集中固定在一处还是分散固定在多处，可将锚索分为：

目前应用最多的是拉力集中型，而具广阔应用前景的将是荷载分散型锚索。10.3.4预应力锚索分类按锚索束体在加固任务结束后能否被拆除，又可将其分为两类：

可拆除锚索不可拆除式锚索按内锚段基本受力形态，可分为三类：

压力型锚索

拉力型锚索

拉压复合型锚索10.3.5典型锚索结构及其工程特性10.3.5.1荷载集中型锚索1．拉力集中型锚索拉力集中型锚索按束体在锚固孔中固定方式又可分为粘结式锚索和机械固定式锚索。1——注浆管；2——工作锚；3——承压板；4——钢绞线；5——对中支架；6——导向帽；7——钻孔2．压力集中型锚索压力型锚索的束体用无粘结预应力筋（钢绞线、钢筋等）使之与内锚段浆体隔开，束体直接和安放在孔底的特制承载体相连。张拉时，荷载直接传至底部的承载体，再由承载体从锚固段底部向上推压灌浆体。1—注浆管；2—无粘结筋；3—外支撑；4—内支撑；5—孔壁；6—对中架；7—承压板；8—P锚；9—导向帽；10—注浆管；11—M30水泥砂浆压力型和拉力型锚的荷载分布图10.3.5.2荷载分散型锚索1．拉力分散型锚索拉力分散型锚索在工程实践中，曾出现过两种制作方法：一种称为多次成型法；一种称为分层固结法。内锚段多次成型法锚索结构示意图内锚段分层固结式锚索2．压力分散型锚索压力分散型锚索结构形式多样，有些结构很复杂。国内经常使用的有两种形式：多级承载板式和多级环绕式。压力分散型锚索也称为单孔复合锚固体系。(l)多级承载板式锚索

两级承载板式锚索结构示意图1—注浆管；2—外支撑；3—内支撑；4—孔壁；5—承压板；6—P锚；7—对中支架；8—承压板；9—M30水泥砂浆；10—导向帽(2）多级环绕式锚索特点：束体采用无粘结钢绞线，每根钢绞线绕过承载体并被弯曲成U型，每根U型筋对应一个承载体。当孔内注浆固结后，承载体及U型筋就被固定在孔内不同深度处。使用功能完成后，U型筋还能从地层中抽出，因此此类锚索也被称为可拆芯式锚索。压力型与压力分散型锚杆的轴力曲线分布图压力型与压力分散型锚杆的粘结应力分布曲线3．挤压分散型锚索柳州建筑机械厂（OVM建筑机械股份有限公司）开发研制锚索：拉压分散型防护锚杆结构图1—夹片；2—钢筋混凝土；3—螺旋筋；4—钢筋；5—孔壁；6—外支撑；7—钢绞线；8—内支撑；9—挤压套；10—牵引套自由式拉压复合防腐型预应力锚索自由式拉压复合防腐型预应力锚索结构示意图1—导向帽；2—托板；3—锚板；4—钢纹线；5—约束圈；6—隔离架；7—钢筋混凝土锚墩；8—垫板；9—锚具；10—钢绞线；11—钢护套4.多重防护锚索结构最大特点：1）预应力筋采用无粘结钢绞线或为环氧喷涂无粘结钢绞线；2）预应力筋全长被大直径波纹套管封闭，阻断有害离子、地下水侵人钢绞线的通道；3）在大直径波纹管内外用优质水泥浆固灌，在外锚头处注人专用防腐油脂，对预应力筋加以防护。多重防护型锚索结构示意图多重防护压力分散型锚索多重防护拉压分散型锚索§10.4锚杆在边坡处治中的应用采用锚杆加固边坡，能够提供足够的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移，这是一般支挡结构所不具备的力学作用。a）锚杆平衡滑动力；b）锚杆抵抗转动破坏；c）锚杆抵抗倾倒（l）锚杆与钢筋混凝土桩联合使用①在抗滑桩难以支挡边坡推力荷载时，宜采用预应力锚索抗滑桩结构。②边坡切坡后，由于外倾软弱结构面形成临空状楔体塌滑可能性较大，造成危害性较大的边坡。③高度大于12m、稳定性较差的土层边坡，为了防止抗滑桩破坏，可采用单锚点或多锚点作法。④坡顶0.5m内有重要建筑物或较大荷载的岩石边坡和土层边坡。

（2）钢筋混凝土格架式锚杆支护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。主要用于高陡岩石边坡或直立岩石切坡，以阻止岩石边坡因卸荷而失稳。（3）钢筋混凝土板肋式锚杆挡墙这种结构主要用于直立开挖的岩石边坡或土质边坡支护，一般采用自上而下的逆作法施工。（4）锚定板挡墙这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡。§10.5边坡锚固工程设计计算设计锚杆的使用寿命>被服务建筑物的正常使用年限;临时锚杆——设计使用年限两年以内;永久性锚杆——设计使用年限两年以上；永久性锚杆的锚固段不应设在有机质土、液限大于50％或相对密度小于0.3的土层中；当允许变形量小，或边坡稳定性较差、或土层锚固性能较差、或采用了钢绞线和精轧钢时，宜采用预应力锚杆；§10.5.1锚杆设计的基本原则防腐措施；非预应力锚杆长度<16m，单锚设计吨位一般为100～400kN，最大设计荷载一般不超过450kN；预应力锚杆长度<50m;单束锚索设计吨位一般为500～2500kN，最大设计荷载一般不超过3000kN，预应力锚索的间距一般为4～10m。§10.5.1锚杆设计的基本原则§10.5.2锚杆的设计程序锚杆布置原则（l）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，也避免由于采用高压注浆使上覆土层隆起。（2）锚杆水平与垂直间距宜大于2.0m，以避免应力集中，同时不得小于1.5m，以免群锚效应发生而降低锚固力。（3）锚固段与相邻基础或地下设施的距离应小于3m。（4）在施工中应考虑施工偏差而造成锚索的相互影响。（5）锚杆的安设角度：l5°～45°锚索的安设角度：根据经验，注浆锚索锚固角度应大于11°，否则须增设止浆环进行压力注浆。§10.5.3锚杆锚固设计荷载的确定

锚杆锚固设计荷载的确定应根据边坡的推力大小和支护结构的类型综合考虑进行确定。计算边坡的不平衡推力或侧压力；根据锚杆的布置形式计算边坡要达到稳定需要锚杆提供的加固力；根据边坡大小确定需要的锚杆数量；根据加固力和锚杆数量确定出单根锚杆锚固荷载的大小。§10.5.3.1平面破坏边坡的加固力计算1单一滑面破坏边坡2.双滑面破坏边坡边坡达到许用安全系数值时所需加固力为：锚固力可以近似地按照边坡的平衡条件用下式确定：E——滑坡推力；——锚索与滑动面相交处滑动面倾角（°）；——锚索与水平面的夹角（°）。3.多滑面破坏边坡注意：计算滑坡推力时，应考虑1.05～1.25的安全系数。§10.5.3.2圆弧型破坏边坡加固力计算当施加一加固力后，边坡的安全系数变为：所需加固力计算公式为：单根锚杆所需提供的设计锚固力N

式中N——单根锚杆的轴向设计锚固力（或荷载）；

L——边坡的长度；

nb

——锚杆的总根数。设计锚固力N应小于容许锚固力，即§10.5.4锚杆锚筋的设计

锚杆结构设计步骤：1）第一步是根据锚杆轴向设计荷载计算锚杆的锚筋截面，并选择合理的钢筋或钢绞线配置锚筋；2）由锚筋的实际面积和锚筋的抗拉强度标准值计算出锚杆承载力设计值；3）进行锚杆体和锚固体的设计计算。§10.5.4.1锚杆锚筋的截面积计算假设锚杆轴向设计荷载为N，则可由下式初步计算出锚杆要达到设计荷载N所需的锚筋截面。

——锚杆的计算锚筋截面积；

k——安全系数，临时锚杆取1.6～1.8，永久锚杆取2.2～2.4；——锚筋（钢丝、钢绞线、钢筋）抗拉强度设计值。§10.4.4.2锚筋的选用根据锚筋截面计算值，对锚杆进行锚筋的配置，要求

配筋的选材应根据锚固工程的作用、承载力、锚杆长度、数量以及施加应力和锁定设备等因素综合考虑。若采用圆柱式锚杆，应使用钢筋做锚筋。若是非预应力锚杆，设计轴向力一般小于450kN，长度最长不超过20m，因此锚筋一般选用普通Ⅱ、Ⅲ级热轧钢筋；若是预应力锚杆可选用Ⅱ、Ⅲ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。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。预应力材料金属材料是目前国内广泛应用的材料，包括高强钢丝、钢绞线、精轧螺纹钢筋等，以高强度低松驰钢绞线应用量最多、最广泛，且呈上升趋势。复合型材料是金属高强材料经深加工后的产品，包括无粘结筋、环氧涂层钢绞线、钢丝等，其中无粘结筋应用量逐年增加，环氧涂层钢绞线正处在试用阶段。非金属材料指玻璃纤维预应力筋（GFRP)，碳纤维预应力筋（CFRP）和聚酚纤维预应力筋（AFRP）。金属材料、复合型材料、非金属材料

预应力钢绞线预应力钢绞线是将多根冷拉钢丝在绞线机上绞合成螺旋形后，经消除应力回火处理制成。预应力钢绞线按捻制结构可分为：1×2钢绞线、1×3钢绞线和1×7钢绞线等；整根破断力大、柔性好、低松弛、施工方便。1×7钢绞线结构l×7模拔钢绞线预应力钢绞线§10.5.4.3锚杆承载力设计值的确定实际锚杆承载力设计值：——实际锚筋配置情况下锚杆的承载力设计值；

k——锚杆的安全系数；——所配锚筋的抗拉强度设计值；

Ag——所选用锚筋截面面积（）。§10.5.4.4锚固力计算及锚固体长度设计锚杆极限锚固力（极限承载力）是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，它可以通过破坏性拉拔试验确定。

圆柱型锚杆的锚固力和锚固体长度的计算圆柱型锚杆的极限锚固力可表示为P——锚杆极限锚固力；La

——锚杆锚固段长度；D——锚杆锚固体直径；qs

——锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度。锚杆要达到锚固力设计值所需的最小锚固体长度：

La——锚固体长度；k——安全系数，对于临时性锚杆取1.6～1.8，对于永久性锚杆取2.2～2.4；(2)端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固体长度计算极限锚固力由三部分组成：直孔段圆柱型锚固体摩阻力；扩孔段圆柱型锚固体摩阻力；扩大头端面承载力。砂土中锚杆的极限锚固力：粘性土中锚杆的极限锚固力：

P——砂土中锚杆极限锚固力；D、d——铺固体扩大部分和非扩大部分直径；L1、L2——锚固体非扩大部分和扩大部分长度；

γ——土体重度；h——扩大头上覆土层厚度；

cu——土体不排水抗剪强度；——锚固力因素。砂土中锚杆锚固力因素与h/D关系曲线满足承载力设计值所需的最小锚固长度：砂性土粘性土实际设计中，采用简化公式：

Bc——扩大头承载力修正系数，对于临时性锚杆取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

钢拉杆与砂浆间极限锚固力：

Ps——钢杆与水泥砂浆的极限锚固力；

ds

——锚筋直径；

Lsa——锚杆的有效锚固长度；

n——锚筋根数；——砂浆对于锚筋之间的极限粘结强度。达到锚固力设计值所需的锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度：§10.5.4.5锚杆弹性变形的计算

（l）非预应力土层锚杆弹性变形的计算