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岩土研究院

锚杆设计与施工注意事项

394 2021-03-16 10:53:34


锚杆(anchor)是指由杆体(钢绞线、普通钢筋、热处理钢筋或钢管)、注浆形成的固结体、锚具、套管、连接器所组成的一端与支护结构构件连接,另一端锚固在稳定岩土体内的受拉杆件。杆体采用钢绞线时,亦可称为锚索。其作用原理是利用锚固段与土体的摩阻力,对支挡结构产生作用,改变其受力模式,减少支挡结构的内力和变形并使之保持稳定。锚拉式结构锚杆示意见图 5.20。


锚杆有多种类型,从锚杆杆体材料上讲,钢绞线锚杆杆体为预应力钢绞线,具有强度高、性能好、运输安装方便等优点,由于其抗拉强度设计值是普通热轧钢筋的 4 倍左右,是性价比最好的杆体材料,同时,预应力钢绞线锚杆在张拉锁定的可操作性、施加预应力的稳定性方面均优于普通钢筋。因此,预应力钢绞线锚杆应用最多、也最有发展前景。


随着锚杆技术的发展,钢绞线锚杆又可细分为多种类型,最常用的是拉力型预应力锚杆,还有拉力分散型锚杆、压力型预应力锚杆、压力分散型锚杆,压力型锚杆还可实现钢绞线回收技术,适应愈来愈引起人们关注的环境保护的要求。


在应用锚杆时,对于易塌孔的松散或稍密的砂土、碎石土、粉土层,高液性指数的饱和黏性土层,高水压力的各类土层中,钢绞线锚杆、普通钢筋锚杆宜采用套管护壁成孔工艺;锚杆注浆宜采用二次压力注浆工艺,锚杆锚固段不宜设置在淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土及松散填土层内。在复杂地质条件下,应通过现场试验确定锚杆的适用性。


锚杆设计应在对工程地质条件和周边环境充分调查的基础上进行,以确保其适用并且不会对周边建筑物基础以及地下管线沟造成损坏。锚杆的设计是在进行锚杆水平布置和竖向布置以及选定锚孔直径和倾角的基础上,采用平面杆系结构弹性支点法计算出来的弹性支点水平反力 F,对锚杆长度、杆体、腰梁、张拉锁定、注浆以及承压板和锚具等内容进行设计。


1、锚杆布置


当基坑开挖深度较浅,基坑土体工程性质较好,周边环境保护要求不高时,一般在竖向设置一排锚杆就能满足强度、变形和稳定性要求,相反的情况,可能需要在竖向设置两排甚至多排锚杆。当锚杆间距太小时,会引起锚杆周围的高应力区叠加,从而影响锚杆抗拔力和增加锚杆位移,即产生"群锚效应"。


为避免群锚效应,锚杆的水平间距不宜小于 1.5m;多层锚杆竖向间距不宜小于 2.0m; 当锚杆的间距小于1.5m 时,应根据群锚效应对锚杆抗拔承载力进行折减或相邻锚杆应取不同的倾角。根据有关参考资料,当土层锚杆间距为1.0m 时,考虑群锚效应的锚杆抗拔力折减系数可取 0.8,大于1.5m时折减系数取1.0,间距在1.0~1.5m之间时,折减系数可在 0.8~1.0 之间内插确定。


锚杆是通过锚固段与土体之间的接触应力产生作用,如果锚固段上覆土层厚度太薄,则两者之间的接触应力也小,锚杆与土的粘结强度会较低。并且,当锚杆采用二次高压注浆时,上覆土层需要有一定厚度才能保证在较高注浆压力作用下,浆液不会从地表溢出或流入地下管线内。为此,为了使锚杆与周围土层有足够的接触应力,锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4.0m。


2、锚孔直径和倾角


对钢绞线锚杆、普通钢筋锚杆,锚杆成孔直径一般要求取 100~150mm。


理论上讲,锚杆水平倾角越小,锚杆拉力的水平分力所占比例越大,从受力上分析是有利的。但是锚杆水平倾角太小,又会降低浆液向锚杆周围土层内渗透,影响注浆效果。锚杆水平倾角越大,锚杆拉力的水平分力所占比例越小,锚杆拉力的有效部分减小或需要更长的锚杆长度,也就越不经济。同时锚杆的竖向分力较大,对锚头连接要求更高并增大挡土构件向下变形的趋势。为此,锚杆倾角不宜太小也不宜过大,一般取 15°~25°,且不应大于45°,不应小于 10°,同时应按尽量使锚杆锚固段进入黏结强度较高土层的原则确定锚杆倾角。


当锚杆穿过的地层上方存在天然地基的建筑物或地下构筑物时,锚杆成孔造成的地基变形可能使其发生沉降甚至损坏,因此,设置锚杆须避开易塌孔、变形的地层或采用套管护壁成孔工艺。


3、锚杆长度


锚杆杆体长度包括锚杆自由段、锚固段及外露长度。

(1)自由段长度

锚杆自由段长度是锚杆杆体不受注浆固结体约束可自由伸长的部分,也就是杆体用套管与注浆固结体隔离的部分。在设计时钢绞线、钢筋杆体在自由段应设置隔离套管,或采用止浆塞,阻止注浆浆液与自由端杆体固结。

锚杆的自由段长度越长,预应力损失就会越小,锚杆拉力对锚头位移也就越不敏感,锚杆拉力越稳定。自由段长度过小,锚杆张拉锁定后的弹性伸长较小,锚具变形、预应力筋回缩等因素引起的预应力损失较大,同时,受支护结构位移的影响也越敏感,锚杆拉力会随支护结构位移有较大幅度增加,严重时锚杆会因杆体应力超过其强度发生脆性破坏。因此,锚杆的自由段应达到一定长度。一般认为,锚杆自由段不应小于5.0m,且穿过潜在滑动面进入稳定土层的长度不应小于 1.5m。


潜在滑动面的确定采用极限平衡理论,锚杆的自由段长度可按下式计算(图5.21)∶

钢筋混凝土腰梁的混凝土强度等级不宜低于 C25,剖面形状应采用斜面与锚杆轴线垂直的梯形截面。考虑到混凝土浇筑、振捣的施工尺寸要求,梯形截面的上边水平尺寸不宜小于250mm,见图 5.22(a)。


钢筋混凝土腰梁一般是整体现浇,梁的长度较长,应按连续梁设计,其正截面受弯和斜截面受剪承载力计算,应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》BG 50010 的规定。


(2)型钢组合腰梁

型钢组合腰梁可选用双槽钢或双工字钢,槽钢之间或工字钢之间应用缀板焊接为整体构件,能增加腰梁的整体稳定性,保证双型钢共同受力。型钢之间的连接应采用贴角焊焊接。双槽钢或双工字钢之间的净间距应满足锚杆杆体平直穿过的要求。


组合型钢腰梁需在现场安装拼接,每节一般按简支梁设计,焊接形成的腰梁较长时,可按连续梁设计。其正截面受弯和斜截面受剪承载力计算,应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017 的规定。


根据工程经验,槽钢的规格常在 18~36 之间选用,工字钢的规格常在 I16~132之间选用。具体工程锚杆腰梁取多大的规格与锚杆的设计拉力和锚杆间距有关,锚杆的设计拉力或锚杆间距越大,内力越大,腰梁型钢的规格也就会越大,具体选用应根据计算的腰梁内力按照截面承载力要求确定。


对于组合型钢腰梁,锚杆拉力通过锚具、垫板以集中力的形式作用在型钢上。当垫板刚度不够大时,在较大的局部压力作用下,型钢腹板会出现局部失稳,型钢翼缘会出现局部弯曲,从而导致腰梁失效,进而引起整个支护结构的破坏。因此,设计需考虑腰梁的局部受压稳定性。加强型钢腰梁的受扭承载力及局部受压稳定性有多种措施和方法,如∶可在型钢翼缘端口、锚杆锚具位置处配置加劲肋(图5.23),肋板厚度不小于8mm。

钢绞线用锚具应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T 14370的规定。