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土层锚杆支撑的设计与施工

366 2021-08-23 14:19:48

概述

土层锚杆是在岩石锚杆基础上发展起来的,在 50 年代前岩石锚杆就在隧道衬砌结构中应用。1958 年德国首先在深基坑开挖中用于挡土墙支护,锚杆进入非粘性土层。

锚杆是一种新型的受拉杆件,它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结,另一端锚固在地基的土层或岩层中,以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力、水压力,它利用地层的锚固力维持结构物的稳定。

使用锚杆技术的优点有∶

(1)用锚杆代替内支撑,它设置在围护墙背后,因而在基坑内有较大的空间,有利于挖土施工;

(2)锚杆施工机械及设备的作业空间不大,因此可为各种地形及场地所选用;

(3)锚杆的设计拉力可由抗拔试验来获得,因此可保证设计有足够的安全度;

(4)锚杆可采用预加拉力,以控制结构的变形量;

(5)施工时的噪声和振动均很小。

我国最早用于地铁工程,80 年代初开始用于高层建筑深基坑支护。在天然土层中,锚固方法以钻孔灌浆为主。一般称为灌浆锚杆。受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝束和钢铰线等不同的类型,锚杆层数从一层发展到深坑中的四层锚杆。

锚杆的构造及类型

锚杆的构造

锚杆支护体系由挡土结构物与土层锚杆系统二部分组成,如图6-20 所示。

挡土结构物包括地下连续墙、灌注桩、挖孔桩及各种类型的板桩等。灌浆土层锚杆系统由锚杆(索)、自由段、锚固段及锚头、垫块等组成。

锚固段的型式有圆柱型、扩大端部型及连续球型,如图 6-21 所示。对于拉力不高,临时性挡土结构可采用圆柱型锚固体; 锚固于砂质土、硬粘土层并要求较高承载力的锚杆,可采用端部扩大头型锚固体; 锚固于淤泥质土层并要求较高承载力的锚杆,可采用连续球体型锚固体。

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土锚的设计

土锚的抗拔作用

锚杆受力机理如图 6-22 所示。当锚固段锚杆受力时,首先通过锚杆与周边水泥砂浆握裹力传到砂浆中,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粘结力时,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。

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影响锚杆抗拔力的因素有; 

1.土层对抗拔力的影响

由于土层的强度远低于砂浆强度,因而土层锚杆孔壁对于砂浆的摩阻力取决于土层的抗剪强度。

由锚杆的抗拔试验也可看出,锚固段在淤泥质土中比在粘质粉土或粉细砂中的极限抗拔力要小得多。图 6-23 表示锚杆的拉力一位移曲线,图中锚杆 a、b,其锚固段主要在粘质粉土与粉细砂中,锚杆 c 的锚固段主要在淤泥质粘士中。从试验结果可见,锚杆 c 的极限抗拔力为 400kN。锚杆 a、b 的试验曲线未出现拐点,按位移 100mm 时的抗拔力作为极限抗拔力为 750kN,要相差约 1.87 倍。

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2.灌浆对锚杆抗拔力的影响

灌浆对锚杆抗拔力起很大的作用, 当采取措施(如在锚固段端头加堵浆器)增大灌浆压力后,水泥浆会更多的渗入到周围十层中去,增加了锚固体与土层的摩阻力,从而增加了锚杆的抗拔力。有试验表明,锚杆在粉砂层中,当灌浆压力为 1MPa 时其极限抗拔力为 300kN,当灌浆压力增加到 2.5MPa 时,其极限抗拔力达 900kN。但当灌浆压力超过 4MPa时,抗拔力增长就很小了。

采用二次灌浆能提高锚杆的极限抗拔力。上海太平洋饭店基坑,采用钢筋混凝土板桩与斜土锚的支护结构。该场地处于饱和淤泥质土层,采用二次灌浆法,锚固段第一次灌浆体强度达到 5N/mm²时,采用 2~3MPa 的压力冲破有一定强度的灌浆体,浆液向土体渗透和扩散,形成不规则的水泥浆镶嵌体,使锚杆的抗拔力大大提高,如表 6-5 所示。

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3.锚杆形式时抗拔力的影响

锚杆的锚固段不同型式,如图 6-21 所示,其极限抗拔力有很大差别。例如锚杆底部形成扩大头(图6-21b),或以机械扩成几个连续球型(图6-21c),它们的抗拔力能增大很多。 6.3.3.2 锚杆的承载能力

锚杆的极限承载力(极限抗拔力)可按土的抗剪强度计算确定,也可按锚杆的抗拔试验确定。

1.按土的抗剪强度确定锚杆的极限承载力锚杆的极限抗拔力的基本公式为

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2. 锚杆抗拔试验

在锚杆工程施工前,应进行锚杆的锚固体与地基土之间的极限抗拔力试验,以验证设计所估算的锚固长度是否足够安全,并可检验所采用的土质参数是否合理。

1)试验设备。锚杆抗拔试验的试验设备主要有加载装置、量测装置及反力装置三部分。加载装置一般采用穿心式液压千斤顶,如粗钢筋用 YC-60 张拉千斤顶,单根钢绞线和7φ5mm钢丝束张拉用 YC 20D千斤顶等。拉力量测可用压力表或荷载传感器。位移量测可用百分表或位移传感器。

2)试验方法与步骤。现场钻孔、灌浆后的锚杆,待砂浆强度达到 70%后才能进行抗拔试验。一般情况下对普通水泥必须养护 8 天左右,早强水泥 4 天左右。荷载分级施加,每级荷载按预估极限荷载的 1/10~1/15 施加,直至破坏。加载后每隔5~10min 测读一次变位。稳定标准为连续 3 次读数的累计变位量不超过 0.1mm。稳定后即可加下一级荷载。若变位量不断有所增加直至 2 小时后仍不能稳定者即认为锚杆已达破坏。卸载分级约为加荷的 2~ 4 倍,直至荷载全部卸除后,测得残余变位值。

3)根据试验结果可绘制荷载一位移曲线,如图 6-23 所示,锚杆c 的极限抗拔力为 400kN。 3.锚杆的蠕变试验

对于设置在岩层和粗粒十里的锚杆,没有蠕变问题。但对于设置在软十里的锚杆,必须做蠕变试验,判定可能发生的蠕变变形是否在容许范围内。

蠕变试验需用能自动调整压力的油泵系统,使用于锚杆上的荷载保持恒量,不因变形而降低,然后按一定时间间隔(1min、2min、3min、4min、5min、10min、15min、20min、 25min、30min、45min、60min)精确测读 1h 变形值,在半对数坐标纸上绘制蠕变时间关系如图 6-24 所示。曲线(近似为直线)的斜率即锚杆的蠕变系数 Ks。

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锚杆设计

1.设计步骤

在进行土锚设计前,应进行场地调查及工程地质勘察。查明附近建筑物(基础构造、有无地下室、地下室的结构、形状)、地下公用设施(地铁、上下水管道、煤气管道等)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、间距、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。 

2.锚杆布置

1)锚杆层数。一般在基坑施工中,须先挖到锚杆标高,然后进行锚杆施工,待锚杆预应力张拉后。方可挖下—层十。因此。 多一层锚杆,就会增加一次施工循环。在可能情况下,以少设锚杆层数为好。

2)锚杆间距。锚杆间距大,增大锚杆承载力,间距过小易于产生群锚效应。

3)倾角。倾角是锚杆与水平线的夹角,它与施工机械性能有关,与地层土上质有关。一般来说,倾角大时,锚杆可以进入较好的土层,但垂直分力大,对支护桩及腰梁受力大,可能造成挡土结构和周围地基的沉降。一般采用的倾角在 15°~35°之间。

3.锚杆抗拔安全系数

土层锚杆的抗拔安全系数是指土层锚杆的极限抗拔力与锚杆的设计容许荷载的比值。表 6-8表示国外及我国香港规定的土层锚杆抗拔安全系数。

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我国土锚技术也取得了丰富的实践经验,铁道部科学研究院根据土层原型拉拔试验提出当以现场试验的屈服拉力作为设计依据时,应采用不小于1.5 的安全系数,若以极限拉力作为设计依据,临时性土锚采用 2.0,永久性土锚采用 2.5;同济大学对上海土层情况,根据土锚的蠕变性能,提出安全系数为 1.54。

我国工程建设标准化协会行业标准《土层锚杆设计与施工规范》(CECS 22—90)规定的土层锚杆的抗拔安全系数见表6-9。

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上海市标准《基坑工程设计规程》(DBJ08—61—97)规定锚固安全系数为 1.5,当使用年限超过两年或周围环境要求较高时可取 2.0。

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施工要点

 1.钻孔

土层锚杆的钻孔工艺,直接影响土层锚杆的承载能力、施工效率和整个支护工程的成本。

土层锚杆钻孔用的钻孔机械,有旋转式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机三类。

我国目前在土层锚杆钻孔中常用的钻孔机械,一部分是从国外引进的土层锚杆专用钻机,一部分是利用我国常用的地质钻机和工程钻机加以改装用来进行土层锚杆钻孔,如 XU-300 型、XU-600 型、XJ-100 型和 SH-30 型钻机等。

2.锚拉杆的制作与安放

作用干支护结构 (钢板桩、地下连续墙等) 上的荷载是通过拉杆传给锚固体,再传给锚固土层的。土层锚杆用的拉杆有∶ 粗钢筋、钢丝束和钢绞线。当土层锚杆承载能力较小时,一般采用粗钢筋;当承载能力较大时,一般选用钢丝束和钢绞线。

制作锚拉杆需要用切断机、电焊机或对焊机等。

用粗钢筋制作时, 为了承受荷载需要采用的拉杆是 2 根以上组成的钢筋束时,应将所需长度的拉杆点焊成束,间隔 2~3m 点焊一点。为 了使拉杆钢筋能放置在钻孔的中心以便插入,可在拉杆下部焊船形支架,间距 1.5~2.0m 一个。为了插入钻孔时不致于从孔壁带入大量的土体到孔底,可在拉杆尾端放置圆形锚靴。

在孔口附近的拉杆应事先涂一层防锈漆并用两层沥青玻璃布包扎做好防锈层。

国内常用钢绞线锚索,一般钢绞线由 3,5,7,9 根成索。钢绞线的制作是通过分割器(隔离件)组成,基距离为1.0~1.5m,如图 6-30 所示。

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