预应力锚杆与锚索支护技术课件.pptx

5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念（1 1）基本概念）基本概念预应力锚杆预应力锚杆就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线材作锚杆材料，并施加预应力，则被称为材作锚杆材料，并施加预应力，则被称为锚索锚索。预应力锚固预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称，是在预应是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称，是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动的预压的方向、大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力，从而达到加固或改善其受力条件的目的。应力，从而达到加固或改善其受力条件的目的。所谓所谓主动的预应力主动的预应力，就是在基岩或建筑物产生变形之前，就已在，就是在基岩或建筑物产生变形之前，就已在发挥作用的锚固力。发挥作用的锚固力。预应力锚固的预应力锚固的结构型式结构型式各异，但均由各异，但均由锚孔锚孔、锚束锚束两个部分两个部分组成组成。锚孔锚孔是设置锚束的钻孔，是设置锚束的钻孔，锚束锚束是施加预应力的主体。是施加预应力的主体。锚束锚束由锚头（又称外锚头）、锚束体（即锚束的自由段）及锚固段由锚头（又称外锚头）、锚束体（即锚束的自由段）及锚固段（又称锚根或内锚头（又称锚根或内锚头)等三个部分组成。等三个部分组成。锚固段锚固段是预应力锚索的根基，是锚固在锚孔底部的非张拉段；是预应力锚索的根基，是锚固在锚孔底部的非张拉段；锚头锚头位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分，属非张位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分，属非张拉段；拉段；自由段自由段是联接锚头与锚固段的部分，承受预应力张拉所施加的全部是联接锚头与锚固段的部分，承受预应力张拉所施加的全部荷载。荷载。第1页/共43页5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念（2 2）锚索技术的历史）锚索技术的历史最早是在最早是在20世纪世纪初期（初期（1918年）用于西里西安矿山。年）用于西里西安矿山。30年代年代（1934年）阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法年）阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法水坝。水坝。70年代年代，预应力锚固技术的应用已经相当普遍，有了专门，预应力锚固技术的应用已经相当普遍，有了专门的理论、设计方法和施工设备机具。的理论、设计方法和施工设备机具。应用范围应用范围：在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、地下洞：在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、地下洞室、坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为室、坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为一种常用的经济有效的手段，其理论与技术、工程规模都相对成一种常用的经济有效的手段，其理论与技术、工程规模都相对成熟。熟。我国我国起始于起始于20世纪世纪60年代，年代，70年代后被广泛推广应用。当前，随年代后被广泛推广应用。当前，随岩土工程规模的越来越大，国内的预应力锚固技术也达到了较高岩土工程规模的越来越大，国内的预应力锚固技术也达到了较高水平。水平。第2页/共43页5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念（3 3）预应力锚索的特点）预应力锚索的特点1）在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中，可增加边坡稳定，减少开挖工）在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中，可增加边坡稳定，减少开挖工程量，提前进洞，大大缩短开挖工期。程量，提前进洞，大大缩短开挖工期。2）在坝基、岸坡抗滑稳定加固中，可在不扰动基岩，不影响水库运行的）在坝基、岸坡抗滑稳定加固中，可在不扰动基岩，不影响水库运行的前提下，提供可靠的抗滑力。前提下，提供可靠的抗滑力。3）在大坝加高、加固中，可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电）在大坝加高、加固中，可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电站运行的情况下，达到加高、加固坝体，改善坝体应力的目的。站运行的情况下，达到加高、加固坝体，改善坝体应力的目的。4）可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷，可将过大的集中荷载分散到较大）可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷，可将过大的集中荷载分散到较大的范围内。的范围内。5）可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力）可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力坝还可以用预应力锚索代替部分混凝土压重，减少混凝土数量，改善坝坝还可以用预应力锚索代替部分混凝土压重，减少混凝土数量，改善坝体结构型式及施工条件，从而缩短工期、降低造价，使设计断面更加合体结构型式及施工条件，从而缩短工期、降低造价，使设计断面更加合理。理。6）在大型洞室的支护中，既可以改善洞室围岩的受力条件，又能加固洞）在大型洞室的支护中，既可以改善洞室围岩的受力条件，又能加固洞室、治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工，因此，在大型洞室喷室、治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工，因此，在大型洞室喷锚支护中占有越来越重要的位置。锚支护中占有越来越重要的位置。总之，预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优总之，预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优点，这些独特的优点，使其在国内外都得到广泛的应用。点，这些独特的优点，使其在国内外都得到广泛的应用。第3页/共43页5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构可根据锚索锚固部分的受力状态将预应力锚索分为：张拉型（拉力型）可根据锚索锚固部分的受力状态将预应力锚索分为：张拉型（拉力型）、压力型、载荷分散型等、压力型、载荷分散型等3类。类。（1）张拉型锚索）张拉型锚索张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式，张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式，即水泥浆液、水泥砂浆或树脂的即水泥浆液、水泥砂浆或树脂的粘结式锚固粘结式锚固与与机械式锚固机械式锚固。所谓所谓张拉型锚索张拉型锚索，就是锚索体所施，就是锚索体所施 加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂 固结体产生张拉力作用，从而对围固结体产生张拉力作用，从而对围 岩实施主动支护作用。岩实施主动支护作用。张拉型锚索根据张拉段是否粘结分张拉型锚索根据张拉段是否粘结分 为全长粘结式和自由式。但全长锚为全长粘结式和自由式。但全长锚 结是经过端头锚固、张拉和二次注结是经过端头锚固、张拉和二次注 浆的过程。浆的过程。张拉型锚索结构简单，造价低。张拉型锚索结构简单，造价低。1 2 3 4 5 6 7 8 锚头锚头 张拉段张拉段 锚固段锚固段图图5-1 张拉型锚索结构张拉型锚索结构1-1-锚具；锚具；2-2-垫墩；垫墩；3-3-面层结构；面层结构；4-4-油脂；油脂；5-5-套管；套管；6-6-锚索体；锚索体；7-7-注浆体；注浆体；8-8-对中架对中架第4页/共43页5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固，因此，容易张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固，因此，容易在自由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂在自由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂（剪裂缝一般在粘结段（剪裂缝一般在粘结段1m范围内出现，张拉裂缝会在范围内出现，张拉裂缝会在13m的范的范围出现），甚至会由此而导致整体锚索失效。围出现），甚至会由此而导致整体锚索失效。（2）压力型锚索）压力型锚索压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的区别区别，一方面压力型锚，一方面压力型锚索的拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预索的拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预应力，从而产生对围岩的约束作用；另一方面，压力型锚索的自应力，从而产生对围岩的约束作用；另一方面，压力型锚索的自由段套管一直沿伸到端部压板附近。由段套管一直沿伸到端部压板附近。由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和 抗剪性能好得多，且受力范围也更大，抗剪性能好得多，且受力范围也更大，因此压力型锚索的受力状况要比拉力型因此压力型锚索的受力状况要比拉力型 更好，工作更可靠。同时，这种结构可更好，工作更可靠。同时，这种结构可 以一次完成全部长度的灌浆工作。以一次完成全部长度的灌浆工作。1 2 3 4 5图图5-2 5-2 压力型锚索结构压力型锚索结构1-对中架，对中架，2-注浆体，注浆体，3-套管，套管，4-端部压板，端部压板，5-锚索体锚索体第5页/共43页5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构（3）载荷分散型锚索）载荷分散型锚索预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利，采用在锚预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利，采用在锚索孔长度上将锚索预应力分散，这样就形成了索孔长度上将锚索预应力分散，这样就形成了荷载分散型荷载分散型锚索结锚索结构。构。该法对裂隙发育或土质松软的地层非常有利，可避免固结体及岩该法对裂隙发育或土质松软的地层非常有利，可避免固结体及岩土体强度不足而造成的破裂，同时，可减小加固范围内的岩土体土体强度不足而造成的破裂，同时，可减小加固范围内的岩土体因受预应力作用而引起的不均匀变形。因受预应力作用而引起的不均匀变形。荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。拉力分散型拉力分散型锚索只是将几根长短不等的锚索体，采用和拉力型锚索锚索只是将几根长短不等的锚索体，采用和拉力型锚索的结构一样，锚固在锚孔中的不同长度位置上，使预应力分散作用的结构一样，锚固在锚孔中的不同长度位置上，使预应力分散作用于不同深度的岩土体上。于不同深度的岩土体上。压力分散型压力分散型锚索有相同的概念，将锚索的端部压板固定在长度不同锚索有相同的概念，将锚索的端部压板固定在长度不同的锚索体上，在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。的锚索体上，在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。剪力分散型剪力分散型锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结，然后锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结，然后固结在水泥砂浆或水泥浆中。固结在水泥砂浆或水泥浆中。拉压交叉分散型拉压交叉分散型锚索是在一根钢绞线的端部，做成拉力式锚固结构，锚索是在一根钢绞线的端部，做成拉力式锚固结构，而在其余部分设置套管，并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中而在其余部分设置套管，并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中长短不同的锚索体采用相同结构，形成拉压分散型结构。长短不同的锚索体采用相同结构，形成拉压分散型结构。第6页/共43页5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构（b）（a）（a）不同结构锚索长度上的应力分布是不不同结构锚索长度上的应力分布是不同的。其中同的。其中拉力式锚索拉力式锚索在受到预应力时在受到预应力时的应力集中最为不利；的应力集中最为不利；压力式锚索压力式锚索的最的最大载荷与其比值约为大载荷与其比值约为2/3，分散式锚索的，分散式锚索的内部载荷分布较之更有所改善。内部载荷分布较之更有所改善。第7页/共43页5.2.1 预应力锚索与普通锚杆的区别预应力锚索与普通锚杆的区别1）锚索要施加）锚索要施加高预应力高预应力，在全长范围内要区分锚固段和自由段。锚，在全长范围内要区分锚固段和自由段。锚固段是锚索受力的根基，同时也是能承受预应力的基本条件；自由固段是锚索受力的根基，同时也是能承受预应力的基本条件；自由段是预应力作用的工作段。段是预应力作用的工作段。2）锚索承受更大的）锚索承受更大的载荷载荷，锚索体通常采用高强高性能材料；对锚固，锚索体通常采用高强高性能材料；对锚固力的要求也高，一般锚固段较长，且通常是全长灌浆。力的要求也高，一般锚固段较长，且通常是全长灌浆。3）锚索加固工程一般规模相对较大，服务寿命也相对较长，因此要）锚索加固工程一般规模相对较大，服务寿命也相对较长，因此要求考虑锚索的求考虑锚索的防腐蚀防腐蚀问题。问题。4）为了向岩土体内传递比较高的载荷作用，在锚头部位一般设有专）为了向岩土体内传递比较高的载荷作用，在锚头部位一般设有专门的门的墩座墩座。5）为保证锚索或预应力锚杆在锚孔中受力合理，要使其在长度范围）为保证锚索或预应力锚杆在锚孔中受力合理，要使其在长度范围内能对中就位，因此在锚索上设有内能对中就位，因此在锚索上设有对中支架对中支架。6）由于锚索的施工规模相对较大，预应力和承载能力高，预应力施）由于锚索的施工规模相对较大，预应力和承载能力高，预应力施加要求严格，因此加要求严格，因此施工机具和施工质量施工机具和施工质量都要求有比较可靠的保证。都要求有比较可靠的保证。第8页/共43页5.2.2 索体材料与结构索体材料与结构（1）对索体材料一般要求）对索体材料一般要求 应根据材料自身特点、载荷大小和特性、加固规模、施工场地等应根据材料自身特点、载荷大小和特性、加固规模、施工场地等因素选择。常用的索体材料有高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝、因素选择。常用的索体材料有高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝、精轧螺纹钢筋和无粘结预应力筋等，要求具有强度高、柔性好、延伸精轧螺纹钢筋和无粘结预应力筋等，要求具有强度高、柔性好、延伸率低等特性。率低等特性。精轧螺纹钢筋精轧螺纹钢筋属刚性预应力锚杆，由属刚性预应力锚杆，由40Si2MnV或或45SiMnV高强度钢材高强度钢材制作，钢筋全长轧有完整的外螺纹，可用联接套管接长，端部用垫板和制作，钢筋全长轧有完整的外螺纹，可用联接套管接长，端部用垫板和螺母锁定，施工方便。一般在设计锚固力螺母锁定，施工方便。一般在设计锚固力600kN以下，杆长小于以下，杆长小于20m的的工程中使用。工程中使用。预应力锚索预应力锚索常用钢铰线的规格是常用钢铰线的规格是12.70mm和和15.24mm。高强预应力钢丝高强预应力钢丝一般在混凝土工程中应用较多，它是以优质高碳钢园盘一般在混凝土工程中应用较多，它是以优质高碳钢园盘条经等温淬火并拔制而成。条经等温淬火并拔制而成。无粘结预应力筋无粘结预应力筋由预应力钢绞线、防腐油脂涂料层和聚乙烯或聚丙烯外由预应力钢绞线、防腐油脂涂料层和聚乙烯或聚丙烯外包层组成，具有优异的防腐、抗震和锚固性能，适用于各种先张和后张包层组成，具有优异的防腐、抗震和锚固性能，适用于各种先张和后张锚固。锚固。锚索材料及其施工质量的好坏直接关系到锚索加固工程的质量、效果锚索材料及其施工质量的好坏直接关系到锚索加固工程的质量、效果和寿命。因此，锚索材料不仅要合理选择，而且从开始进场就应该有和寿命。因此，锚索材料不仅要合理选择，而且从开始进场就应该有严格的管理和验收制度，并确保合理维护和正确施工。严格的管理和验收制度，并确保合理维护和正确施工。第9页/共43页5.2.2 索体材料与结构索体材料与结构（2）常用索体材料性能参数）常用索体材料性能参数高强精轧螺纹钢筋的力学指标见表高强精轧螺纹钢筋的力学指标见表5-1；普通预应力钢绞线规格和力学指标参数见表普通预应力钢绞线规格和力学指标参数见表5-2；低松弛预应力钢铰线规格和力学指标参数见表低松弛预应力钢铰线规格和力学指标参数见表5-3；预应力钢丝规格和力学指标参数见表预应力钢丝规格和力学指标参数见表5-4和表和表5-5。表表5-3 低松弛预应力钢铰线技术参数低松弛预应力钢铰线技术参数级级别别公称直径公称直径（mm）允许误差允许误差（mm）截面积截面积（mm2）每理论重量每理论重量（kN/1000m）破断力破断力（kN）1%伸长最小伸长最小荷载（荷载（kN）伸长率伸长率（%）松弛值松弛值70802509.530.4151.6140589.080.13.52.53.511.110.4169.68548120.1108.13.52.53.512.700.4192.90730160.1144.13.52.53.515.240.41139.351094240.2216.23.52.53.52709.53+0.66，-0.1554.84432102.392.13.52.53.511.11+0.66，-0.1574.19582137.9124.13.52.53.512.70+0.66，-0.1598.71775183.7165.33.52.53.515.24+0.66，-0.15140.001102260.7234.63.52.53.5第10页/共43页5.2.2 索体材料与结构索体材料与结构（3）索体的制作）索体的制作钢绞线或钢筋钢绞线或钢筋的的制作内容制作内容主要是根据长度要求截断，然后在自由主要是根据长度要求截断，然后在自由段套上套管，并在其内注入油脂。如是用厂家提供的带套管钢绞段套上套管，并在其内注入油脂。如是用厂家提供的带套管钢绞线时，则要求在锚固段和锚头长度范围内剥除套管，以便于注浆线时，则要求在锚固段和锚头长度范围内剥除套管，以便于注浆固结。对锚固段需根据设计安装和固定好隔离支架，以形成串状固结。对锚固段需根据设计安装和固定好隔离支架，以形成串状糖葫芦结构，可有助于提高锚固强度和锚固力。在张拉段可设置糖葫芦结构，可有助于提高锚固强度和锚固力。在张拉段可设置对中支架，保证钢绞线沿全长在一条线上。对中支架，保证钢绞线沿全长在一条线上。高强钢丝高强钢丝的制作多一道编制的工序。即在下料后需要将设计的若的制作多一道编制的工序。即在下料后需要将设计的若干钢丝分别穿过带孔（槽）的金属板（隔离架）使其定位。然后干钢丝分别穿过带孔（槽）的金属板（隔离架）使其定位。然后每隔每隔1m左右用铁丝或束线环将钢丝绑扎固定在一起；在张拉段要左右用铁丝或束线环将钢丝绑扎固定在一起；在张拉段要设置对中支架，且要求绑扎在一起的钢丝长度应彼此一致，否则设置对中支架，且要求绑扎在一起的钢丝长度应彼此一致，否则会造成受力不均匀，从而降低整个锚索的支护效果。会造成受力不均匀，从而降低整个锚索的支护效果。第11页/共43页5.2.2 索体材料与结构索体材料与结构（4）张拉与锁定）张拉与锁定准备工作准备工作：为张拉需要，在垫墩和外锚头底面间留置千斤顶空间，：为张拉需要，在垫墩和外锚头底面间留置千斤顶空间，并用临时支座支撑。支撑外安置垫平钢板和注浆套管以及外锚头。并用临时支座支撑。支撑外安置垫平钢板和注浆套管以及外锚头。张拉与锁定工作张拉与锁定工作：应在孔内胶结材料和垫墩混凝土有足够强度以：应在孔内胶结材料和垫墩混凝土有足够强度以后再进行。因为张拉力一般为极限锚固力的后再进行。因为张拉力一般为极限锚固力的4070%，而混凝土中，而混凝土中加入早强剂以后可以在加入早强剂以后可以在10天左右达到天左右达到80%设计强度，因此，通常设计强度，因此，通常在注浆后在注浆后810天可以进行张拉。天可以进行张拉。正式张拉正式张拉前应先用前应先用1020%的张拉力进行两次预张拉。使锚索各部的张拉力进行两次预张拉。使锚索各部件紧密接触、杆体平直，消除隐蔽的变形量。件紧密接触、杆体平直，消除隐蔽的变形量。张拉应按规定张拉应按规定分级分级进行。荷载加到最终值时（进行。荷载加到最终值时（1.11.2倍的设计值）倍的设计值），保持规定时间间隔，压力无变化、位移不超量，方可锁定。，保持规定时间间隔，压力无变化、位移不超量，方可锁定。第12页/共43页5.2.3 其它构配件其它构配件（1）导向帽、隔离支架、束线环、对中架）导向帽、隔离支架、束线环、对中架导向帽导向帽用于钢绞线、高强钢丝锚索锚固端的顶部，将钢绞线或钢用于钢绞线、高强钢丝锚索锚固端的顶部，将钢绞线或钢丝与导向帽组合在一起并有一定刚度，可便于将锚索送入锚孔底丝与导向帽组合在一起并有一定刚度，可便于将锚索送入锚孔底部。一般采用钢板或钢管制作。部。一般采用钢板或钢管制作。隔离支架隔离支架用于钢绞线的相互分离，使钢绞线分布均匀，并有混凝用于钢绞线的相互分离，使钢绞线分布均匀，并有混凝土包裹。注意隔离支架不能影响注浆时浆液流通。土包裹。注意隔离支架不能影响注浆时浆液流通。束线环束线环配合隔离支架使用，用束线环将钢绞线束成环，可避免隔配合隔离支架使用，用束线环将钢绞线束成环，可避免隔离架和钢绞线的脱落。离架和钢绞线的脱落。对中架对中架用于锚索的张拉段，套在锚索上支撑在孔壁上使索体对中，用于锚索的张拉段，套在锚索上支撑在孔壁上使索体对中，并保证有一定浆液包裹。对中架应根据锚索自身的刚度来设置，并保证有一定浆液包裹。对中架应根据锚索自身的刚度来设置，一般间隔为一般间隔为13m。第13页/共43页5.2.3 其它构配件其它构配件（2）锚具）锚具包括夹具、锚锁等。预应力锚索采用的锚夹具以夹片式为主，常包括夹具、锚锁等。预应力锚索采用的锚夹具以夹片式为主，常用的锚具为用的锚具为OVM型、型、QM型、型、XM型等。因锚具规格要按钢绞线型等。因锚具规格要按钢绞线来选取，因此，在使用中应按所用钢绞线规格选取相应的锚具，来选取，因此，在使用中应按所用钢绞线规格选取相应的锚具，以保证锚具夹片与钢绞线之间有良好的匹配关系。以保证锚具夹片与钢绞线之间有良好的匹配关系。（3）混凝土垫墩）混凝土垫墩锚索头部一般有台座、承压板、紧固器组成。锚索头部一般有台座、承压板、紧固器组成。垫墩台座通常由钢筋混凝土或加钢板构成，台座放置承压板的表垫墩台座通常由钢筋混凝土或加钢板构成，台座放置承压板的表面应平整并与锚索（杆）垂直。承压板要求有足够的刚度。面应平整并与锚索（杆）垂直。承压板要求有足够的刚度。因此，垫墩混凝土强度等级一般在因此，垫墩混凝土强度等级一般在C30以上，混凝土垫墩的最小以上，混凝土垫墩的最小厚度不少于厚度不少于10cm，垫墩表层钢垫板厚度不少于，垫墩表层钢垫板厚度不少于25mm。锚索张拉和锁定前后应用油脂充填锚孔垫板上下部位（锚孔与防锚索张拉和锁定前后应用油脂充填锚孔垫板上下部位（锚孔与防护帽的空隙），以起防止钢绞线等金属材料的锈蚀作用。护帽的空隙），以起防止钢绞线等金属材料的锈蚀作用。第14页/共43页5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式锚索作用的基本原理及其破坏形式（1）预应力锚索作用的基本原理）预应力锚索作用的基本原理预应力锚索的基本作用原理和其它预应力构件一样，是通过对锚预应力锚索的基本作用原理和其它预应力构件一样，是通过对锚索体的张拉，形成对周围材料的压力作用以提高岩土体抗破坏能索体的张拉，形成对周围材料的压力作用以提高岩土体抗破坏能力；同时，当岩土体有可能出现拉应力时被这部分压力作用所抵力；同时，当岩土体有可能出现拉应力时被这部分压力作用所抵消，可以减少岩土体内的拉应力。因此，岩土体处于预应力作用消，可以减少岩土体内的拉应力。因此，岩土体处于预应力作用状态将大大提高岩土体的强度值。状态将大大提高岩土体的强度值。预应力锚索和普通锚杆支护的主要区别：预应力锚索支护与加固预应力锚索和普通锚杆支护的主要区别：预应力锚索支护与加固的是一种真正意义上的主动作用，它靠预应力提供的高抗滑动阻的是一种真正意义上的主动作用，它靠预应力提供的高抗滑动阻力以实现岩土体的稳定；而普通锚杆支护主要是由岩土体变形而力以实现岩土体的稳定；而普通锚杆支护主要是由岩土体变形而被动地引起锚杆的约束作用实现岩土体稳定。因此，预应力锚索被动地引起锚杆的约束作用实现岩土体稳定。因此，预应力锚索支护性能明显优于普通锚杆支护。支护性能明显优于普通锚杆支护。预应力锚索支护的基本原理还是通过锚索使岩土体发挥出更高的预应力锚索支护的基本原理还是通过锚索使岩土体发挥出更高的承载能力，因此锚索也是一种通过岩土内部来实现加固岩土体的承载能力，因此锚索也是一种通过岩土内部来实现加固岩土体的手段。岩土体自身的强度和性态还是决定于锚索支护与加固功能手段。岩土体自身的强度和性态还是决定于锚索支护与加固功能的根本因素，性质恶劣的地层就难以实现锚索支护或不能取得较的根本因素，性质恶劣的地层就难以实现锚索支护或不能取得较好的效果。好的效果。第15页/共43页5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式锚索作用的基本原理及其破坏形式（2）预应力锚索的破坏形式）预应力锚索的破坏形式预应力锚索的破坏形式主要有下列几种：预应力锚索的破坏形式主要有下列几种：1）锚索体与注浆固结体之间的剪切或拉伸破坏。）锚索体与注浆固结体之间的剪切或拉伸破坏。2）注浆固结体与岩土界面之间的剪切破坏。）注浆固结体与岩土界面之间的剪切破坏。3）地层在预应力或地层载荷作用下的剪切破坏。）地层在预应力或地层载荷作用下的剪切破坏。4）索体材料的断裂破坏。索体断裂情况比较复杂。大致可能分为）索体材料的断裂破坏。索体断裂情况比较复杂。大致可能分为两种情况，一种是锚索材料强度不足造成的；另一种可能是预应两种情况，一种是锚索材料强度不足造成的；另一种可能是预应力过高造成的。力过高造成的。5）固结浆体在锚索的拉力或压力作用下破坏。）固结浆体在锚索的拉力或压力作用下破坏。6）岩土体的整体破坏。）岩土体的整体破坏。由此可见，锚索支护在设计中要考虑的因素比较多，同时，锚索由此可见，锚索支护在设计中要考虑的因素比较多，同时，锚索支护设计过程还是一个比较复杂的问题。由于目前地层压力问题支护设计过程还是一个比较复杂的问题。由于目前地层压力问题等没有很好解决，因此，进行锚索支护还不能象地面预应力结构等没有很好解决，因此，进行锚索支护还不能象地面预应力结构那样，有一个比较可靠的理论依据和明确的设计方法。那样，有一个比较可靠的理论依据和明确的设计方法。第16页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计（1）锚索设计的基本内容）锚索设计的基本内容锚索设计的基本内容有：锚固力大小和预应力值、固结长度和锚锚索设计的基本内容有：锚固力大小和预应力值、固结长度和锚索整体长度（锚固深度与锚索自由段长度）、索体材料的确定及索整体长度（锚固深度与锚索自由段长度）、索体材料的确定及其构成和相应的截面积、锚头设计等。其构成和相应的截面积、锚头设计等。（2）锚固力大小设计）锚固力大小设计要求锚索具有的锚固力大小可以由要求锚索具有的锚固力大小可以由两种方法两种方法来确定：一种是类似来确定：一种是类似土钉的设计方法，根据地层滑动的最小稳定性系数，比较所需要土钉的设计方法，根据地层滑动的最小稳定性系数，比较所需要的稳定性系数，通过锚索的锚固力来实现地层稳定并满足设计要的稳定性系数，通过锚索的锚固力来实现地层稳定并满足设计要求所需要的稳定性系数。另外一种是采用工程类比法确定。根据求所需要的稳定性系数。另外一种是采用工程类比法确定。根据稳定需要的锚固力，可称工作锚固力（稳定需要的锚固力，可称工作锚固力（）。）。实际设计锚索其他尺寸时，都需要考虑实际设计锚索其他尺寸时，都需要考虑安全系数安全系数（）。所以通）。所以通常用（常用（）来计算锚索的各部分尺寸参数。）来计算锚索的各部分尺寸参数。第17页/共43页表表5-6 安全系数表安全系数表分分 类类安全系数安全系数锚索体锚索体注浆体与注浆体与地层界面地层界面注浆体与锚索注浆体与锚索体或套管体或套管锥体破坏锥体破坏 服务年限小于服务年限小于6个月，破坏后个月，破坏后不会产生严重后果，且不会增不会产生严重后果，且不会增加公共安全危害加公共安全危害1.42.02.02.0 服务年限小于服务年限小于2年，破坏后尽年，破坏后尽管会产生严重，但没有事先预管会产生严重，但没有事先预报也产生公共安全危害报也产生公共安全危害1.62.5*2.53.0 永久锚索、高腐蚀地层的锚索、永久锚索、高腐蚀地层的锚索、破坏后果相当严重的锚索破坏后果相当严重的锚索2.03.0*3.04.0*：有现场试验结果可以取：有现场试验结果可以取2.0；*：在粘性土中应取：在粘性土中应取4.0第18页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计（3）锚固段长度设计）锚固段长度设计 锚固结构不同，其锚固段长度设计也不同。可以分为以下几种：锚固结构不同，其锚固段长度设计也不同。可以分为以下几种：1）完整岩体或硬质粘土层，采用低压力（）完整岩体或硬质粘土层，采用低压力（2MPa）注浆造成浆液固结部位形成劈裂注浆形成树根状固）注浆造成浆液固结部位形成劈裂注浆形成树根状固结结目前这类计算公式更不成熟，主要通过试验确定。目前这类计算公式更不成熟，主要通过试验确定。部分资料表明：当注浆压力小于部分资料表明：当注浆压力小于3MPa前，固结段强度随注浆压力前，固结段强度随注浆压力线性上升；线性上升；3MPa以后，注浆压力就几乎没有影响。以后，注浆压力就几乎没有影响。对中到高塑性粘土注浆压力达对中到高塑性粘土注浆压力达3MPa，其粘结强度为，其粘结强度为300350kN/m2。4）在锚固段采用一系列哑铃状扩孔法钻孔的注浆锚索）在锚固段采用一系列哑铃状扩孔法钻孔的注浆锚索扩孔后的直径约为钻孔直径的扩孔后的直径约为钻孔直径的24倍，因此其锚固力取决于周边的倍，因此其锚固力取决于周边的剪切力和端部的抗拔力。这类方法要求扩孔时钻孔不出现塌孔现剪切力和端部的抗拔力。这类方法要求扩孔时钻孔不出现塌孔现象，适用于不排水强度象，适用于不排水强度 大于大于90kPa的粘性土。的粘性土。锚固段长度可以按下式计算：锚固段长度可以按下式计算：由公式可以看出，这类锚索的粘结强度由三部分组成，即直线钻由公式可以看出，这类锚索的粘结强度由三部分组成，即直线钻孔段周边抗剪强度（分子中的后一项）、端部作用承载能力（中孔段周边抗剪强度（分子中的后一项）、端部作用承载能力（中间项）、以及浆液粘结强度。间项）、以及浆液粘结强度。第21页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计5）锚索体与注浆固结体界面强度计算）锚索体与注浆固结体界面强度计算沿锚固体长度上的剪应力分布是不均匀的。菲里普斯将拉力型锚沿锚固体长度上的剪应力分布是不均匀的。菲里普斯将拉力型锚索应力分布表示成指数形式。从拉力作用点开始计的剪应力为：索应力分布表示成指数形式。从拉力作用点开始计的剪应力为：对应力沿长度积分，有对应力沿长度积分，有因为计算不方便，设计时就采用均匀分布的假设，即因为计算不方便，设计时就采用均匀分布的假设，即极限剪应力和固结体的抗剪强度与其抗压强度有关。要求固结体极限剪应力和固结体的抗剪强度与其抗压强度有关。要求固结体的强度不小于的强度不小于30MPa。第22页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计6）锚固段长度设计的一般要求）锚固段长度设计的一般要求要将要将4）、）、5）两种锚固长度的计算结果进行比较，并取其大值。）两种锚固长度的计算结果进行比较，并取其大值。对于硬岩石一般是后者控制，对于软弱地层则常是前者控制。对于硬岩石一般是后者控制，对于软弱地层则常是前者控制。在硬岩石中，锚固力小于在硬岩石中，锚固力小于200kN时，锚固长度不宜小于时，锚固长度不宜小于2m；锚固力大于锚固力大于200kN时，不宜小于时，不宜小于3m。因为过小，可靠性太低。因为过小，可靠性太低。在土中锚固，最短也不应小于在土中锚固，最短也不应小于3m，但最长也不宜超过，但最长也不宜超过10m。试验表明，长度超过临界值对锚固力并没有显著影响。一般最试验表明，长度超过临界值对锚固力并没有显著影响。一般最佳长度为佳长度为67m。第23页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计（4）锚固段的深度（自由段长度）锚固段的深度（自由段长度）1）概述）概述锚索锚固在岩土体内部一定深度，浅部是张拉的自由段。因此，锚固段锚索锚固在岩土体内部一定深度，浅部是张拉的自由段。因此，锚固段深度（深度（h）基本上就是自由段（）基本上就是自由段（l）的长度，也是锚索控制岩土体的（深）的长度，也是锚索控制岩土体的（深度）范围。度）范围。锚索在岩土中的总长为固结段与自由段长度之锚索在岩土中的总长为固结段与自由段长度之 和，即和，即预应力锚杆或锚索既有锚杆和土钉的作用，又有预应力锚杆或锚索既有锚杆和土钉的作用，又有 较高的预应力作用。因此，考虑预应力锚杆或锚较高的预应力作用。因此，考虑预应力锚杆或锚 索的锚固深度，既要考虑加固范围，又要考虑在索的锚固深度，既要考虑加固范围，又要考虑在 高预应力下，锚杆或锚索作用范围的岩土体不被高预应力下，锚杆或锚索作用范围的岩土体不被 拔出，即岩土体不发生剪应力破坏。拔出，即岩土体不发生剪应力破坏。岩土体在预应力拉拔作用下将呈喇叭斗式破坏。岩土体在预应力拉拔作用下将呈喇叭斗式破坏。此喇叭斗的锥角从固结段中点开始；根据岩土性此喇叭斗的锥角从固结段中点开始；根据岩土性 质不同，角度约在质不同，角度约在6090之间。之间。h 3045 L/2 L图图5-8 预应力作用的破坏锥预应力作用的破坏锥第24页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计2）在岩石中的锚固段深度）在岩石中的锚固段深度均质岩体单根锚索的锚固段深度：均质岩体单根锚索的锚固段深度：均质岩体锚索群的锚固段深度：均质岩体锚索群的锚固段深度：断裂岩体单根锚索的锚固段深度：断裂岩体单根锚索的锚固段深度：断裂岩体锚索群的锚固段深度：断裂岩体锚索群的锚固段深度：如果有地下水，则式中容重应改为浮容重，即如果有地下水，则式中容重应改为浮容重，即第25页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计3）非粘性土中的锚固段深度）非粘性土中的锚固段深度干燥砂土干燥砂土:锚索间距锚索间距 其它情况其它情况饱和砂土饱和砂土另当锚索处于水平状态时，可用上式进行简化；而当锚索处于垂另当锚索处于水平状态时，可用上式进行简化；而当锚索处于垂直状态时，可用另外的计算公式。直状态时，可用另外的计算公式。第26页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计4）粘性土）粘性土单根锚索或单根锚索或 的锚索群的锚索群锚索群，且锚索群，且5）结构要求）结构要求锚索的的锚固段深度不应小于锚索的的锚固段深度不应小于5m。第27页/共43页 5.3.2 锚索设计锚索设计（5）锚索的截面尺寸）锚索的截面尺寸v以锚索截面面积为设计参数，即以锚索截面面积为设计参数，即（6）锚索间排距）锚索间排距锚索单独使用时，可根据岩土体荷载大小，计算锚索的布置；群体锚索锚索单独使用时，可根据岩土体荷载大小，计算锚索的布置；群体锚索中的单根锚索作用要较单独的锚索效果低。因此，群体锚索设计的锚固中的单根锚索作用要较单独的锚索效果低。因此，群体锚索设计的锚固力要考虑对单根锚索的锚固作用的折减。力要考虑对单根锚索的锚固作用的折减。根据经验，锚索间排距应大于根据经验，锚索间排距应大于4倍锚孔直径，或大于倍锚孔直径，或大于1.5m。由于锚索经。由于锚索经常与锚杆或土钉联合使用，此时锚索设计要根据荷载分摊的原则进行。常与锚杆或土钉联合使用，此时锚索设计要根据荷载分摊的原则进行。且因为锚固段预应力荷载相对较大，如锚索周围有受力结构物，则应相且因为锚固段预应力荷载相对较大，如锚索周围有受力结构物，则应相距距5m以上。以上。（7）张拉预应力设计）张拉预应力设计预应力锚索的张拉预应力大小需根据锚索材料的极限强度确定。预应力锚索的张拉预应力大小需根据锚索材料的极限强度确定。临时锚索：不超过锚索材料强度的临时锚索：不超过锚索材料强度的65%；永久锚索：一般不超过永久锚索：一般不超过60%，地下工程一般为，地下工程一般为4060%。第28页/共43页 5.4.1 预应力锚索施工程序预应力锚索施工程序预应力锚索施工的基本程序包括：预应力锚索施工的基本程序包括：造孔、编束、锚索安装、注浆固结、张拉、锚头固结和防护等。造孔、编束、锚索安装、注浆固结、张拉、锚头固结和防护等。第29页/共43页 5.4.1 预应力锚索施工程序预应力锚索施工程序（1）造孔）造孔预应力锚索可以用于岩石或土层中的加固，介质的性质有较大的预应力锚索可以用于岩石或土层中的加固，介质的性质有较大的差异。因此钻孔前应根据加固工程所处岩土层的不同性质，选择差异。因此钻孔前应根据加固工程所处岩土层的不同性质，选择合适的钻机。合适的钻机。在岩石中，应优先选用在岩石中，应优先选用潜孔冲击式钻机潜孔冲击式钻机，比较经济有效。，比较经济有效。在破碎岩层，可以使用