锚杆挡土墙概述.docx

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锚杆挡土墙概述

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锚杆挡土墙概述

核心提示：

锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。

锚杆是一种新型的受拉构件，它的一端与工程结构物联结，另一端锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的

锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。

锚杆是一种新型的受拉构件，它的一端与工程结构物联结,另一端锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的稳定.

　　在50年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时措施。

50年代中期以后，西方国家在隧道工程中开始采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝土代替衬砌结构.锚杆挡土墙在我国的应用于1966年始于成昆线，继而在许多铁路线上修建,使用效果良好。

现已广泛应用于铁路、公路、煤矿和水利等支挡工程中。

　　锚杆挡土墙按墙面的结构形式可分为柱板式挡土墙和壁板式挡土墙，如图10-35所示。

柱板式锚杆挡土墙是由挡土板、肋柱和锚杆组成，如图10—35a）。

肋柱是挡土板的支座,锚杆是肋柱的支座，墙后的侧向土压力作用于挡土板上，并通过挡土板传递给肋柱，再由肋柱传递给锚杆，由锚杆与周围地层之间的锚固力即锚杆抗拔力使之平衡，以维持墙身及墙后土体的稳定。

壁板式锚杆挡土墙是由墙面板和锚杆组成，如图10—40b）所示。

墙面板直接与锚杆连接，并以锚杆为支撑,土压力通过墙面板传给锚杆，依靠锚杆与周围地层之间的锚固力（即抗拔力）抵抗土压力，以维持挡土墙的平衡与稳定。

目前多用柱板式锚杆挡土墙。

　　　　　　　　a）柱板式　　　　　　　　　　　　　　b）壁板式

　　　　　　　　　　　　　图10-40锚杆挡土墙类型

　　锚杆挡土墙可根据地形设计为单级或多级，每级墙的高度不宜大于8m,具体高度应视地质和施工条件而定。

在多级墙的上、下两级墙之间应设置平台，平台宽度一般不小于2。

0m。

平台应使用厚度不小于0。

15m的C15混凝土封闭，并设向墙外倾斜的横坡，坡度为2%。

多级墙总高度不宜大于18m。

　　锚杆挡土墙的特点是：

（1）结构质量轻，使挡土墙的结构轻型化，与重力式挡土墙相比，可以节约大量的圬工和节省工程投资；

（2）利于挡土墙的机械化、装配化施工，可以提高劳动生产率;（3）不需要开挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困难,并利于施工安全.但是锚杆挡土墙也有一些不足之处，使设计和施工受到一定的限制，如施工工艺要求较高，要有钻孔、灌浆等配套的专用机械设备，且要耗用一

定的钢材.

　　锚杆挡土墙适用于一般地区岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可使用，还可应用于陡坡路堤.在不良地质地段使用时，必须采取相应措施。

　　另一类锚杆挡土墙为竖向预应力锚杆挡土墙，它也是利用了锚杆技术，即竖向锚杆锚固岩层地基中，并施加预应力,以竖向预应力锚杆代替重力式挡土墙的部分圬工断面，减小挡土墙的圬工数量且增加其稳定性。

竖向预应力锚杆挡土墙的工作原理、设计方法与普通锚杆挡土墙有很大的差异.

二、土压力计算

　　由于墙后岩（土）层中有锚杆的存在，造成比较复杂的受力状态，因此土压力的计算至今没有得到很好的解决.目前设计中大多仍按库伦主动土压力理论进行近似计算.但是，锚杆挡土墙后一般为岩体,岩体产生的土压力用库伦公式是不够恰当的。

设计时可根据经验，结合岩体的节理、裂缝、岩层的风化程度合理选用,有条件时亦可用岩石力学分析方法进行计算.

对于多级挡土墙，应利用延长墙背法分别计算每一级的墙背土压力。

计算上级墙时，视下级墙为稳定结构，可不考虑下级墙对上级墙的影响，计算下级墙时,则应考虑上级墙的影响.

　　三、锚杆抗拔力计算

　　锚杆抗拔力的确定是锚杆挡土墙设计的基础，它与锚杆锚固的形式、地层的性质、锚孔的直径、有效锚固段的长度以及施工方法、填筑材料等因素有关。

因此，从理论上确定锚杆抗拔力复杂而困难，至今尚未有理想的方法。

目前普遍采用的方法是根据以往的施工经验、理论计算值与拉拔试验结果综合加以确定.

（一）摩擦型灌浆锚杆的抗拔力

　　摩擦型灌浆锚杆是用水泥砂浆将一组粗钢筋锚固在地层内部的钻孔中，钢筋所承受的拉力首先通过锚杆周边的砂浆握裹力传递到砂浆中，然后通过锚固段周边地层的摩擦力传递到锚固区的稳定地层中，如图10—41所示。

　　1．岩层锚杆的抗拔力

　　当锚杆锚固于较完整的岩层中时，由于岩层与孔壁砂浆的摩阻力一般大于砂浆对锚杆的握裹应力.因此，锚杆抗拔力一般取决于砂浆的握裹能力，锚杆的极限抗拔力为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　（10—48）

式中：

-锚杆的极限抗拔力（kN）;

　　　d—锚杆的直径（m）；

　　　　—锚杆的有效锚固长度（m）;

　　　u—砂浆对于钢筋的平均握裹应力（kPa）。

　　2。

土层锚杆的抗拔力

　　当锚杆锚固在风化岩层和土层中时，锚杆孔壁对砂浆的摩阻力一般低于砂浆

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10-41灌浆锚杆锚固段的受力状态图　

对锚杆的握裹力。

因

此，锚杆的极限抗拔能力

取决于锚固地段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大摩阻力，则锚杆的极限抗拔力为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（10-49）

式中:

D—锚杆钻孔的直径（m）；

　　τ—锚固段周边砂浆与孔壁的平均抗剪强度（kPa）.　　　　抗剪强度τ除取决于地层特性外，还与施工方法、

灌浆质量等因素有关,最好进行现场拉拔试验以　　　　　　　图6-42锚杆的拉力—变形曲线

确定锚杆的极限抗拔力。

在没有试验条件的情况下，可根据过去拉拔试验得出的统计数据参考使用（如表10—9所示）,但施工时应进行拉拔验证.

　　　　　　　　表10—9　　孔壁对砂浆的极限抗剪强度　　　　　　　　　　　　　　　　　3．灌浆锚杆拉拔试验

　　在计算锚杆的锚固长度时，关键是确定锚杆抗拔力。

许多资料和实际经验表明，的计算值与实测值之间或同样条件下的实测值之间有相当大的离散性.因此，计算值只能作为一种估计，具体数值应通过现场拉拔试验的验证后确定。

国外有关锚杆中明确规定：

为了避免过分依靠锚杆抗拔力的计算公式，原则上要根据原位的拉拔试验结果及材料强度来确定锚杆的容许抗拔力.

　　锚杆的拉拔试验用于验证设计方案,应在初步设计之后和全面开工之前进行，并应在工程现场至少取得三根锚杆的极限抗拔力和拉力（P）—变形（S）曲线（如图10—42所示）。

以曲线上明显的转折点A对应的拉力为极限抗拔力。

　　由拉拔试验结果来获得极限抗拔力时，重要的是选定一个衡量极限抗拔力的标准，铁道部科学研究院针对锚定板抗拔力提出了三种判别标准,即极限稳定标准、局部破坏标准和极限变形标准，以转折点A确定极限抗拔力采用的就是第二种判别标准。

根据拉拔试验的极限抗拔力确定锚杆容许承载力TR时应考虑一定的安全储备.

　　已有资料表明，值不会随着锚固段的长度成比例地增大，式（10-49）只适用于10m以内的锚固段。

另外，值也不会单纯地随锚杆直径的增大成比例地提高。

（二）扩孔型灌浆锚杆的抗拔力

　　1.压缩桩法

　　对于锚杆端部采用扩孔形式的锚杆，其极限抗拔力视地层性质而不同。

当锚固体处在岩层中时，锚杆的极限抗拔力往往取决于砂浆的抗压强度;当锚固体处在土层中时，锚固体的抗拔力为锚固体侧面的摩阻力与断面突出部分的抗压力之和（如图10—43所示），即:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（10-50）

式中:

F—锚固体的周面摩阻力；

　　　Q—锚固体受压面上的抗压力。

　图10—43压缩桩法图　　　　　　　　　　　　　　　　　图10-44柱状剪切法

　　2。

柱状剪切法

　　对于土层扩孔锚杆，假定锚杆在拉拔力的作用下锚固体扩大部分以上的土体沿锚杆轴线方向作柱状剪切破坏，如图10—44所示，锚固体的极限抗拔力:

　　　　　　　　　　　　　　　　　（10—51）

式中：

—锚固体扩大部分以上滑动土体与外界土体表面间的抗剪强度（kPa）.

　　值也是根据统计资料凭经验选定的或根据现场拉拔试验数值综合加以确定。

四、构件设计

　　锚杆挡土墙构件包括墙面板、钢筋混凝土肋柱和锚杆.

　　1。

墙面板设计

　　墙面板一般采用钢筋混凝土槽形板、矩形板和空心板，有时也采用拱形板，大多为预制构件。

混凝土强度不低于C20，墙面板厚度不得小于0。

2m，宽度视吊装设备的能力而定，但不得小于0.3m，一般采用0.5m。

预制墙面板的长度考虑到锚杆与肋柱的连接一般较肋柱间距短0.1～0。

12m，或将锚杆处的墙面板留有缺口。

墙面板与肋柱的搭接长度不小于0。

1m。

　　墙面板以肋柱为支点，当采用槽形板、矩形板和空心板预制构件时，墙面板可按简支板计算内力，其计算跨度为净跨加板的两端搭接长度;当采用拱形板预制构件时，墙面板可按双铰拱板计算内力。

墙面板直接承受土压力,对每一块墙面板来说，承受的荷载为梯形均匀荷载，而且每一块板所承受的荷载是不同的。

在设计中一般将墙面板自上而下地分为若干个区段，每一区段内的墙面板厚度是相同的，并按区段内的最大荷载进行计算，但墙面板的规格不宜过多。

　　在现浇结构中，墙面板常作成与肋柱连在一起的连续板，应按连续梁计算内力。

　　2.肋柱设计

　　肋柱截面可采用矩形、Ｔ形、正方形,沿墙长方向肋柱宽度不宜小于0。

3m.肋柱的间距由工点的地形、地质、墙高及施工条件等因素确定，考虑工地的起吊能力和锚杆的抗拔力等因素，一般可采用2.0~2.5m。

肋柱可采用整体预制，亦可分段拼装或就地灌注，肋柱采用的混凝土标号不低于C20。

　　肋柱与地基的嵌固程度与基础的埋置深度有关,它取决于地基的条件及结构的受力特点。

一般设计时考虑采用自由端或铰支端.当为自由端时,肋柱所受侧压力全部由锚杆承受，此时肋柱下端的基础仅做简单处理。

通常当地基条件较差、挡土墙高度不大以及处治滑坡时按自由端考虑。

铰支端时要求肋柱基础有一定的埋深，使少部分推力由地基承受，可减少锚杆所受的拉力。

若肋柱基础埋置较深，且地基为坚硬的岩石时,可以按固定端考虑，这对减少锚杆受力较为有利，但应注意地基对肋

柱基础的固着作用而产生的负弯矩.固定端的使用应慎重，因为施工中往往较难保证设计条件，同时由于固定端处的弯矩、剪力较大,也影响肋柱截面尺寸。

肋柱的基础应采用C15混凝土或75号水泥砂浆砌片石。

　　锚杆的内力计算时，严格地说,肋柱是支承在一系列弹性支座上的，但由于这些弹性支座的柔度系数不易确定，故在计算时一般仍视肋柱为支承于刚性支座的简支梁或连续梁.由于肋柱上的锚杆层数和肋柱基础嵌固程度的不同，其内力计算图式也不同，当锚杆层数为三层或三层以上时,可近似地看成连续梁；当锚杆为两层，且基础为固定端或铰支端时，按连续梁计算内力；基础为自由端时，应按双支点悬臂梁计算内力。

　　肋柱截面尺寸应按计算截面弯矩来确定，并满足构造要求。

考虑到肋柱的受力及变形情况较复杂，截面配筋一般采用双向配筋,并在肋柱的内外侧配置通长的主要受力钢筋。

配筋设计包括：

（1）按最大正负弯矩决定纵向受拉钢筋截面面积；

（2）计算截面的抗剪强度，确定箍筋数量、间距以及抗剪斜钢筋的截面面积与位置；

　　（3）抗裂性计算。

五、锚杆设计

　　1。

锚杆的主要类型

　　锚杆按孔径大小可分为锚索（大锚杆）和小锚杆。

锚索所需锚孔孔径较大，一般为100~150mm,有时达250～350mm，采用钻机或锚杆钻机钻孔，钻孔深度可达50m或更长。

锚索由数根钢筋或钢丝束或钢绞线组成。

小锚杆锚孔直径为38～50mm，可用普通风钻钻孔，钻孔深度3~5m，小锚杆一般为一根钢筋。

　　按地层中的锚固方法可分为楔缝式锚杆和灌浆锚杆。

楔缝式锚杆一般用在锚固岩层较为坚硬的地区,小锚杆楔缝较为简单，锚杆插入钻孔后，施加压力，使楔子挤入锚杆端部楔缝，迫使杆端张开嵌固在岩层上。

大锚杆的固定较为复杂，一般要加工特殊锚固装置，使锚杆头上的外夹片嵌固在岩层上。

灌浆锚杆分为普通灌浆锚杆（如图10—45所示）、扩孔锚杆（如图10-46所示）、预压锚杆、预应力锚杆。

预压锚杆是在灌浆时对水泥砂浆施加一定的压力,预应力锚杆是对锚杆施加张拉应力。

　　此外，法国曾采用一种I·R·P型锚杆，杆心设有孔道，杆壁有阀门，可以通过锚杆于肋柱的接头处,重复灌入砂浆,以控制灌注的深度，从而使锚杆本身在锚固的同时对土层进行加固。

在灌浆材料上，除常用的水泥砂浆外，美国、法国曾用过树脂材料，日本还用了化学液体灌浆,利用化学液体的膨胀

性来提高锚杆的抗拔能力。

　　2.锚杆的布置　　　　　　　　　图10—45普通灌浆锚杆

　　锚杆的布置直接涉及到锚杆挡土墙

墙面构件和锚杆本身设计的可行性和经济性。

布设时要求考虑墙面构件的预制、运输、吊装和构件受力的合理性，同时要考虑锚杆施工条件、受力条件等。

每级肋柱上视肋柱高度可设为两层或多层锚杆，一般布置2～3层。

若锚杆布置太疏,则肋柱截面尺寸大，锚杆粗而长，但若布置过密,锚杆之间受力的相互影响使锚杆抗拔力受到影响,此时锚杆抗拔力就变的比单根锚杆设计拉力低.根据已建工程的经验，锚杆的位置应尽可能使肋柱所受弯矩均匀分布.

　　3。

锚杆截面设计

　　锚杆截面设计主要是确定锚杆所用材料的规格和截面积，并根据锚杆的布置和灌浆管的尺寸确定钻孔的直径.

　　锚杆可采用Ⅰ级或Ⅱ级钢筋或钢丝索，还可采用高强钢绞线或高强粗钢筋。

钢筋锚杆宜采用螺纹钢，直径一般应为18~32mm，锚孔直径应与锚杆直径相配合,一般为锚杆直径的3倍.锚杆应尽量采用单根钢筋，如果单根不能满足拉力需要，也可采用两根钢筋共同组成一根锚杆，但每孔钢筋数不宜多于3根。

作用于肋柱上的侧压力由锚杆承受。

锚杆为轴心受拉构件，其每层锚杆所受轴向拉力（MN）（如图10—47所示）为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（10—52）

式中:

—锚杆轴向拉力（kN）

　　　R-由肋柱计算求得的支座反力（kN）；

　　所需钢筋面积为：

　　　　　　　　　　　　　　　　（10—53）

式中：

-钢筋的截面积（）；

　　　Ｋ-荷载安全系数，可取２。

0；

　　　—钢筋的抗拉设计强度（kPa）.

　　锚杆钢筋直径除满足强度需求外,尚需增加2mm防锈安全储备。

为防止钢筋锈蚀,还需验算水泥砂浆（或混凝土）的裂缝，其值不应超过容许宽度（0。

2mm）。

　　图10-47锚杆拉力计算图式　　　　　　　　　　　　图10—48锚杆长度计算图式

　　4。

锚杆的长度设计

　　锚杆由非锚固段（即自由段）和有效锚固段组成.非锚固段不提供抗拔力,其长度应根据肋柱与主动破裂面或滑动面（有限填土）的实际距离确定（如图10—48所示）.如果地质条件较好，不太可能形成主动破裂面,则非锚固段长度可以短于到理论破裂面的距离。

有效锚固段提供锚固力，其长度应根据锚杆的拉力按式（10—54）计算。

并应按式（10-55）验算锚杆与砂浆之间的容许粘结力。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（10—54）

式中—锚杆有效锚固长度（m）；

　　N—锚杆轴向拉力（kN）;

　　D-锚孔直径（m）;

　　τ-锚孔壁对砂浆的极限剪应力（kPa）;

　　K—安全系数，可取2。

5。

　　同时尚应按下式对锚杆与砂浆间的容许粘结力进行检算：

　　　　　　　　　　　（10—55）

式中:

n-锚杆钢筋根数；

　　　d—锚杆钢筋直径（m）；

　　［c］-锚杆与砂浆之间的容许粘结力（kPa）；

　　β—考虑成束钢筋系数,单根钢筋β=1。

0,两根一束β=0。

85，

三根一束β=0。

7.

　　锚杆有效锚固段长度除满足抗拔稳定性要求外，还应控制锚杆最小长度，即岩层中≥4m；土层中≥5m。

　　5.锚杆与肋柱的连接

　　当肋柱为就地灌注时，必须将锚杆钢筋伸入肋柱内，其锚固长度应满足钢筋混凝土结构规范的要求.当采用预制的肋柱时，锚杆与肋柱的连接形式有三种:

螺母锚固、弯钩锚固和焊短钢筋锚固。

外露金属部分用砂浆包裹加以保护。

　　螺丝端杆应采用延伸性能和可焊性能良好的钢材,按照与锚杆钢筋截面等强度的条件进行设计，如果采用45SiMnV精轧螺纹钢筋作锚杆，钢筋本身的螺旋即可作为丝扣并可安装螺帽，所以不需要再另外焊接螺丝端杆.

6。

锚杆防锈措施

　　钢筋的锈蚀作用受许多因素影响.暴露在湿空气中并与酸性水和空气反复接触的钢筋锈蚀速度最快，埋在碱性土中而且其周围孔隙水和空气不易流动时钢筋不易锈蚀.一般埋在土中的钢筋必须进行防锈处理。

　　钢筋锚杆的防锈措施应选用柔性材料，而不宜采用包混凝土等刚性防护。

锚杆未锚入地层部分，必须作好防锈处理。

一般在钢筋表面涂两层防锈漆，并缠裹用热沥青浸透的玻璃纤维布两层，以完全隔绝钢筋与土中水及空气的接触。

锚杆也可采用镀锌的方法进行防锈处理。

锚杆螺栓与肋柱连接部位无法包裹，是防锈的薄弱环节，应压注水泥砂浆或用沥青水泥砂浆充填其周围并用沥青麻布塞缝.此处应慎重处理。

　　7。

锚杆的倾斜

　　锚杆在地层中一般都沿水平向下倾斜一定的角度，通常在10°~45°之间。

具体倾斜度应根据施工机具、岩层稳定的情况、肋柱受力条件以及挡土墙要求而定。

锚杆的倾斜度是为保证灌浆的密实,有时也为了避开邻近的地下管道或浅层不良土质等.从受力的角度来看,水平方向为好，但这种水平锚杆由于上述原因而往往不能实现。

当倾斜度为45°时,抗拔力仅为水平方向的1/2，而且锚杆倾斜度的增加会使结构位移加大,因此锚杆倾斜度不宜太大.多层锚杆挡土墙为了减少墙的位移量，应使中层和低层锚杆缓于上层锚杆的倾斜度，如图10-49所示。

　　六、壁板式锚杆挡土墙

　　壁板式锚杆挡土墙根据施工方法不同，可分为就地浇注和预制拼装两种类型。

对于就地

浇注的壁板式锚杆挡土墙，其锚杆端头直接插　　　图10—49　锚杆的倾斜度

入混凝土板中，与壁面板一起浇注,不存

在锚头单独施工问题。

而预制拼装式在预制混凝土壁面板时，应留有锚头或预留孔道.此种挡土墙的锚杆多用楔缝式锚杆，适用于岩石边坡防护。

　　1.锚杆

　　锚杆的间距，按墙后填土的性质、壁面板受力合理及经济等综合确定。

其水平间距一般为1～2m;竖向以布置2～3排锚杆为宜。

采用预应力锚杆时，其间距可适当加大.

　　2.壁面板

　　壁面板宜为整块钢筋混凝土板，采用就地浇注或预制拼装.预制墙面板必须预留锚杆的锚定孔。

为便于施工，一般采用等厚截面，其厚度不宜小于0。

3m。

混凝土强度等级不宜低于C20。

就地浇注的墙面板的内力计算，可分别沿竖直方向和水平方向取单位宽度按连续梁计算.计算荷载在竖直方向取墙面板的土压应力，在水平方向取墙面板所在位置土压应力的平均值.

　　3.锚杆与墙面板的连接

　　如墙面板就地浇注,应将锚杆插入混凝土一起浇注，插入长度不小于30倍的钢筋直径。

对于预制墙面板，应在墙面板架设好后，立即浇注混凝土使墙面板与锚杆连接成整体，为加强其连接牢固性,可设钢筋混凝土锚帽。