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锚杆施工与设计

锚杆（索）

1.锚杆（索）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，如图1.1所示。

（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。

图1-1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

（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（图1-2）。

图1.2锚索结构示意图

1-台坐；2-锚具；3-承压板；4-支档结构；5-自由隔离层；6-钻孔；7-对中支架；8-隔离架；9-钢绞线；l0-架线环；ll-注桨体；12-导向帽；Lr-自由段；La-锚固段

（1）按是否预先施加应力分为预应力锚杆（索）和非预应力锚杆（索）：

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；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。

（2）按锚固形态分为圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆（索）和连续球型锚杆（索）。

（如图1.1为圆柱型锚杆,图1.3为端部扩大型锚杆.）

图1.3端部扩大头型锚杆

1——锚具；2——承压板；3——台座；4——支档结构；5——钻孔；

6——二次注浆防腐处理；7——预应力筋；8——圆柱型锚固体；

9——端部扩头体；L1——自由长度；L2——锚固段长度

除此之外，按锚固机理还可分为有粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆。

目前在边坡加固工程中广泛采用锚钉也是一种较短的粘结型锚杆，它是通过在边坡中埋入段而密的粘结型锚杆使锚杆与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性；这种锚杆一般适用于土质地层和松散的岩石地层。

锚杆（索）的作用原理就是利用锚杆（索）周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力以保持地层开挖面的自身稳定，由于锚杆锚索的使用，可以提供作用于结构物上以承受外荷的抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的符合体，使其能有效地承受拉力和剪力。

在岩土锚固中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。

2.锚杆（索）的设计与计算

2.1设计的基本原则

在计划使用锚杆的边坡工程中，应充分研究锚固工程的安全性、经济性和施工的可行性。

设计前认真调查边坡工程的地质条件，并进行工程地质勘察及有关的岩土物理力学性能实验，以提供锚固工程范围类的岩土性状、抗剪强度、地下水、地震等资料。

对于土质边坡还应提供土体的物理性质和物理状态指标。

设计锚杆的使用寿命应不小于公路或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用期限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用期限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。

对于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；因有机质土会引起锚杆的腐蚀破坏；液限大于50％的土层由于其高塑性会引起明显的徐变而导致锚固力不能长期保持恒定；相对密度小于0.3的土层松散不能提供足够的锚固力。

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、或土层锚固性能较差、或采用了钢绞线和精轧钢时，宜采用预应力锚杆。

但预应力作用对支承结构的加载影响、对锚固地层的牵引作用以及相邻构筑物的不利影响应控制在安全范围之内。

设计的锚杆必须达到所设计的锚固力要求，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，特别是预应力钢绞线，除了满足Gl3／T5224—95标准外，还必须获得IS09002国际质量认证；同时必须保障钢筋或钢绞线有效防腐，以避免锈蚀导致材料强度降低。

非预应力锚杆长度一般不要超过l6m，单锚设计吨位一般为l00～400kN，最大设计荷载一般不超过450kN。

预应力锚杆（索）长度一般不要超过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。

进行锚杆设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆施工完毕后必须对锚杆进行抗拔试验，验证锚杆是否达到设计承载力的要求；同时对于公路上遇到的大型滑坡在采用预应力锚索加固后必须进行至少一年的位移监测。

2.2锚杆（索）锚筋的设计

按照设计程序，在确定出锚杆轴向设计荷载后，需要对锚杆进行结构设计，结构设计的第一步就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；在配置锚筋后可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，然后方能进行锚杆设计计算。

（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：

（1）

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对于永久性锚杆取2.2～2.4；

fpkt——锚筋（钢丝、钢绞线、钢筋）抗拉强度设计值。

（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

。

配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆承载力、锚杆的长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因数综合考虑。

对于采用棒式锚杆，都采用钢筋做销筋。

如果是普通非预应力锚杆，由于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，如果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2～32mm。

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，这样不但可以降低锚杆的用钢量，最大限度地减少钻孔和施加预应力的工作量，而且可以减少预应力的损失。

（3）按实际锚筋截面计算锚杆承载力设计值：

假设实际锚筋配置截面为Ag（Ag≥Ag′），由下式按实际锚筋计算锚杆承载力设计值：

（2）

式中：

Ng——实际锚筋配置情况下锚杆的承载力设计值；

k——安全系数，取值同前；

fptk——所配锚筋（钢丝、钢绞线或钢筋）的抗拉强度设计值。

2.3锚杆（索）的锚固力计算与锚固体设计

锚杆（索）的锚固力也可称为锚杆（索）承载力。

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。

锚杆容许锚固力（容许承载力）是极限锚固力（极限承载力）除以适当的安全系数（通常为2.0～2.5），这种锚固力在《公路钢筋混凝土规范》中称为容许承载力，而在《工民建钢筋混凝土结构规范》中又称为锚杆锚固力（承载力）标准值；这种标准值为设计锚固力提供参考，通常锚杆容许锚固力是锚杆设计锚固力（或称为锚固力设计值）的1.2～1.5倍。

在设计时，锚杆的设计荷载必须小于锚固力设计值。

锚杆锚固力的计算方法随锚固体形式不同而异，圆柱型锚杆的锚固力由锚固体表面与周围地层的摩擦力提供；而端头扩大型锚杆的锚固力则由扩座端的面承力及与周围地层的摩擦力提供。

（1）圆柱型锚杆锚固力与锚固长度计算

对于圆柱型锚杆，根据锚固机理，锚杆的极限锚固力可按下式计算：

（3）

式中：

L——锚固体长度；

d——锚固体长度；

qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度。

式

（2）给出了锚杆承载力设计值Ng（≥锚杆设计荷载），由式

（2）可得锚杆要达到锚固力设计值Ng所需的最小锚固体长度：

（4）

式中：

Lm——锚固体长度；

k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8对于永久性锚杆取2.2～2.4；

Ng——锚杆锚固力设计值；

qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值（表1）。

锚固体与周围土体间的粘结强度标准值表1

（2）端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算

如图6.12所示，端部扩大头型锚杆的极限锚固力由三部分组成：

直孔段圆柱型锚固体摩阻力、扩孔段圆柱型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，而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：

（5）

粘性土中锚杆的极限锚固力计算：

（6）

图6.12端部扩大头型锚杆的锚固力的计算模式

式中：

Pa——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（表1）；

h，γ——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；

βc——锚固力因数，与h／D呈正比例增加，当h／D>10时，βc保持恒定不再随h／D的增加而改变。

已知锚杆的承载力设计值为Ng，则满足该承载力设计值所需的最小锚固长度可由公式（5）和（6）求得，为：

砂性土：

（7）

粘性土：

（8）

在实际工程设计中，为了便于计算，通常对式（7）和（8）根据经验进行简化，简化后的计算公式为：

式中：

Ng——锚杆锚固力设计值；

k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8对于永久性锚杆取2.2～2.4；

Bc——扩大头承载力修正系数，对于临时锚杆取4.5～6.5对于永久性锚杆取3.0～5.0；

qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值（表1）。

锚固体与周围岩土体间的粘结强度标准值表1

注：

（1）表中qs系一次常压灌浆工艺确定，适用于注浆标号M25～M30；当采用高

灌浆时，可适当提高。

（2）极软岩：

岩石单轴饱和抗压强度fp≤5MPa；软质岩：

岩石单轴饱和抗压强度

5MPa≤fp≤30MPa硬质岩：

岩石单轴饱和抗压强度fp≥30MPa。

（3）表中数据用作初步设计时计算，施工时宜通过试验检验。

（4）岩体结构面发育时，取表中下限值。

（3）锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度计算

前面对于圆柱型锚杆和端头扩大型锚杆的极限锚固力计算公式是基于锚固段锚杆体与周围岩土问的极限摩阻力给出的，这种公式的应用条件是锚杆破坏首先从锚固体与周围岩土之间的界面剪切滑移，一般来讲对于土层或较软的岩石满足这种条件。

对于坚硬的岩层，如果锚固体与岩层问的极限摩阻力大于锚筋与锚固砂浆之间的极限握裹力，锚杆将首先从锚筋与锚固砂浆之间开始剪切破坏，此时应根据锚筋与锚固砂浆之间的粘结强度来计算锚杆的锚固长度。

极限锚固力计算公式为：

（9）

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。

锚杆锚固力设计值为Ng，锚杆要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）

式中：

Lg——锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度；

k——安全系数，对于临时锚杆取1.5～1.8对于永久性锚杆取2.0～2.3；

qg——锚筋与锚固砂浆间的极限粘结强度标准值（表2）。

钢筋与砂浆之间的粘结强度标准值表2

注：

（1）当采用两根钢筋点焊成束作法时，粘结力应乘以0.85折减系数。

（2）当采用三根钢筋点焊成束作法时，粘结力应乘以0.7折减系数。

（3）成束钢筋不应超过三根，钢筋总截面积不应超过孔径面积的20％，以

保证钢筋在砂浆中的锚固效果，除非采用特殊的锚固段钢筋和注浆体设计，

并通过实验可适当增加钢筋数量。

2.4锚杆弹性变形计算

锚杆的变形是由锚杆本身在外荷作用下变形和由于地层徐变引起的变形组成，由地层徐变引起的锚杆变形计算可以通过徐变系数计算锚杆在不同时期的徐变位移。

锚杆本身在外荷载作用下变形以弹性变形为主，下面是锚杆弹性变形的计算方法。

（1）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弹性变形外，锚固段也存在一部分变形，一般需要通过试验确定，在初步设计时可以近似估算：

（11）

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，锚固体组合弹性模量可有下式确定：

（12）

Am，Em——锚固体中砂浆体的截面积和弹性模量。

（2）非预应力岩石锚杆弹性变形的计算

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：

（13）

（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实际保留值，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公式（11）和（13）中的Ng计算变形量。

如果计算的变形量增量值较小时，预应力锚杆也可近似按刚性拉杆考虑。

3.锚杆（索）的施工

锚杆施工质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力和边坡稳定安全，一般在施工前应根据工程施工条件和地质条件选择适宜的施工方法，认真组织施工。

在施工过程中如遇与设计不符的地层，应及时报告设计人员，以作变更处理。

锚杆施工包括施工准备、造孔、锚杆制作与安装、注浆、锚杆锁定与张拉等五个环节。

3.1施工前的准备工作

施工前的准备工作包括施工前的调查和施工组织设计两部分。

施工前的调查是为施工组织设计提供必要资料，其内容有：

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。

3.2造孔

锚杆（索）施工的第一步就是按照施工图的要求钻孔，钻孔是锚固工程费用最高、控制工期的作业，因而是影响锚固工程经济效益的主要因数。

锚杆钻孔应满足设计要求的孔径、长度和倾角，采用适宜的钻孔方法确保精度，要使后续的杆体插入和注浆作业能顺利地进行。

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。

一般要求锚孔入口点水平方向误差不应大于50mm，垂直方向误差不应大于100mm。

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），钻机立轴的倾角与钻孔的倾角应尽量相吻合，其允许的误差只能是岩心管倾角略大于立轴倾角，不允许有反向的偏差出现。

开孔后，尽量保持良好的钻进导向。

在钻进过程中根据实际地层变化情况，随时调整钻进参数，以防止造成孔斜偏差。

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。

3.3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。

而对于多股钢绞线的锚杆（如图6.2所示）制作较复杂，其锚固段的钢绞线呈波浪形，自由段的钢绞线必须进行严格的防护处理。

对于各种形式的锚杆总的要求如下：

1）严格按照设计进行钢筋（或钢绞线）选材。

对进场的钢筋或钢绞线必须验明其产地、生日期、出厂日期、型号，并核实生产厂家的资质证书及其各项力学性能指标。

同时须进行抽样检验，以确保其各项参数达到锚固施工要求。

对于预应力锚固结构，优先选用高应力、低松弛的钢绞线，保证其与混凝土有足够的粘结力（握裹力），同时应保证预应力损失后仍能建立较高的预应力值。

2）严格按照设计长度进行下料。

对进场钢筋经检验达到上述技术要求后，即可进行校直、出锈处理，然后，按照施工设计长度进行断料，其长度误差不应大于50mm。

一般实际长度应大于计算长度的0.3～0.5m，但不可下得过短，以致无法锁定或者给后续施工带来不便。

3）锚杆组装可在严格管理下由熟练人员在工地制作。

对于Ⅱ、ⅢJ级钢筋连接时宜采用对接焊或双面搭接焊，焊接长度不应小于8倍钢筋直径，精轧螺纹钢筋定型套筒连接。

锚杆自由段必须按照设计作防腐处理和定位处理。

4）锚束放入钻孔之前，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，注浆管宜随锚体一同放人钻孔，注浆管端部距管底宜为50～100mm，锚束放人角度应与钻孔角度保持一致，在人孔过程中，注意避免移动对中器，避免自由长度段无粘结护套或防腐体系出现损伤。

锚束插入孔内深度不应小于锚束长度的95％。

3.4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。

锚孔一般采用水泥浆或水泥沙浆灌注，浆液的拌合成分、质量和关注方式在很大程度上决定了锚杆的粘结强度和防腐效果。

因此在锚杆注浆施工应当严格把握浆材质量、浆液性能、注浆工艺和注浆质量。

一般要求有：

1）按规定选择水泥浆体材料。

选用水泥标号应为灌浆浆液标号的1.5～2倍，且不宜低于425#的新鲜普通硅酸盐水泥，对进场水泥应复查力学性能。

搅拌浆液所用水中不含有影响水泥正常凝结、硬化的有害物质。

选用砂料的含泥量按重量计不得大于3％，砂中有害物质（如云母、轻物质、有机物、硫化物等）含量应低于1％～2％，砂的粒径以中砂（平均粒径0.3～0.5mm）较好，但要求含水量不应大于3％。

外加剂的品种与用量由试验确定，一般情况下加速浆体凝固的水玻璃掺量为0.5％～3％；提高浆液扩散能力和可泵性的表面活性剂（或减水剂），如三乙醇胺等，其掺量为水泥用量的0.02～0.05％；为提高浆液的均匀性和稳定性，防止固体颗粒离析和沉淀而掺加的膨润土，其掺量不宜大于水泥用量的5％。

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l：

1～1：

2，水灰比为O.38～O.48，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0.45～0.50的纯水泥浆。

对与配置好的浆液应有稳定性好，常温、常压下较长时间存放，不易改变其基本性质，不发生强烈的化学反应特点，同时浆液对注浆设备、管路、橡胶制品无腐蚀性、易清冼，浆液固化时无收缩现象（或收缩性小），固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子等粘结。

除此之外还要求浆体配置方便操作、容易掌握、原料来源丰富，价格便宜，能够大规模使用。

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50～80cm，严禁将导管拔出浆液面，以免出现断杆事故。

实际注浆量不得少于设计锚索的理论计算量，即注浆充盈系数不得小于l.0。

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5.0MPa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。

3.5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。

在张拉过程中应注重张拉设备选择、标定、安装、张拉荷载分级、锁定荷载以及量测精度等方面的质量控制，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。

选择时应考虑它的通用性能，从而使得它具备除可能张拉配套锚具外，还能张拉尽可能多的其他系列锚具的通用性能，做到一项多用。

同时张拉设备应能使预应力筋的拉力既能从已有荷载上增加或降低，又能在中间荷载下锚固，最后张拉设备还应能拉锚以确定预应力荷载的大小。

2）张拉前对张拉设备进行标定。

对于1000kN以下的千斤顶，可用2000kN的压力机标定，标定的数据与理论出力误差应小于2％。

3）安装锚夹具前，要对锚具进行逐个严格检查。

锚具安装必须与孔道对中，夹片安装要整齐，裂缝要均匀，理顺注浆管后依次套人锚垫板、工作锚、限位板，在限位板上用千斤顶预拉，每根预拉一定荷载后，再套入千斤顶、工具锚、工具夹片等。

4）张拉前，必须待锚固段、承压台（或粱）等构件的混凝土强度达到设计强度方能进行张拉，同时必须把承压支撑构件的面整平，将台座、锚具安装好，并保正和锚索轴线方向垂直（误差<5º）。

5）张拉应按一定程序和设计张拉速度（一般为40kN／min）进行。

正式张拉前进行二次预张拉，张拉力为设计拉力的l0％～20％。

正式张拉荷载要分级逐步施加，不能一次加至锁定荷载。

分级施加荷载和观测变形的时间可按表3执行。

锚杆张拉荷载分级及观测时间表表3

注：

Nt为锚索设计拉力，即最终锁定荷载。