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岩土研究院

锚杆、土钉、锚索和喷锚支护的区别

621 2020-12-10 11:42:03

按李广信教授的话,土钉是树上的鸟巢,锚杆是树上一根线挂着一个鸟巢。以下我们来具体讨论下两者具体的区别,首先先认清楚以下几个概念。


第一章 锚杆与土钉的概念

第一节 锚杆

将拉力传至稳定岩土层的构件。当采用钢绞线或高强钢丝束作杆体材料时,也可称为锚索。是一种设置于钻孔内,端部伸入稳定土层中的钢筋或钢绞线与孔内注浆体组成的受拉杆体,它一端与工程构筑物相连,另一端锚入土层中,通常对其施加预应力,以承受由土压力、水压力、或风荷载等所产生的拉力,用以维护构筑物的稳定。一般由锚头段和锚固段三部分组成,其中锚固段用水泥浆或水泥砂浆将杆体与土体粘结在一起形成锚杆的锚固体.根据土体类型、工程特性与使用要求,土层锚杆锚固体结构可设计为圆形、端部扩大头型或连续球体型 3 类。

锚杆

第二节 土钉

用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。通常采取土中钻孔、置入变形钢筋即带肋钢筋并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力,在土体发生变形条件下被动受力,并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管、角钢等作为钉体,采用直接击入的方法置入土中。土钉墙支护适用于下列土体:可塑、硬塑或坚硬的黏性土,胶结或弱胶结(包括毛细水黏结)的粉土、砂土或角砾,填土、风化岩层等。

土钉

第二章 锚杆与土钉的区别

第一节 土钉与锚杆不同之处

一、受力机理

1)土钉是被动受力,即土体发生一定变形后,土钉才受力,从而阻止土体的继续变形;

2)锚杆是主动受力,即通过对锚杆时间预应力,在基坑未开挖前就限制土体发生过大变形。


二、受力范围

1)土钉是全长受力,不过受力方向分为两部分,潜在滑裂面把土钉分为两部分,前半部分受力方向指向潜在滑裂面方向,后半部分受力方向背向潜在滑裂面方向;2)锚杆则是前半部分为自由端,后半部分为受力段,所以有时候在锚杆的前半部分不充填砂浆。


三、二者的本质区别在于工作机理的不同:土钉是一种土体加筋技术,以密集排列的加筋体作为土体补强手段,提高被加固土体的强度与自稳能力;锚杆是一种锚固技术,通过拉力杆将表层不稳定岩土体的荷载传递至岩土体深部稳定位置,从而实现被加固岩土体的稳定。当土体发生一定变形后,土钉随着这个变形而提供抗力,这时受力特性和锚杆一样。只是它是全长受力。滑烈面所分成的两断受力方向是一样的,均为指向坡内。而锚杆在预应力的作用下,主动受力,始终是对坡体提供指向坡内的抗力,随着预应力的损失和坡体变形的停止,退化为土钉。


四、其他的一些区别

1、是否加预应力?yes-->锚杆;no-->土钉。

2、是否有专门的锚固机构?yes-->锚杆;no-->土钉。

3、是否通长注浆?yes-->土钉;no-->锚杆。

4、是否用在土体中?yes-->土钉;no-->锚杆。注:土体中用叫“土钉”,岩体中用叫“岩钉”,但一般不这样叫,因“岩”和“土”本来就没有本质的差别。锚杆当然有“土层锚杆”和“岩石锚杆”。边坡支护一般用钢绞线代替钢筋,应该叫预应力锚索。


五、土钉和锚杆在做法上有很大不同的:土钉一般间距为 1.0——1.6m。长度则为边坡或基坑高度的 1.1-1.3 倍。锚杆一般间距为 2.5——3m。且设有立柱,压顶梁等,长度则为锚固段大于等于 3m。


六、施加预应力的是锚索,有几股钢绞线组成;岩质边坡中很多锚杆是不加预应力的,我觉得跟土钉没什么区别,很多计算软件中也没用区分开。以规范说的为标准 土钉可被视为小尺寸的被动锚杆(全长粘结型) 所以可以说土钉属于锚杆的一种 都是通过杆件的拉力加强土体的整体稳定性。


七、土钉是采用密集的短锚杆,计算体系类似重力式挡墙;锚杆是和土体分开的,只计算锚固力;土钉做内部检算时要选择合理的设置间距时也要计算土钉的抗拔,这时计算破裂面为控制;锚杆的计算画面以滑动面为控制。


八、土钉与锚杆的机理是不同的,土钉是通过增加土体自身稳定性进行支护的,在土体不发生变形的情况下土钉是不受力的。锚杆是通过锚杆的拉力是来保持土体的稳定,是主动受力,也看可以提前施加预应力,土钉是不可以的。也可以这么理解:土钉就是单纯抵抗滑动面上的剪切力,而锚杆通过增加接触面压力增大对剪切的抵抗作用,就像简单的接触面有摩擦力时小木块的滑动,一个是自重,一个是自重加垂直于接触面的外压力。两者的主要区别就在于主动与被动方面的。


第三章 知识延伸

第一节 喷锚支护

1、喷锚支护:指的是用锚杆与喷射混凝土面层共同支挡岩土使其保持稳定的一种支护体系。喷锚支护的面层结构,一般是由钢丝网外加喷射混凝土组成的具有一定强度的柔性保护层。在基坑支护中锚杆的一端锚拉于稳定的土体上,另一端锚固于喷射混凝土面层结构上。一般分为预应力锚杆(索)与非预应力锚杆两类 。

喷锚支护

2、土钉墙是指以短而密的土钉置入坑壁土体中,将土体加固成为一种自稳定挡土结构的支护体系。土钉墙往往也外加钢丝网并喷射混凝土保护层。土钉一般可分为打入式和钻孔注浆式两类。土钉墙与喷锚支护有很多相似之处,特别是以喷射混凝土面层做保护层的钻孔注浆式土钉墙,施工工艺上与喷锚支护也相似。如均有喷射混凝土面层,均为钻孔注浆式,均属于柔性支护,都是边开挖边支护等。从表面上看土钉与非预应力锚杆好象只有长短与疏密之分,但其构造与作用机理是完全不同的。因此,两种支护型式的设计方法也不相同。


第二节 锚杆和锚索的区别

1、锚杆主要是采用钢筋制作,锚索采用钢绞线;

2、锚杆一般都是全断面注浆,全断面受力,锚索则是有自由端和锚固段,只有锚固段受力;

3、锚杆是被动的受力体系(也有预应力锚杆例外),锚索是主动受力体系;

4、锚杆吨位一般比较小,而锚索的吨位比较大;

5、锚杆主要用于浅层加固,锚索则用于深层加固;

6、二者的共同点都是属于柔性防护。国内,一般情况下,锚索是需要施加预应力的,因此它是主动受力,多应用于已出现变形或对变形要求严格的工程部位;锚杆则一般不施加预应力(有时也会施加很小的预应力),因此它是被动受力,只有当被锚固岩土体发生一定变形时它才发挥锚固力。此外,锚索长度一般在 20-50 米,锚杆则不到 20 米。在国际上,锚索只是锚杆的一种类型。预应力锚索框架梁支护体系作用机理:预应力锚索框架梁体系中,将锚索锚固到框架上,锚固力首先作用于框架,然后通过框架传递给岩土体,从而在岩土体中产生附加应力,调整岩土体内应力环境,起到加固边坡的目的。框架梁除表层固坡作用外,还有传力作用。如果单独使用预应力锚索进行边坡加固,锚索拉力过大会引起表层坡体的变形,甚至破坏,而坡体过大的变形又会导致锚索预应力的损失。将预应力锚索与框架梁结合,框架梁起到锚墩的作用,由于框架梁与坡面的有效接触面积大,坡体在锚索作用下的变形能得到限制。一般情况下,锚杆或土钉用于加固深度较小的情况,而锚索加固深度可以很大。


第四章 重要认知

现在习惯将简单问题复杂化,其实从字面上理解,土钉就是钉在土里的一根钉子,最早应该是将钢筋直接打入土层内,后来吸取锚杆做法,进行注浆,因此也可叫土层锚杆;锚杆重点在锚固,因为土的锚固力很小,所以,一般在岩体内。上面的讨论看来没有抓住问题的实质,锚杆的抗力主要通过锚固获得,土钉则通过摩阻获得;锚杆主要受拉,土钉则是抗剪。至于两者的间距、长度、钢筋种类等等没有本质区别。

1、土钉摩阻的作用是什么?滑动去内,通过摩阻使钉-土相互作用,使其保持一定的整体性。但稳定区内,正是通过摩阻获得锚固力,这一点与锚杆的锚固并无本质区别。

2、土钉抗剪?理论上似乎说得过去。但是哪个规范上用抗剪来计算土钉呢?

3、土钉比较短,较密集,且全长注浆;土层锚杆比较长,比较稀疏,且严格区分自由段和锚固段。土钉支护系统中,面层为柔性结构。

4、土钉支护中的土钉布置通常上长下短;而土层锚杆布置通常上排较短,而下排较长。

5、破坏形式:复合土钉支护通常是整体滑移破坏;而桩-锚结构通常为向前倾破坏(锚杆被拔出或拉断)。

6、设置密度:土钉采用高密度设置方式,一般为 0.5-2.0m2 设置一根,因而即使一根土钉单元失效,对坡体的稳定性也不会产生影响,从受力作用考虑,对土钉施工定位精度要求比锚杆力低。

7、工作机理:预应力注浆锚杆将库伦破裂面前的主动区作为荷载,通过锚杆传至破裂区后的稳定区内:土钉是根据新奥隧道(New Austrian Tuneling Method)理论为基础,在加筋杆作用下把潜在滑裂面前的主动区的复合土体现为具有自撑能力的稳定土体,以阻止土体侧向位移,支承未加筋域土体的侧压力,保证土坡的整体稳定性。

8、承受荷载:锚杆可承受的荷载达 100kN 以上,其端头部的构造较土钉复杂,以防止面层冲切破坏,土钉一般不需要很大的承载力,单根土钉受荷一般在100kN 以下,面层结构较简单,利用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。

9、施工规模:单根锚杆的长度一般较长,多在 15-45m 范围内,需用大型机械进行施工,土钉相对而言施工规模较小。


第五章 总结

  • 锚杆施加预应力 土钉没有

  • 锚杆密度比较小,比较长

  • 土钉密度比较大 短锚杆面板受力

  • 土钉面板不受力锚杆是通过预先提供预应力 主动受力

  • 土钉被动受力 土体要破坏了 土钉才受力