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岩土锚杆设计及结构介绍

430 2021-08-27 14:29:29

锚杆是支护体系的重要组成部分,锚杆是受拉杆件的总称,岩土锚固是一种把受拉杆件埋入地层的技术,依靠锚杆周围地层提供的力,通过锚杆、水泥浆固结体使挡土构筑物与岩土形成一种共同工作的复合体,锚杆、水泥浆固结体与岩土的结合不但提高了岩土的自身强度和自稳能力,也保证了挡土构筑物的稳定与安全。

在基坑支护工程中使用锚杆技术现已相当普遍,与内支撑支护相比,其最大的优点在于∶ 这种形式的支护可提供开阔的空间,改善施工条件,提高挖土和结构施工的效率和质量,还可以节省大量的钢材。

锚杆品种较为繁多,按锚固地层可分为岩石锚杆、土层锚杆;按应力机制可分为摩擦型、压缩型和剪力型锚杆;按使用材料、张拉与否分为预应力、非预应力钢筋锚杆和钢绞线锚索;以及具有特殊性能的分散型、扩体型、重复灌浆锚杆,等等。

一、锚杆的设计 

1. 锚杆的结构

锚杆是由锚杆头部、拉杆主体及锚固体3个基本部分组成,如图4-7 所示。

锚杆头部是将拉杆与挡土构筑物牢固连结起来、起着传递支挡结构作用力到拉杆上去的部件,由锚头、承压垫板及台座(腰梁)组成。

拉杆主体为高强螺纹钢筋或钢绞线,作用是将来自锚杆头部的拉力传递给锚固体,这段钢筋或钢绞线外包塑料管,与水泥浆体隔离。

锚固体为水泥灌浆固结体,它包惠着拉杆(钢筋或钢绞线不带皮),将来自拉杆的力传递给周围地层。

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2.锚杆应用类型

锚杆在现工程应用上主要有以下几种类型∶

(1)一次常压注浆摩擦型钢筋锚杆,自由段包裹塑料管,锚固段与水泥浆固结体结合,适合于较好地层,经济方便、应用广泛。

(2)二次高压注浆摩擦型钢绞线锚索,自由段包裹塑料管,锚固段与水泥浆固结体结合,二次灌浆与地层有较好的粘结,摩阻力提高,锚索施加预应力。应用较为普遍,适于包括软黏土类的较多地层。

(3)特殊类型锚索,制造、施工工序较为复杂,费用较高,针对性强,能适用于极端不利岩土条件,如岩层破碎带、渗漏坍塌区、淤泥软土层等,满足特定工程需求,如扩孔,多次重复灌浆及专利装置。

3.锚杆的设计计算内容

根据基坑开挖及地下结构施工不同工况时结构内力的要求,锚杆计算包括锚杆设计轴向力、锚杆的抗力分项系数及极限承载力; 设计锚杆结构、浆体强度及外锚具,确定锚杆施工工艺,布置腰梁、锚杆安设角度、计算自由段长度和锚固段长度;确定锚固体参数及锚杆张拉荷载值、锁定荷载值;验算锚杆系数的安全性。

(1)锚杆承载力计算∶

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三、锚杆锚固体的应力分布

根据锚杆锚固体的应力分布,可将锚杆分为摩擦型、压缩型、剪力型。

目前应用最广的为摩擦型锚杆,这类锚杆拉力通过自由段传到锚固段,又通过水泥浆固结体与地层间的黏结力使外力传递到岩十中。从 受力分析来看。在岩十体的抗前强度范围内,锚杆拉伸变形与岩土摩擦力成正比,锚固体上的摩擦力是不均匀的、呈递减状。当固结体前端摩擦力达到土的抗剪强度而发生位移破坏时,固结体后端摩擦力还没完全发挥。

压缩型锚杆的特点是沿拉筋全长涂以油脂,并套上胶管使之与水泥固结体分离。锚杆受力后,外力通过无黏结拉筋直接传到锚固体根部压板,压板将拉力转变为压力,使锚固体压缩,再通过锚固段间不均匀压缩变形与土体发生摩擦,获得锚固力。

剪力型锚杆也是用油脂将钢绞线束与水泥浆固结体分离,再通过若干个剪力管将锚杆总拉力分散到不同部位,使得整个锚固体均匀受力并产生较均匀的变形,从而带动周围土体变形,调动更大范围内的土体强度。

除以上3 类外,近年来出现一种综合上述功效的锚索,被称之为无黏结、分散、压缩型锚索,其无黏结指锚索全长采用内涂黄油、外裹 PE 皮的钢绞线。锚固段为若干个分散布置的钢制内锚头,每个内锚头中心分别连结各自的钢绞线,几个内锚头相当于并联,锚索总拉力为所有内锚头锚固力之和。锚索受拉,外力通过无黏结钢绞线传到各自的内锚头后,转变为内锚头对浆结体的压缩,同时也使浆结体径向扩张,形成对围岩体的压力。因而固结体与围岩间不但有摩擦力,还存在着径向挤压,从而提高了锚索锚固力。又由于内锚头是分散布置的,对围岩的应力不集中叠加,便更大地发挥了基岩的强度。在基岩强度满足条件下,锚索总拉力就取决于内锚头个数与钢绞线根数,见图 4 -10。

对不同类型的锚索,在外力作用下,锚固体与土体间的应力分布及发展如图4-1所示。

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从图4-11 可看出,在外力作用下,摩擦型和压缩型锚杆都有明显的应力集中现象,在土体局部地段先后进入极限屈服状态,而其他段则没有发挥土体的潜在强度。分散剪 力型锚杆的应力分布较均匀,应力集中较小,使得与整个锚固段相结合的土体同时进入剪切屈服状态,故这种锚杆能较多地调用土体强度。分散压缩型锚索充分利用了岩土全段的抗压强度,这种分散型锚杆克服了摩擦型和压缩型锚杆应力集中的缺陷,从而获得了更大的锚固力。

通过在砂土中试验得到∶ 摩擦型锚杆的锚固段长度超过 10m 后,锚杆承载力的提高就不明显了,锚固长度的增加导致结合面上单位面积承载力的下降。

从锚杆的变形性能和承载力来看,在相同的土层和荷载条件下,压缩型锚杆的最大应变只有摩擦型锚杆的 2/3,剪力型锚杆的承载力要比摩擦型高 50% 。

从试验结果看,分散型锚索具有提高钻孔利用率、增加锚固力的特点,因此在一般岩十锚固中可提高效率、节约开支,在特殊工程中,可提供超强的锚固力。

四、锚杆的施工

施工前应调查核实工程现场情况、地层性状、地下水条件、地下埋设物、各类管线及现场周边的状况等,应详细地制订施工组织设计,确定施工方法,制定锚杆施工的质量保证体系,这对提高施工效率和取得良好的经济效益至关重要。

(一)钻孔的一般要求

(1)应根据岩土类型、钻孔规模、施工面条件、锚杆类型和钻进速度来选择合适的钻机。

(2)在钻孔过程,对锚固区段的岩土分层厚度进行验证。

(3)钻孔倾角以15°~35°为好,倾角大,钻孔困难,水平分力减小。深度应超过锚杆设计长度0.3~0.5m。锚杆钻孔的上覆地层厚度不应小于4m,水平和垂直间距一般不宜小于 1. 5m,以避免群锚效应而降低锚固力。

(4)如遇易塌孔地层,宜用跟管钻进法,孔钻达到深度,先进行清孔,将拉杆钢筋与灌浆管同时插入到钻孔底部,灌浆后再将套管拔出,若孔内失浆,应进行补浆。

(二)锚杆的制作

制作锚杆的钢筋最好采用 ④32 和 φ25 两种规格的精轧螺纹钢筋,屈服强度达 750MPa,这是制作极限拉力值小于 600kN 锚杆的理想材料,精轧螺纹钢筋可采用定型套箭连接。

一般采用两根钢筋组成锚杆,将所需长度的钢筋点焊成束,间隔 2~3m 点焊一点。为了使钢筋束能放置在钻孔的中心,在拉杆下部焊接支架,间距1.5~2.0m。为了避免插入钻孔时将泥土带入到孔底,可在钢筋束头部焊一圆形帽。

一般的热轧钢筋宜采用双面搭接焊,焊缝长度不应小于 8d(d 为钢筋直径)。

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锚杆验收合格的标准是锚杆的总弹性位移超过杆体自由段长度理论弹性伸长的 80%,且小于杆体自由段长度与 1/2 锚固体长度之和的理论弹性伸长。同时锚杆在最大试验荷载作用下,锚头位移要达到稳定状态。如果锚杆验收试验不合格,则要降级使用。

(四)锚杆的观测

用于一级基坑工程的锚杆应进行锚杆预应力变化的监测。监测锚杆应具有代表性,监测锚杆数量不应少于工程锚杆的2%,且不应少于3根。锚杆监测时间一般不少于6个月,张拉锁定后最初10 天应每天测定一次,11~30 天每3 天测定一次,再后每10 天测定一次,必要时(如开挖、降雨、下排锚杆张拉、出现突变征兆等)应加密监测次数。

监测结果应及时反馈给有关单位,必要时可采取重复张拉、适当放松或增加锚杆数量以确保基坑安全。