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抗拔锚杆、抗拔锚索的形式以及对应的计算方法

315 2020-09-24 17:36:49



本文主要介绍抗拔锚杆(索)形式及其设计方法。先说一下比较重要的关键词:土层锚杆岩石锚杆扩大头锚杆拉力型锚杆压力型锚杆拉力分散型锚杆压力分散型锚杆预应力锚杆(索)锚杆筋体类型锚杆布置方式树根桩复合地基抗拔锚杆逆作法锚杆承载力计算方法群锚效应计算方法锚杆抗拔试验等。


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抗拔锚杆(索)形式

 

锚杆按锚固段岩土体的不同,分为土层锚杆和岩石锚杆。

      

图1-1 等截面型土层锚杆        图1-2 扩体型土层锚杆


图1-3 岩石锚杆


等截面型土层锚杆锚固段长度宜取6~12m,锚杆最小直径为130mm。岩石锚杆锚固段长度宜取3~8m


扩体型土层锚杆扩大头最小埋深不应小于7m(当扩大头锚固段埋置深度比较浅时,破坏体近似呈倒钟形并延伸至地表面,这种破坏模型具有突发性,破坏后果严重),扩大头长度宜取2~6m,锚固段总长度(含扩大头长度)宜为6~10m,普通锚固段长度宜为1~4m。锚杆间距应符合下列规定:①水平间距不应小于1.8m,竖向间距不应小于3m(竖向间距限制应用于基坑支护工程);②扩大头的水平净距不应小于扩大头直径的1倍,且不应小于1.0m,竖向净距不应小于扩大头直径的2倍;③当间距较小时,应加大锚杆长度、加大扩大头埋深,并将扩大头合理错开布置。


在地下水的作用下,长锚杆的注浆非常困难,很难保证其注浆质量,此外长锚杆在受荷时,注浆体与地层界面上的黏结应力分布是极不均匀的,沿锚固段全长的粘结应力一般呈现分布区间短、粘结应力峰值高的特点,导致锚固段周边岩土体的抗剪强度不能被充分发挥。一般认为锚杆长度尽可能不大于15~18m(若岩土单位有信心保证锚杆施工质量及顺利通过锚杆抗拔试验,锚杆长度原则上是不限制的)。


因此当岩层埋置深度较大时,阿扯建议采用锚杆长度合理的土层锚杆。但是等截面型土层锚杆所提供的抗拔承载力非常有限,当水浮力较大时,锚杆间距较密,锚杆数量较多,群锚效应明显,进而导致锚杆抗拔承载力进一步降低。此时无论从锚杆受力机理方面还是造价成本方面,等截面型土层锚杆均不是较优方案,这时扩体型土层锚杆是相对较优的选择(下文所提扩大头锚杆均指扩体型土层锚杆)。


扩大头锚杆受力机理分为三个阶段:第一阶段为摩擦型阶段,在此阶段,其主要受力为锚固段的侧摩阻力;第二阶段为摩擦端承型阶段,此阶段最明显的特征是其曲线上出现一个“端压拐点”,以“端压拐点”为界,由摩擦型向摩擦端承型转变;第三阶段为塑性区发展阶段,其主要特征为锚杆周围的土体不断地被压密和强化,导致扩大头处的端压力不断增大,从而提高了扩大头锚杆的锚固力。


扩大头锚杆的抗拔承载力分为三部分,一部分是等直径锚固段与土体的侧摩阻力,另一部分是扩大头锚固段与土体的侧摩阻力,第三部分是土体作用于扩大头截面的端阻力,属于摩擦端承型锚杆。 

图1-4 扩大头锚杆受力机理


在等锚杆长度及地质条件一致的情况下,对比等截面型土层锚杆与扩体型土层锚杆的抗拔承载力特征值的差异(锚杆承载力计算方法详下文,此处仅以计算表格方式展示计算结果)。

 

图1-5 等截面型土层锚杆抗拔承载力特征值计算表格

(锚杆直径180mm,锚杆长度13m

 

 图1-6 扩体型土层锚杆抗拔承载力特征值计算表格

(锚杆普通段直径180mm,长度7m

(扩大头段直径600mm,长度6m


由上述计算结果可知在一定条件下,扩体型土层锚杆抗拔承载力特征值是等截面型土层锚杆的3倍多从造价成本上,锚杆数量可减少2/3,但锚杆单价上等截面型土层锚杆仅比扩体型土层锚杆低30~50元/m(考虑等截面型土层锚杆筋体采用HRB500,扩体型土层锚杆采用PSB1080或钢绞线),所以无论从造价成本上还是施工工期上,扩体型土层锚杆均较等截面型土层锚杆优出不少


锚杆按是否施工预应力,分为预应力锚杆(索)和非预应力锚杆。由于阿扯资历尚浅,目前为止还未参与过预应力锚杆(索)设计,实力不允许太多预应力锚杆(索)那点事(由于后张拉节点极易形成漏水点,预应力锚杆相对较少应用于地下室抗浮设计)。

预应力锚杆(索)的张拉锁定工艺要点:①张拉锁定宜在锚固体强度大于30MPa、底板混凝土达设计强度80%后进行;②钢绞线预应力张拉分为单股预紧和张提分级张拉2个阶段。锚索正式张拉前,应取10%~20%的设计张拉荷载,对其预张拉1~2次,使钢绞线完全平直,且个部分紧密接触。对于分散型锚索,因各单元锚索长度不同,张拉必须严格按照要求分次序分单元,采用差异张拉。整体张拉共分5级,即设计荷载的25%50%75%90%100%110%。在张拉到最后一级荷载时,持荷稳定20min后可卸荷锁定。锚索锁定后48h内,如有明显的预应力损失现象,则应及时进行补偿张拉。当保持最大总荷载20min,且20min内锚索的徐变位移值不大于1mm时,则认为锚索合格,否则需再稳定45min。锚索合格后,以20kN/min匀速卸载至设计荷载锁定。


锚杆按锚固段灌浆体受力的不同,分为拉力型锚杆、压力型锚杆、拉力分散型锚杆和压力分散型锚杆。


拉力型锚杆:通过筋体与锚固段注浆体的黏结力来传递荷载,其注浆体与岩土层的剪应力分布十分不均匀,锚固段前端存在严重的剪应力集中现象,从而易导致注浆体拉裂,防腐性能较差。

           

图1-7 拉力型锚杆大样图      图1-8 拉力型锚杆结构原理

 

压力型锚杆:锚杆受力时,拉力直接由筋体传至锚固段末端的承载体,通过承载体对注浆体施加压应力,此时注浆体为受压状态,不易开裂,此外压力型锚杆注浆体受压后,径向体积膨胀,加大了法向压力,从而提高了压力型锚杆与岩层间摩阻力。但压力分散型锚杆仍然在其锚固段末端存在着应力集中现象。

        

图1-9 压力型锚杆大样图    图1-10 压力型锚杆结构原理

 

拉力分散型锚杆:拉力分散型锚杆一般采用无粘结的预应力钢绞线,其荷载传递机理是将处在锚固段不同部位处的钢绞线按一定的顺序逐步剥除其表面的防护套管,使其变成有粘结段,从而将拉力荷载逐段分散地传递至锚固段注浆体。在荷载被分散传递的情况下,拉力分散型锚杆锚固段的应力分布相对更加均匀,但由于其注浆体的拉应力状态没有改变,故其受力形式并非最佳选择。

      

图1-11 拉力分散型锚杆大样图

图1-12 拉力分散型锚杆结构原理

 

压力分散型锚杆:压力分散型锚杆的荷载传递机理与压力分散型锚杆类似,不同之处在于压力分散型锚杆的锚固段内设置多个承载体,使筋体传递来的拉力能够分散地作用在各个承载体上,保证锚固段注浆体处于受压状态,且应力分布更加均匀。

         

图1-13 压力分散型锚杆大样图

图1-14 压力分散型锚杆结构原理

 

拉力型锚杆目前主要应用于抗拔承载力较低的土层锚杆中。当锚杆抗拔承载力较高(筋体应力水平较高)时,阿扯建议采用压力分散型锚杆,目前压力分散型锚杆应用较为广泛(锚杆筋体主要采用精轧螺纹钢或钢绞线)。拉力分散型锚杆及压力型锚杆则较少应用于地下室抗浮设计中。


锚杆按筋体类型的不同,分为热轧带肋钢筋(HRB400、HRB500精轧螺纹钢(PSB930PSB1080钢绞线(1720级、1860级、1960级)


锚杆筋体类型的选取应结合锚杆抗拔承载力水平及成本造价。当锚杆抗拔承载力水平较低时,可采用热轧带肋钢筋(HRB400、HRB500);当锚杆抗拔承载力水平较高时,则采用精轧螺纹钢(PSB930PSB1080)及钢绞线(1720级、1860级、1960级)。以阿扯以往项目经验,锚杆抗拔承载力特征值≤200kN时,锚杆筋体可采用HRB500;锚杆抗拔承载力特征值介于200~600kN时,可采用精轧螺纹钢PSB930PSB1080(直径最大40mm),当直径40mmPSB1080都无法满足锚杆抗拔承载力时,则采用钢绞线(1720级、1860级、1960级)


锚杆布置方式主要分为跨中均匀布置式柱下集中布置式

图1-15 跨中均匀布置式     图1-16 柱下集中布置式

 

柱下集中布置式的锚杆数量可较跨中均匀布置式少(若设计人员愿意花多点心思去优化调整跨中均匀布置式的锚杆,这两种锚杆布置方式的锚杆数量差异不大)。但是锚杆按跨中均匀布置式设计时,锚杆成为底板跨中的弹簧支座,水浮力作用下,可有效减小底板跨中弯矩,底板土建成本绝大部分情况下可较柱下集中布置式低。


当考虑锚杆的抗压承载力时,柱下集中布置式底板土建成本可较跨中均匀布置式低。此时锚杆相当于树根桩(微型桩),起到地基处理的作用。下面举一计算例子说明树根桩复合地基。


假设地下车库层数为3层,柱底轴力标准值为4000kN,持力层为粉土(Fak=120kPa)。当采用锚杆跨中均匀布置式时,基础形式则为筏板+柱墩基础,假若底板内力由竖向荷载作用下的地基反力控制,则此时即使跨中锚杆布置再多都无法减小底板土建成本;但当采用锚杆柱下集中布置式时,考虑锚杆的抗压承载力(树根桩复合地基承载力计算如下图),复合地基承载力特征值Fak=260kPa,可采用柱下独立基础,此时极有可能柱下集中布置式底板土建成本较跨中均匀布置式低。


图1-17 树根桩复合地基计算表格


下面谈一谈一种地下室抗浮设计中比较新鲜的抗拔锚杆施工工艺(前一段时间偶然看到的一篇论文中提及的抗拔锚杆施工工艺)——抗拔锚杆逆作法


在地下室抗浮方案的优选上,虽然从土建造价成本上抗拔锚杆方案优于抗拔桩方案,但是由于抗拔桩可于地面与基坑支护等同时施工,抗拔桩方案施工周期短于抗拔锚杆方案。对于视施工工期于金钱的业主会优先考虑抗拔桩方案。以上所说的抗拔锚杆方案是顺作法工艺,对于抗拔锚杆逆作法,无论是从土建造价成本还是施工工期都优于抗拔桩方案。以简单介绍一下预应力锚索顺作法工艺及逆作法工艺,方便伙伴们了解这种做法。

 

预应力锚索顺作法工艺:混凝土垫层→定位→钻孔→锚索制作→清孔→安放锚索→一次常规注浆→二次压力注浆→施工底板结构(施工时预留锚索张拉口)→(底板及锚索锚固体)养护→预应力张拉、锁定→预留洞及锚头封堵(预应力张拉、锁定及预留洞及锚头封堵可与地下室楼层施工同时进行)。


预应力锚索逆作法工艺:混凝土垫层→施工底板结构(施工时预留锚索张拉口)→钻孔→锚索制作→注替浆→安放锚索→养护→张拉、锁定→补灌浆→微膨胀混凝土封堵锚头。抗浮锚索与地下室楼层施工同时进行,节省施工工期。由于锚杆施工在地下室结构及回填土完成后进行,周边场地的地下水汇入施工作业面引起锚杆注浆困难,因此在水量较大的区域,利用个别锚杆预留孔降水后施工大部分的锚杆,最后堵漏处理的方式予以施工降水的锚杆。

图1-18 底板预留孔做法大样


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抗拔锚杆(索)设计计算方法

 

通过抗拔锚杆破坏形式来讲一讲抗拔锚杆(索)设计计算方法(《岩土锚杆(索)技术规程》《抗浮锚杆技术规程》《全国民用建筑工程设计技术措施-结构(地基与基础)》《地基基础勘察设计规范(深圳市标准)》《高压喷射扩大头锚杆技术规程》)。


抗拔锚杆破坏形式:①锚杆沿岩土体接触面拔出;②锚杆筋体被拉断;③筋体沿其注浆体接触面拔出;④锚杆与周边岩土体呈倒锥体形破坏


为避免锚杆沿岩土体接触面拔出,等截面型土层锚杆、扩体型土层锚杆及岩石锚杆应分别根据以下公式进行锚杆抗拔承载力特征值计算。

公式2-1 等截面型土层锚杆抗拔承载力特征值

《全国民用建筑工程设计技术措施-结构(地基与基础)》

 

表7.2.2-2 抗拔系数λ

 

公式2-2 扩体型土层锚杆抗拔承载力特征值

《高压喷射扩大头锚杆技术规程》

  

表4.1.1 锚杆安全系数

 

表4.6.3 注浆体与土层间的极限摩阻强度标准值


公式2-3 岩石锚杆抗拔承载力特征值

《岩土锚杆(索)技术规程》

 

表7.3.1 岩石锚杆锚固体抗拔安全系数K

 

表7.5.1-1 岩石与水泥砂浆或水泥结石体的粘结强度标准值

 

表7.5.1-2 土层与水泥砂浆或水泥结石体的粘结强度标准值

 

表7.5.2 锚固长度对粘结强度的影响系数ψ

 

为避免锚杆筋体被拉断,根据以下公式进行锚杆筋体截面积计算。


公式2-4 锚杆筋体截面积

《地基基础勘察设计规范(深圳市标准)》

 

对永久性抗拔锚杆应考虑抗腐蚀要求,杆体截面直径加大5~10mm,实际取比计算杆体直径加大一个等级。


为避免筋体沿其注浆体接触面拔出,根据以下公式进行锚杆锚固长度验算(对于全长粘结型锚杆,基本不起控制作用)。


公式2-5 锚杆锚固长度验算

《岩土锚杆(索)技术规程》

 

表7.5.1-3 钢筋、钢绞线与水泥砂浆或水泥结石体的粘结强度标准值

 

为避免锚杆与周边岩土体呈倒锥体形破坏,根据以下公式进行群锚效应验算


公式2-6 群锚效应验算

《抗浮锚杆技术规程》


图2-1 群锚效应验算简图


规范中群锚效应验算公式均未考虑锚固体破裂面与岩土体的摩阻力,阿扯认为饱和土体抗剪强度丧失严重,可保守不考虑锚固体破裂面与土体的摩阻力,此公式适用于土层锚杆。但是对于岩石锚杆,则过于保守。举例子对比岩石锚杆群锚效应验算时考虑岩石抗剪强度与不考虑岩石抗剪强度的区别。

 

图2-2 考虑岩石抗剪强度的群锚效应验算结果(安全系数为13.41


图2-3 不考虑岩石抗剪强度的群锚效应验算结果(安全系数为1.04


由以上计算结果表明,岩石抗剪强度往往对于岩石锚杆的群锚效应验算起控制性作用


以上这么多抗拔锚杆承载力设计计算方法,这仅仅只是估算,最终还是得以锚杆抗拔试验结果为准。下面简述一下锚杆抗拔试验。


验收试验的锚杆数量不得少于锚杆总数的5%,且不得少于3根。对有特殊要求的工程,可按设计要求增加验收锚杆的数量。永久性等截面型土层锚杆及岩石锚杆最大试验荷载应取锚杆抗拔承载力特征值的2倍。永久性扩体型土层锚杆最大试验荷载可取锚杆抗拔承载力特征值的1.5倍(《高压喷射扩大头锚杆技术规程》)。