地下结构4.ppt

3.5 土层锚杆土层锚杆 概述：概述：土层锚杆是在土层锚杆是在岩石锚杆岩石锚杆基础上发展起来的，在基础上发展起来的，在50年代前年代前岩石锚杆就在隧道衬砌结构中应用。岩石锚杆就在隧道衬砌结构中应用。1958年德国一个公司年德国一个公司首先在深基坑开挖中用于挡土墙支护，锚杆进入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非粘性土层。土层锚杆土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中，通常对其施加预应力，以筑物相连，另一端锚固在土层中，通常对其施加预应力，以承受由土压力、水压力或活荷载产生的拉力，它利用地层的承受由土压力、水压力或活荷载产生的拉力，它利用地层的锚固力维护构筑物的稳定。锚固力维护构筑物的稳定。使用锚杆技术的优点：使用锚杆技术的优点：1）用锚杆代替内支撑，它设置在维护墙背后，因而在）用锚杆代替内支撑，它设置在维护墙背后，因而在基坑内有较大的空间，有利于挖土施工。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）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。种地形及场地所选用。3）锚杆的设计拉力可由抗拔力试验来获得，因此可保）锚杆的设计拉力可由抗拔力试验来获得，因此可保证设计有足够的安全度。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。）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较小。）施工时的噪声和振动均较小。我国最早用于地铁工程，我国最早用于地铁工程，80年代初用于高层建筑深基年代初用于高层建筑深基坑支护，一般压力灌浆较多，也有二次灌浆及压力坑支护，一般压力灌浆较多，也有二次灌浆及压力灌浆的，锚筋从粗钢筋发展到钢绞线，从一层锚杆灌浆的，锚筋从粗钢筋发展到钢绞线，从一层锚杆到深基坑四层锚杆，已制定了行业规范。目前土层到深基坑四层锚杆，已制定了行业规范。目前土层锚杆的应用已较普遍，并且都为锚杆的应用已较普遍，并且都为预应力锚杆预应力锚杆。我国最早用于地铁工程，我国最早用于地铁工程，20世纪世纪80年年代初开始用于高层建筑深基坑支护。在天然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、高强钢丝为灌浆锚杆。受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝和钢绞线等不同类型，锚杆层数从一层发展和钢绞线等不同类型，锚杆层数从一层发展到深坑中的四层锚杆。到深坑中的四层锚杆。锚杆在土木工程中的应用：锚杆在土木工程中的应用：锚杆的构造和类型：锚杆的构造和类型：1 构造：构造：锚杆支护体系由锚杆支护体系由挡土结构物挡土结构物与与土层锚杆系统土层锚杆系统两部分两部分组成。挡土结构物包括地下连续墙、灌注桩、挖孔组成。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状等。灌浆土层锚杆系统由桩及各种类型的板状等。灌浆土层锚杆系统由锚拉锚拉杆、锚固体、锚头杆、锚固体、锚头等部分组成。等部分组成。锚头的作用锚头的作用：将锚拉杆与挡土结构物连接起来，使墙体所受荷将锚拉杆与挡土结构物连接起来，使墙体所受荷载可靠地传递到拉杆上去。锚头有螺母锚头和锚具锚头两种。载可靠地传递到拉杆上去。锚头有螺母锚头和锚具锚头两种。锚拉杆的作用锚拉杆的作用：将来自锚杆头部的荷载传递给锚固体。拉杆是将来自锚杆头部的荷载传递给锚固体。拉杆是锚杆的主要受力构件。从锚杆头部至锚固体尾端的全长即是锚杆的主要受力构件。从锚杆头部至锚固体尾端的全长即是拉杆的长度。根据主动滑动面，可将拉杆的全长分为自由段拉杆的长度。根据主动滑动面，可将拉杆的全长分为自由段（非锚固段）和锚固段两部分。（非锚固段）和锚固段两部分。锚固体的作用：锚固体的作用：拉杆底端部分在压力下灌有水泥砂浆的圆柱形拉杆底端部分在压力下灌有水泥砂浆的圆柱形锚体。通过锚固体和土体之间的摩擦力作用，将力传至地层。锚体。通过锚固体和土体之间的摩擦力作用，将力传至地层。锚固体能否保证挡土结构物的强度和稳定性要求是锚固技术锚固体能否保证挡土结构物的强度和稳定性要求是锚固技术成败的关键。成败的关键。锚杆的构造和类型：锚杆的构造和类型：2 类型：类型：锚杆按锚固段的形式有锚杆按锚固段的形式有圆柱形圆柱形、扩大段部型扩大段部型及及连续连续球型球型。对于拉力不高，临时性挡土结构结构可采用。对于拉力不高，临时性挡土结构结构可采用圆柱形锚固体；锚固于砂质土、硬粘土层并要求较圆柱形锚固体；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，可采用固于淤泥质土层并要求较高承载力的锚杆，可采用连续球型锚固体。连续球型锚固体。管缝锚杆玻璃钢锚杆玻璃钢锚杆3.5.1 抗拔受力机理抗拔受力机理 土层锚杆根据主动滑动面分为锚固段和自由段。土层锚杆根据主动滑动面分为锚固段和自由段。如图如图3-24所示，从图中可知，锚杆受力时，在拉力所示，从图中可知，锚杆受力时，在拉力作用下，受力状态如图作用下，受力状态如图3-25所示。首先，拉力通过所示。首先，拉力通过拉杆（钢筋或钢绞线）与锚固段内水泥砂浆锚固体拉杆（钢筋或钢绞线）与锚固段内水泥砂浆锚固体间的握裹力传递给锚固体，然后锚固体通过与土层间的握裹力传递给锚固体，然后锚固体通过与土层孔壁间摩阻力（也称土体与锚固体间的粘结力）而孔壁间摩阻力（也称土体与锚固体间的粘结力）而传递到整个锚固的土层中。传递到整个锚固的土层中。很显然，土层锚杆的承很显然，土层锚杆的承载力与受拉杆件的强度、拉杆与锚固体之间的握裹载力与受拉杆件的强度、拉杆与锚固体之间的握裹力、锚固体和孔壁间摩阻力等因素有关力、锚固体和孔壁间摩阻力等因素有关。为使锚杆保持良好的抗拔能力，应同时满足下列为使锚杆保持良好的抗拔能力，应同时满足下列条件：条件：（1）锚筋（拉杆）本身具有足够的截面面积以承受拉）锚筋（拉杆）本身具有足够的截面面积以承受拉力。力。（2）水泥砂浆锚固体对于锚筋的握裹力需能承受极限）水泥砂浆锚固体对于锚筋的握裹力需能承受极限拉力；拉力；（3）锚固段土层对于锚固体的摩阻力需能承受极限拉锚固段土层对于锚固体的摩阻力需能承受极限拉力；力；（4）锚固的土体在最不利的条件下应能保持整体稳定）锚固的土体在最不利的条件下应能保持整体稳定性。性。试验和实践证明：试验和实践证明：单根锚杆的承载能力，除锚筋必须具有足够的单根锚杆的承载能力，除锚筋必须具有足够的截面面积以承受极限拉力以外，对于锚杆于截面面积以承受极限拉力以外，对于锚杆于岩层岩层中中的锚杆，其抗拔力取决于的锚杆，其抗拔力取决于砂浆与锚筋间的握裹力砂浆与锚筋间的握裹力；对于锚杆于对于锚杆于土层土层中的锚杆，其抗拔力取决于中的锚杆，其抗拔力取决于锚固体锚固体与土层之间的极限摩阻力与土层之间的极限摩阻力。1 设计步骤设计步骤（1）确定基坑支护方案，根据基坑开挖深度和土的参）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。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。）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。）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。）计算锚杆锚固段长度。（5）计算锚杆自由段长度。）计算锚杆自由段长度。（6）计算桩、墙与锚杆的整体稳定。）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。）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。）计算锚杆腰梁断面尺寸。（9）绘制锚杆施工图。）绘制锚杆施工图。3.5.2 锚杆的设计锚杆的设计2 锚杆布置锚杆布置 包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。（1）锚杆的层数）锚杆的层数 锚杆层数取决于支护结构的截面和其所承受的荷载，锚杆层数取决于支护结构的截面和其所承受的荷载，并要考虑开挖后未施工锚杆时支护结构所能承受的最大并要考虑开挖后未施工锚杆时支护结构所能承受的最大弯矩。为了不致引起坑壁周围土体隆起，最上层锚杆的弯矩。为了不致引起坑壁周围土体隆起，最上层锚杆的上面要有足够的覆土厚度，该厚度要通过计算确定，使上面要有足够的覆土厚度，该厚度要通过计算确定，使锚杆的向上垂直分力小于上覆土体的重量，一般不宜小锚杆的向上垂直分力小于上覆土体的重量，一般不宜小于于4m。此外，在可能产生流砂的地区施工锚杆，在布置。此外，在可能产生流砂的地区施工锚杆，在布置锚杆时，要使锚头标高与砂层有一定距离，以防渗透路锚杆时，要使锚头标高与砂层有一定距离，以防渗透路径过短造成流砂从钻孔涌出。径过短造成流砂从钻孔涌出。2 锚杆布置锚杆布置 包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。（2）锚杆的间距）锚杆的间距 锚杆的水平间距取决于支护结构承受的荷载和每锚杆的水平间距取决于支护结构承受的荷载和每根锚杆所能承受的拉力根锚杆所能承受的拉力.在支护结构荷载一定情况下，在支护结构荷载一定情况下，水平间距越大，每根锚杆所承受的拉力越大。另外，水平间距越大，每根锚杆所承受的拉力越大。另外，锚杆的水平间距过小，还会互相影响，降低单根锚杆锚杆的水平间距过小，还会互相影响，降低单根锚杆的承载能力，即所谓的群锚效应。一般认为锚杆的水的承载能力，即所谓的群锚效应。一般认为锚杆的水平间距不宜小于平间距不宜小于2.0m，竖向间距不宜小于，竖向间距不宜小于2.5m。2 锚杆布置锚杆布置 包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。包括确定锚杆层数，锚杆的间距和锚杆的倾角。（3）锚杆的倾角）锚杆的倾角 倾角不同，锚杆在水平和竖直方向的分力大小不同，而且倾角不同，锚杆在水平和竖直方向的分力大小不同，而且倾角的大小影响锚杆锚固段与非锚固段的划分。在锚杆的分力倾角的大小影响锚杆锚固段与非锚固段的划分。在锚杆的分力中，水平分力是有效分力，垂直分力不但无效，而且还增加支中，水平分力是有效分力，垂直分力不但无效，而且还增加支护结构底部的压力，当支护结构底部土质不好时很不利。因此护结构底部的压力，当支护结构底部土质不好时很不利。因此从这点出发倾角是越小越好。但是在确定锚杆倾角时要从多个从这点出发倾角是越小越好。但是在确定锚杆倾角时要从多个方面进行考虑，首先要考虑到土层情况，锚杆的锚固体最好位方面进行考虑，首先要考虑到土层情况，锚杆的锚固体最好位于土质较好的土层以提供锚杆的承载能力；其次锚杆还要避开于土质较好的土层以提供锚杆的承载能力；其次锚杆还要避开邻近的构筑物和管线等，而且锚杆最好不与原有的或设计中的邻近的构筑物和管线等，而且锚杆最好不与原有的或设计中的锚杆相交叉；此外，锚杆的倾角还影响到钻孔和灌浆过程是否锚杆相交叉；此外，锚杆的倾角还影响到钻孔和灌浆过程是否方便。因此根据经验，一般不宜小于方便。因此根据经验，一般不宜小于13，但不得大于，但不得大于45。3 锚杆抗拔安全验算锚杆抗拔安全验算锚杆承载力计算应符合下式规定：锚杆承载力计算应符合下式规定：锚杆轴向受拉承载力设计值锚杆轴向受拉承载力设计值 的确定的确定 n（1）安全等级为一级及）安全等级为一级及缺乏地区经验缺乏地区经验的二级基的二级基坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项系数可取系数可取1.3。n（2）基坑侧壁安全等级为二级且）基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经有邻近工程经验验时时，按式，按式3-22计算并进行锚杆验收试验。基计算并进行锚杆验收试验。基坑侧壁安全等级为三级时，可按式坑侧壁安全等级为三级时，可按式3-22确定锚确定锚杆轴向拉力承载力设计值。杆轴向拉力承载力设计值。公式（公式（3-22）n（3）对于塑性指数大于）对于塑性指数大于17的粘性土层中的锚的粘性土层中的锚杆应进行杆应进行蠕变试验蠕变试验。n（4）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的受拉承载力设计值的0.500.65倍倍。4 锚固段长度计算锚固段长度计算注意：注意：锚固段长度不宜小于锚固段长度不宜小于4m圆柱型水泥压浆锚杆的锚固段长度可按下式确定：圆柱型水泥压浆锚杆的锚固段长度可按下式确定：5 自由段长度计算自由段长度计算注意：注意：不宜小于不宜小于5m，对，对于倾斜锚杆，自由段长于倾斜锚杆，自由段长度应超过潜在破裂面度应超过潜在破裂面1.0m.6 锚杆整体稳定性计算锚杆整体稳定性计算（1）整体破坏模式）整体破坏模式 锚杆抗拔力虽已有安全系数，但是挡土桩，墙，锚杆抗拔力虽已有安全系数，但是挡土桩，墙，锚杆，土体组成的结构，有可能出现整体破坏。锚杆，土体组成的结构，有可能出现整体破坏。一种一种是从桩脚向外推移，整个体系沿着一条假定的滑缝下是从桩脚向外推移，整个体系沿着一条假定的滑缝下滑；滑；另一种另一种是桩，墙，锚杆的共同作用超过土的安全是桩，墙，锚杆的共同作用超过土的安全范围，因而从桩脚处剪力面开始向墙拉结的方向形成范围，因而从桩脚处剪力面开始向墙拉结的方向形成一条深层滑缝，造成倾覆。一条深层滑缝，造成倾覆。（2）稳定性验算）稳定性验算 方法：德国学者克兰茨方法。方法：德国学者克兰茨方法。（1）普通钢筋截面面积按式）普通钢筋截面面积按式3-20计算计算 7 锚杆杆体的截面面积计算锚杆杆体的截面面积计算（2）预应力钢筋截面面积按式）预应力钢筋截面面积按式3-21计算计算 8 腰梁的设计腰梁的设计 腰梁是传力结构，将锚头的轴拉力传到桩腰梁是传力结构，将锚头的轴拉力传到桩上，分成水平力和垂直力。腰梁设计要充分考上，分成水平力和垂直力。腰梁设计要充分考虑支护结构特点、材料、锚杆倾角、锚杆的垂虑支护结构特点、材料、锚杆倾角、锚杆的垂直分力以及结构形式。当垂直分力较小时用直分力以及结构形式。当垂直分力较小时用直直梁式腰梁梁式腰梁，倾角较大垂直分力大时可以用，倾角较大垂直分力大时可以用斜梁斜梁式腰梁式腰梁。钻孔钻孔 插放钢筋或钢绞线插放钢筋或钢绞线 锚锚杆施工灌浆杆施工灌浆养护养护安装锚头、预安装锚头、预应力张拉应力张拉 挖土挖土 施工工艺施工工艺上海某地基坑挖土深度 7.8 m（自然地面算起），地质情况如图 3-26，采用 650 800钻孔灌注桩加双层锚杆支护。支护桩压顶梁顶在自然地面下 1 m，第一排锚杆设在地面下 2 m处，水平中距 1 600 mm，第二排锚杆设在地面下 5 m 处，水平中距 1 600 mm，与第一排锚杆上下错开。地面超载为条形荷载 20 kN/m2，宽 4 m，距支护桩外侧 2 m。例题例题 3 3 排桩加双层锚杆支护计算实例排桩加双层锚杆支护计算实例解：挖土和锚杆施工程序为：第一阶段挖土深2.5m第一排锚杆施工第二阶段挖土深6m第三阶段挖土至坑底做垫层。计算分三步进行。第一步，挖土深6m时，计算第一排锚杆拉力和支护桩最大弯矩；第二步，挖土至坑底深度时，计算第二排锚杆拉力和支护桩最大弯矩及桩长；第三步，计算每排锚杆长度。图3-261.挖土深6m时，第一排锚杆拉力和支护桩最大弯矩计算，土压力计算见表3-4，土压力分布见图3-27。图3-272.挖土深7.8m时第二层锚杆拉力和排桩最大弯矩以桩长计算。此时土压力计算见表3-5，土压力分布见图3-26。（1）第二排锚杆受力设土压力零点D在坑底下深度y处，则在图3-26中D点以上土压力对D点的力矩MD=9.085.8（5.8/2+2.3）+61.965.8/2（5.8/3+2.3)+38.282.322/3=1064kNm/m105.4（2.7+x）=45.722.7/2（2.7/3+x）+（374.11-171.94)/6.2x3/32+171.94x2/2