地质灾害防治培训班教材-锚固结构设计.ppt

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1、地质灾害防治培训班教材-锚固结构设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3.4.1.1 3.4.1.1 锚固的基本概念锚固的基本概念（1 1）岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达）岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达到有效的调用和提高岩土的自身强度和自稳能力到有效的调用和提高岩土的自身强度和自稳能力的技术。这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的技术。这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用就是锚固。的作用就是锚固。（2 2）锚固工程：应用数学、力学和

2、工程材料等科）锚固工程：应用数学、力学和工程材料等科学知识来解决岩土工程中的锚固计算、设计、施学知识来解决岩土工程中的锚固计算、设计、施工和监测等方面的技术和工艺就称为锚固工程。工和监测等方面的技术和工艺就称为锚固工程。3.4.1 3.4.1 概概 述述3.4.1.2 3.4.1.2 岩土锚固的特点岩土锚固的特点1.调用岩土自身的强度，达到提高其自稳能力的目的。2.岩土体成为工程结构的一部分。3.大大减轻了加固结构物的自重，节约工程材料。4.主动防治措施，效果明显。众所周知，岩土锚固技术是当前众所周知，岩土锚固技术是当前岩土岩土岩土岩土工程领域的一个重要分枝工程领域的一个重要分枝工程领域的一个

3、重要分枝工程领域的一个重要分枝。由于这项技术。由于这项技术能够主动调用并提高岩土的自身强度和自能够主动调用并提高岩土的自身强度和自稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而显著的经济效益和社会效益，因而世界各世界各世界各世界各国都在大力开发这门技术。国都在大力开发这门技术。国都在大力开发这门技术。国都在大力开发这门技术。3.4.1.3 3.4.1.3 岩土锚固技术的发展岩土锚固技术的发展 国际上的发展国际上的发展 自自19111911（19121912）年美国首次

4、采用岩石锚杆）年美国首次采用岩石锚杆支护矿山苍道起，锚固技术便迅速发展支护矿山苍道起，锚固技术便迅速发展 1918 1918年西利西安矿山开采使用锚索支护。年西利西安矿山开采使用锚索支护。1934 1934年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆用预应力锚杆(索索)。1957 1957年德国年德国BauerBauer公司在深基坑中使用土层公司在深基坑中使用土层锚杆。锚杆。据不完全统计，据不完全统计，国外国外各类岩石锚杆已达各类岩石锚杆已达600600余种，锚杆年使用量达余种，锚杆年使用量达2 25 5亿根。亿根。3.4.1.3 3.4.1.3 岩土锚固技术的

5、发展岩土锚固技术的发展 国际上的发展国际上的发展 理论研究：理论研究：理论研究：理论研究：悬吊理论的提出（悬吊理论的提出（19521952，Louis PanekLouis Panek）合成梁作用理论（合成梁作用理论（JacobioJacobio）拱形压缩带作用理论拱形压缩带作用理论(1955(1955，Rabcewicz;Rabcewicz;Lang Lang 等人发展等人发展)。3.4.1.3 3.4.1.3 岩土锚固技术的发展岩土锚固技术的发展 我国使用岩石锚杆起始于上世纪我国使用岩石锚杆起始于上世纪5050年代后期（矿年代后期（矿山），到山），到6060年代末，锚固技术（砂浆锚杆）已在

6、我国年代末，锚固技术（砂浆锚杆）已在我国的矿山、水电、铁路、土木建筑等系统内广为采用。的矿山、水电、铁路、土木建筑等系统内广为采用。1964 1964年，使用中出现偏斜和裂缝的梅山水库右岸坝年，使用中出现偏斜和裂缝的梅山水库右岸坝基加固采用了预应力锚索。基加固采用了预应力锚索。1969 1969年，海军某库大跨度地下工程采用锚杆加固高年，海军某库大跨度地下工程采用锚杆加固高4040mm的岩墙，比原计划的钢筋混凝土边墙支护节约投资的岩墙，比原计划的钢筋混凝土边墙支护节约投资250250万元，并缩短了工期。万元，并缩短了工期。上世纪上世纪7070年代，北京国际信托大厦等基坑工程采年代，北京国际信托

7、大厦等基坑工程采用土层锚杆支护。用土层锚杆支护。近一、二十年来近一、二十年来近一、二十年来近一、二十年来，我国的交通、能源和民用建筑，我国的交通、能源和民用建筑迅速发展，锚固技术得到了更广泛的应用和进一步的迅速发展，锚固技术得到了更广泛的应用和进一步的发展。发展。国内的发展国内的发展 民用建筑方面民用建筑方面民用建筑方面民用建筑方面：北京天府饭店、京城大厦，上海太平洋：北京天府饭店、京城大厦，上海太平洋饭店，成都四川宾馆、龙舟大厦等一大批深基坑工程相继大饭店，成都四川宾馆、龙舟大厦等一大批深基坑工程相继大规模采用预应力锚杆。规模采用预应力锚杆。水电方面水电方面水电方面水电方面：镜泊湖水电站，葛

8、州坝水电站，洪门水电站，：镜泊湖水电站，葛州坝水电站，洪门水电站，天生桥二级工程，漫湾电站天生桥二级工程，漫湾电站(云南云南)，李家峡电站、黄河小浪，李家峡电站、黄河小浪底水电站等水电工程中都分别对坝基、坝体、闸室、导流洞、底水电站等水电工程中都分别对坝基、坝体、闸室、导流洞、左岸边坡、坝肩边坡等有隐患的部位进行了预应力锚索加固。左岸边坡、坝肩边坡等有隐患的部位进行了预应力锚索加固。有效地提高了这些水工结构物的长期稳定性和安全保证。至有效地提高了这些水工结构物的长期稳定性和安全保证。至于系统锚杆、锚索加固，则几乎无一电站不采用。目前正在于系统锚杆、锚索加固，则几乎无一电站不采用。目前正在施工的

9、三峡工程，其设计锚固工程量非常大，仅就船闸高边施工的三峡工程，其设计锚固工程量非常大，仅就船闸高边坡而言，大量使用锚杆、锚索加固工程的造价将达数亿元。坡而言，大量使用锚杆、锚索加固工程的造价将达数亿元。隧道方面隧道方面隧道方面隧道方面：上世纪：上世纪8080年代以来，我国已经在极端复杂的年代以来，我国已经在极端复杂的工程地质条件下建成了一大批隧道与地下工程，其软弱、松工程地质条件下建成了一大批隧道与地下工程，其软弱、松散的洞室围岩均采用了各种型式的锚杆散的洞室围岩均采用了各种型式的锚杆(索索)技术进行了有效技术进行了有效的加固，数有代表性的有大秦线军都山双线铁路隧道工程，的加固，数有代表性的有

10、大秦线军都山双线铁路隧道工程，金川镍矿山巷峒工程，张家洼铁矿山巷峒工程，舒兰煤矿山金川镍矿山巷峒工程，张家洼铁矿山巷峒工程，舒兰煤矿山巷峒工程等。巷峒工程等。地质灾害防治地质灾害防治地质灾害防治地质灾害防治：我国越来越多地采用锚固：我国越来越多地采用锚固技术加固和整治滑坡、变形体和危岩，最具代技术加固和整治滑坡、变形体和危岩，最具代表性的当数长江三峡链子崖危岩体锚索加固工表性的当数长江三峡链子崖危岩体锚索加固工程。在该工程中，仅程。在该工程中，仅“五万方五万方”危岩体的加固，危岩体的加固，就需就需10001000KNKN、2000KN2000KN和和30003000KNKN预应力锚索约预应力锚

11、索约200200根。根。锚固机理及相应的设计计算方法锚固机理及相应的设计计算方法 锚杆材料及类型方面锚杆材料及类型方面 锚固施工机具方面：砂浆锚杆钻装机（马锚固施工机具方面：砂浆锚杆钻装机（马鞍山矿山研究院）、自进式缝管锚杆安装机鞍山矿山研究院）、自进式缝管锚杆安装机（冶金部建筑研究总院）、全液压多功能钻机（冶金部建筑研究总院）、全液压多功能钻机（广西柳州建筑机械总厂、原地矿部机械电子（广西柳州建筑机械总厂、原地矿部机械电子研究所）研究所）3.4.1.4 3.4.1.4 锚固技术在边坡工程中的应用锚固技术在边坡工程中的应用二滩水电站边坡锚固工程二滩水电站边坡锚固工程长江三峡链子崖危岩锚固工程长

12、江三峡链子崖危岩锚固工程3.4.1.5 3.4.1.5 锚杆的分类锚杆的分类 目前，在我国和全世界范围内，适用于不同目前，在我国和全世界范围内，适用于不同的地质条件，具有不同功能和用途的锚杆有数百的地质条件，具有不同功能和用途的锚杆有数百种。锚杆分类方法按不同分类原则和分类标志也种。锚杆分类方法按不同分类原则和分类标志也有很多种。现在介绍一些主要的分类：有很多种。现在介绍一些主要的分类：1.1.按应用对象分按应用对象分 岩石锚杆岩石锚杆 土层锚杆土层锚杆 (海洋锚杆海洋锚杆)2.2.按是否预先施加应力分为按是否预先施加应力分为 预应力锚杆预应力锚杆 （主动式锚杆）（主动式锚杆）非预应力锚杆非预

13、应力锚杆 （被动式锚杆）（被动式锚杆）3.3.按锚固机理分为按锚固机理分为：粘结式锚杆：水泥砂浆锚杆和树脂锚杆水泥砂浆锚杆和树脂锚杆 摩擦式(机械式)锚杆：管缝式锚杆和水胀式管管缝式锚杆和水胀式管状锚杆、胀壳式锚杆和楔缝式锚杆状锚杆、胀壳式锚杆和楔缝式锚杆4.4.按锚杆杆体材料分为按锚杆杆体材料分为：金属锚杆金属锚杆 木锚杆木锚杆 竹锚杆竹锚杆 钢筋混凝土锚杆钢筋混凝土锚杆5.5.按锚固体形态分为按锚固体形态分为：圆柱型锚杆圆柱型锚杆 端部扩大型锚杆端部扩大型锚杆 连续球体型锚杆连续球体型锚杆6.6.按锚固部分大小分按锚固部分大小分：全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆3.4.2 3.4.2 锚固作

14、用原理锚固作用原理3.4.2.13.4.2.1锚固系统锚固系统1.1.概念概念 在岩土加固工程中，如果以锚杆（索）作在岩土加固工程中，如果以锚杆（索）作为加固系统的主要构件，就形成了一个锚杆为加固系统的主要构件，就形成了一个锚杆（索）加固系统。简称锚固系统。（索）加固系统。简称锚固系统。2.2.单体锚杆组成单体锚杆组成 锚固系统中通常由很多单体锚杆组成。锚固系统中通常由很多单体锚杆组成。单体锚杆有三大部分组成：杆体（拉杆），锚单体锚杆有三大部分组成：杆体（拉杆），锚头，锚固体。头，锚固体。2.2.单体锚杆组成单体锚杆组成2.2.单体锚杆组成单体锚杆组成锚头锚头 位于锚杆的外露端，通过它最终实现

15、对锚杆位于锚杆的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传给结构物或围岩。锚施加预应力，并将锚固力传给结构物或围岩。锚头由台座、承压板和紧固件等组成，必须保证：头由台座、承压板和紧固件等组成，必须保证：自身有足够的强度，并能将集中力分散。自身有足够的强度，并能将集中力分散。自身有足够的强度，并能将集中力分散。自身有足够的强度，并能将集中力分散。杆体杆体 连结锚头和锚固体，作用是将来自锚头的拉连结锚头和锚固体，作用是将来自锚头的拉力传递给锚固体。通常利用其弹性变形的特性，力传递给锚固体。通常利用其弹性变形的特性，在锚固过程中对锚杆施加预应力。杆体通常由钢在锚固过程中对锚杆施加预应力。杆

16、体通常由钢筋和钢管等制成。受拉张作用。筋和钢管等制成。受拉张作用。锚固体锚固体 位于锚杆的根部，它位于锚杆的根部，它将拉力从杆体传给地层将拉力从杆体传给地层将拉力从杆体传给地层将拉力从杆体传给地层。3.3.单体锚索组成单体锚索组成 随着锚固技术的发展，应用越来越广泛，处随着锚固技术的发展，应用越来越广泛，处理的工程的难度和规模也增大，要求锚杆承受的理的工程的难度和规模也增大，要求锚杆承受的荷载也越来越大荷载也越来越大锚索锚索 广义讲，锚索实际上是高承载力的锚杆。锚广义讲，锚索实际上是高承载力的锚杆。锚索组成仍为三大部分：索组成仍为三大部分：锚头，锚索体，锚固体。锚头，锚索体，锚固体。锚头，锚索

17、体，锚固体。锚头，锚索体，锚固体。锚头：由垫板、锚环、锚塞和混凝土墩组成。锚头：由垫板、锚环、锚塞和混凝土墩组成。锚索体：由高强钢丝、钢丝束、钢丝绳、钢铰锚索体：由高强钢丝、钢丝束、钢丝绳、钢铰线等制成。线等制成。锚固体：定位止浆环、扩张环、导向帽等。锚固体：定位止浆环、扩张环、导向帽等。3.3.单体锚索组成单体锚索组成 3.3.单体锚索组成单体锚索组成 3.3.单体锚索组成单体锚索组成 3.3.单体锚索组成单体锚索组成 4.4.锚杆的基本力学参数锚杆的基本力学参数1 1）抗拔力）抗拔力）抗拔力）抗拔力 锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力，即锚固力。锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力，即锚固力。2 2

18、）握固（裹）力）握固（裹）力）握固（裹）力）握固（裹）力 锚杆杆体与粘结材料间的最大抗剪力。锚杆杆体与粘结材料间的最大抗剪力。3 3）粘结力）粘结力）粘结力）粘结力 锚杆粘结材料与孔壁岩土之间的最大抗剪力。锚杆粘结材料与孔壁岩土之间的最大抗剪力。4 4）拉断力）拉断力）拉断力）拉断力 锚杆极限抗拉强度。锚杆极限抗拉强度。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围稳定岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围稳定地层的抗剪强度来传递结构物地层的抗剪强度来传递结构物(被加固物被加固物)的拉的拉力，以稳定被加固体或保持地层开挖面自身的力，以稳定被加固体或保持地层开挖面自身的稳定。稳定。由于岩土体的复杂性，目前锚固作

19、用的原理由于岩土体的复杂性，目前锚固作用的原理研究还不够深入。研究还不够深入。悬吊作用原理悬吊作用原理3.4.2.2 3.4.2.2 锚固的基本原理锚固的基本原理 组合梁作用原理 提高地层承载能力3.4.2.2 3.4.2.2 锚固的基本原理锚固的基本原理 挤压加固作用原理挤压加固作用原理 光弹实验证实光弹实验证实 复合作用复合作用岩土锚固的主要功能岩土锚固的主要功能1 1）提供作用于结构物上，用来承受外荷的抗力，）提供作用于结构物上，用来承受外荷的抗力，其方向朝着与岩土相接触的点。其方向朝着与岩土相接触的点。2 2）使被锚固地层产生压应力区或对通过的岩石）使被锚固地层产生压应力区或对通过的岩

20、石起加筋作用（非预应力锚杆）起加筋作用（非预应力锚杆）3 3）加固并增加地层强度，也相应的改善了地层）加固并增加地层强度，也相应的改善了地层的其它力学性能。的其它力学性能。4 4）当锚杆通过被锚固结构时，能使结构本身产）当锚杆通过被锚固结构时，能使结构本身产生预应力。生预应力。5 5）通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成）通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效的承受拉力和剪力。的承受拉力和剪力。3.4.2.2 3.4.2.2 锚固的基本原理锚固的基本原理1.1.灌浆锚固的基本概念灌浆锚固的基本概念 用水泥砂浆（或水泥

21、浆、化学浆液、树脂等）用水泥砂浆（或水泥浆、化学浆液、树脂等）将一组钢拉杆（粗钢筋或钢丝束等）锚固在伸向将一组钢拉杆（粗钢筋或钢丝束等）锚固在伸向地层内部的钻孔中。地层内部的钻孔中。实际锚固工程中，水泥砂浆灌浆锚杆占绝大多数！实际锚固工程中，水泥砂浆灌浆锚杆占绝大多数！2.2.砂浆锚固的传力过程砂浆锚固的传力过程 取锚固段为隔离体，当锚固段受力时，拉力（取锚固段为隔离体，当锚固段受力时，拉力（T T）首首先通过钢拉杆周边砂浆的先通过钢拉杆周边砂浆的握裹力握裹力（u u）传递到砂浆中，然传递到砂浆中，然后，再通过锚固段钻孔周边的地层后，再通过锚固段钻孔周边的地层粘结力粘结力（摩阻力）（摩阻力）（

22、）传递到锚固的地层中。传递到锚固的地层中。由此可见，钢拉杆如受到拉力的作用，除了钢筋本身由此可见，钢拉杆如受到拉力的作用，除了钢筋本身要有足够的截面积（要有足够的截面积（A A）承受拉力外，锚杆的抗拔作用还承受拉力外，锚杆的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件：必须同时满足以下三个条件：3.4.2.3 3.4.2.3 灌浆锚固作用原理灌浆锚固作用原理锚固段的砂浆对于钢拉杆的握裹力需能承受极限应力；锚固段的砂浆对于钢拉杆的握裹力需能承受极限应力；锚固段的地层对于砂浆的粘结力（摩阻力）需能承受锚固段的地层对于砂浆的粘结力（摩阻力）需能承受极限应力；极限应力；锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性

23、。锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。其中前两条是影响灌浆锚杆抗拔力的主要因素。其中前两条是影响灌浆锚杆抗拔力的主要因素。3.3.锚固段的砂浆对于钢筋的握裹力锚固段的砂浆对于钢筋的握裹力 在一般在一般较完整的岩层较完整的岩层较完整的岩层较完整的岩层中灌注的水泥砂浆抗压强度中灌注的水泥砂浆抗压强度应不低于应不低于3030MPaMPa。如果严格按照规定的灌浆工艺施工，如果严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，岩岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，岩层锚杆的抗拔力层锚杆的抗拔力TuTu和最小锚固长度一般取决于砂浆的和最小锚固长度一般取决于砂浆的握裹力

24、。为此：握裹力。为此：Tu Tu d Le u d Le u式中：式中：TuTu锚杆的极限抗拔力（锚杆的极限抗拔力（KNKN）d d刚拉杆的直径（刚拉杆的直径（mm）Le Le锚杆的有效锚固长度（锚杆的有效锚固长度（mm）u u砂浆对于钢筋的平均握裹应力（砂浆对于钢筋的平均握裹应力（KN/mKN/m2 2）上式中砂浆的平均上式中砂浆的平均握裹应力握裹应力握裹应力握裹应力u u是一个关键的数值。是一个关键的数值。dD砂浆anchorTiTi+1PiPi+1ui如图，Ti、Ti+1分别为锚杆在i、i+1断面上所受的拉力；Pi、Pi+1为i、i+1断面钢筋的应力；ui为这一段砂浆对于钢筋的单位面积握

25、裹力，则有：Li 可见，只要将孔口内的钢筋分成不同的区可见，只要将孔口内的钢筋分成不同的区段，就可以根据各区段两端截面上的钢筋应力段，就可以根据各区段两端截面上的钢筋应力（P P）的数值，按上式计算求得各个区段中砂的数值，按上式计算求得各个区段中砂浆对于钢筋的握裹力（浆对于钢筋的握裹力（u u）。）。很多资料表明，砂浆对于钢筋的握裹力，很多资料表明，砂浆对于钢筋的握裹力，取决于砂浆与其周边以外砂浆之间的抗剪力，取决于砂浆与其周边以外砂浆之间的抗剪力，也就是也就是砂浆本身的抗剪强度。砂浆本身的抗剪强度。砂浆本身的抗剪强度。砂浆本身的抗剪强度。然而，锚孔内砂浆握裹应力的分布情况相然而，锚孔内砂浆握

26、裹应力的分布情况相当复杂，在实际工作中，只考虑平均握裹应力当复杂，在实际工作中，只考虑平均握裹应力的数值，并研究其所需的锚固长度。的数值，并研究其所需的锚固长度。某些钢筋混凝土试验资料建议钢筋与混凝土之间某些钢筋混凝土试验资料建议钢筋与混凝土之间的握裹应力大约为其标准抗压强度的的握裹应力大约为其标准抗压强度的10102020，据此，据此计算一根锚杆所需的最小锚固长度计算一根锚杆所需的最小锚固长度L Lemin,emin,并令锚杆钢筋并令锚杆钢筋的极限拉应力为的极限拉应力为 s s，则：，则：按上式计算，在岩层中一般所需的按上式计算，在岩层中一般所需的锚固长度仅锚固长度仅锚固长度仅锚固长度仅1

27、12 2mm就够了就够了就够了就够了，这已被铁道部科学研究院在多次岩层拉拔，这已被铁道部科学研究院在多次岩层拉拔试验中得到证实。试验资料表明：当采用热轧螺纹钢试验中得到证实。试验资料表明：当采用热轧螺纹钢筋作为拉杆时，在完整硬质岩层的锚孔中其应力传递筋作为拉杆时，在完整硬质岩层的锚孔中其应力传递深度不超过深度不超过2 2mm。影响岩层锚杆拉拔能力的主要因素是影响岩层锚杆拉拔能力的主要因素是砂浆的握裹能力。砂浆的握裹能力。例如，当岩层锚固深度大于例如，当岩层锚固深度大于1.01.0mm，采用采用 2525的的2020MnSiMnSi钢筋时，往往钢筋被拉断而锚固段不会从锚孔中钢筋时，往往钢筋被拉断

28、而锚固段不会从锚孔中拔出；拔出；3232的的1616MnSiMnSi钢筋被拉到屈服点（钢筋被拉到屈服点（290290KNKN）；）；2 2 3232的的2020MnSiMnSi钢筋被拉到屈服点（钢筋被拉到屈服点（550550KNKN）都未发现岩层都未发现岩层有较明显的变化。有较明显的变化。上述试验表明，一般钢拉杆在完整坚硬岩层中的锚上述试验表明，一般钢拉杆在完整坚硬岩层中的锚固深度只要超过固深度只要超过2 2mm就足够了。就足够了。但是，在使用中，必须判明以下情况：但是，在使用中，必须判明以下情况：锚固区岩体是否稳定，是否有滑坡、塌方的可能。锚固区岩体是否稳定，是否有滑坡、塌方的可能。节理分割

29、的锚固区岩块，在受拉力后是否会产生松节理分割的锚固区岩块，在受拉力后是否会产生松动。动。考虑到上述因素，建议灌浆锚固段达到岩层内部考虑到上述因素，建议灌浆锚固段达到岩层内部（除去表面风化层）的深部（除去表面风化层）的深部不小于不小于不小于不小于4 4mm。必须指出必须指出:（1）上述平均握裹应力和最小锚固长度只适用于锚固在岩层中的锚杆。如果锚孔灌浆是在土层中，则土层对于锚孔砂浆的单位粘结力（摩阻力）小于砂浆对钢筋的单位握裹力。因此，土层锚杆的最小锚固深度将受土层性质的影响。（2）风化层中钢筋应力和砂浆握裹力的分布都和新鲜岩层的情况有所不同（注意注意除去表面风化层除去表面风化层）4.4.锚固段孔

30、壁的抗剪强度（粘结力）锚固段孔壁的抗剪强度（粘结力）在在风化岩层和土层中风化岩层和土层中，锚杆的极限抗拔能力取决锚杆的极限抗拔能力取决于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大粘结力于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大粘结力（摩阻力）。应为：（摩阻力）。应为：Tu Tu DLeDLe 上式中：上式中：TuTu柱状锚体的极限抗拔力（柱状锚体的极限抗拔力（KNKN）D D锚杆钻孔的直径（锚杆钻孔的直径（mm）Le Le锚杆的有效锚固长度（锚杆的有效锚固长度（mm）锚固段周边的抗剪强度（锚固段周边的抗剪强度（KPaKPa）锚固段周边抗剪强度（锚固段周边抗剪强度（）的数值受地层性质、）的数值受地层性

31、质、锚杆的埋藏深度、锚杆类型和施工灌浆等许多复杂因锚杆的埋藏深度、锚杆类型和施工灌浆等许多复杂因素的影响。即便在相同深度处素的影响。即便在相同深度处 值也可能由于锚杆类值也可能由于锚杆类型和施工灌浆方法的类别而有较大变化。型和施工灌浆方法的类别而有较大变化。锚杆孔壁与砂浆接触面的锚杆孔壁与砂浆接触面的抗剪破坏抗剪破坏抗剪破坏抗剪破坏，可能有三种：，可能有三种：1)1)砂浆接触面外围的地层剪切破坏砂浆接触面外围的地层剪切破坏 2)2)沿砂浆和孔壁的接触面剪切破坏沿砂浆和孔壁的接触面剪切破坏 3)3)沿砂浆内的剪切破坏沿砂浆内的剪切破坏 一般而言，土层的强度是低于砂浆强度，所一般而言，土层的强度是

32、低于砂浆强度，所以上述以上述3)3)通常不可能发生。如果施工灌浆工艺好，通常不可能发生。如果施工灌浆工艺好，则则2)2)也不可能发生，因此，土层锚杆孔壁对于砂也不可能发生，因此，土层锚杆孔壁对于砂浆的浆的粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度粘结力取决于接触面外围的土层抗剪强度。即为：即为：=tg=tg+c+c 式中式中c c锚固区土层的粘聚力锚固区土层的粘聚力 土的内摩擦角土的内摩擦角 孔壁周边法向压应力孔壁周边法向压应力3.4.3 3.4.3 锚固工程设计计算锚固工程设计计算3.4.3.13.4.3.1一般要求一般要求

33、在计划使用岩土锚杆时，应充分研究锚固工在计划使用岩土锚杆时，应充分研究锚固工程的安全性、经济性和施工的可行性。程的安全性、经济性和施工的可行性。1.1.设计前有关资料的调查和收集设计前有关资料的调查和收集 1)1)场地地形条件场地地形条件 2)2)周边已有建筑物情况周边已有建筑物情况 3)3)地下埋设物地下埋设物 4)4)道路交通道路交通 5)5)气象等气象等2.2.工程地质勘察工程地质勘察 了解岩土体结构及有关物理力学参数、地下水了解岩土体结构及有关物理力学参数、地下水特征等资料。特征等资料。必须强调：必须强调：必须强调：必须强调：有机质土层作为永久锚固的锚固地层，会引有机质土层作为永久锚固

34、的锚固地层，会引起锚固体的腐蚀破坏；起锚固体的腐蚀破坏；液限液限WWL L大于大于5050 的土层，由于其高塑性会引的土层，由于其高塑性会引起明显蠕变，不能长久的保持恒定的锚固力；起明显蠕变，不能长久的保持恒定的锚固力；相对密度相对密度DrDr小于小于0.30.3的松散地层，锚固体单位的松散地层，锚固体单位面积上的粘结力极低。面积上的粘结力极低。以上三种未经处理的地层均不得作为永久锚以上三种未经处理的地层均不得作为永久锚以上三种未经处理的地层均不得作为永久锚以上三种未经处理的地层均不得作为永久锚杆的锚固地层。杆的锚固地层。杆的锚固地层。杆的锚固地层。3.3.有关临时和永久性锚杆有关临时和永久性

35、锚杆 临时性锚杆：使用期限在临时性锚杆：使用期限在2 2年以内的工程锚杆年以内的工程锚杆 永久性锚杆：使用期限在永久性锚杆：使用期限在2 2年以上的工程锚杆年以上的工程锚杆3.4.3.2 3.4.3.2 锚杆设计流程锚杆设计流程锚杆设计的内容包括：锚杆设计的内容包括：计算外荷载（斜坡、挡墙、锚拉桩）计算外荷载（斜坡、挡墙、锚拉桩）决定锚杆布置和安设角度决定锚杆布置和安设角度 锚杆锚固体尺寸设计锚杆锚固体尺寸设计 预应力钢筋确定预应力钢筋确定 稳定性验算稳定性验算 锚头设计锚头设计（流程图如下页）（流程图如下页）调查与勘察计算作用在结构上的外力决定锚杆布置与安设角度锚固体设计决定锚杆设计的锚固力

36、锚杆长度的确定锚杆预应力筋的设计锚固体尺寸是否满足设计要求锚杆稳定性验算是否满足要求岩体结构岩土性质临近的状况锚固地层位置锚固体形式安全系数锚固体直径锚固地层力学性质锚杆预应力值的决定锚杆锚头的设计否否否否3.4.3.3 3.4.3.3 锚杆布置和安设角度锚杆布置和安设角度 锚杆的布设应满足以下要求：锚杆的布设应满足以下要求：1 1）锚杆）锚杆上覆地层厚不应小于上覆地层厚不应小于上覆地层厚不应小于上覆地层厚不应小于4 4mm，以避免车辆行驶等反复荷以避免车辆行驶等反复荷载的影响，也是为了不致由于较高注浆压力而使上覆岩体载的影响，也是为了不致由于较高注浆压力而使上覆岩体隆起。隆起。2)2)锚杆的

37、水平和垂直锚杆的水平和垂直间距一般不宜大于间距一般不宜大于间距一般不宜大于间距一般不宜大于4 4mm，以避免压力集以避免压力集中，中，也不得小于也不得小于也不得小于也不得小于1.51.5mm，以免以免“群锚效应群锚效应”而降低锚固力；而降低锚固力；3)3)锚杆的安设角度，对基坑或近于直立的边坡而言，需考虑锚杆的安设角度，对基坑或近于直立的边坡而言，需考虑临近状况、锚固地层位置及施工方法。一般锚杆的俯角不临近状况、锚固地层位置及施工方法。一般锚杆的俯角不小于小于1313，不大于，不大于45 45 ，以以以以15-35 15-35 为好为好为好为好。俯角愈大，则有利。俯角愈大，则有利于抵抗侧压力的

38、水平分力愈小，而由于垂直分力加大，会于抵抗侧压力的水平分力愈小，而由于垂直分力加大，会引起护壁桩向下压力增大等不良影响。此外，在可能条件引起护壁桩向下压力增大等不良影响。此外，在可能条件下，锚杆锚固体应锚定于较好的地层中。下，锚杆锚固体应锚定于较好的地层中。3.4.3.3 3.4.3.3 锚杆布置和安设角度锚杆布置和安设角度4)4)必须充分了解斜坡的地质状况，确定斜坡变形破必须充分了解斜坡的地质状况，确定斜坡变形破坏的模式后，才能决定锚杆布置位置。总原则是：坏的模式后，才能决定锚杆布置位置。总原则是：锚杆布置对斜坡产生最大抗力。锚杆布置对斜坡产生最大抗力。5)5)锚固体（段）应布置于较完整和坚

39、硬的地层中，锚固体（段）应布置于较完整和坚硬的地层中，并通过比较选出与此地层相适应的内锚头。并通过比较选出与此地层相适应的内锚头。6 6）锚杆数量）锚杆数量mm应根据锚固工程所需加固力应根据锚固工程所需加固力T T和锚杆和锚杆设计锚固力设计锚固力NtNt确定，即：确定，即：m=T/Ntm=T/Nt3.4.3.4 3.4.3.4 边坡（滑坡）加固力计算边坡（滑坡）加固力计算平面破坏模式平面破坏模式假设锚杆加固力假设锚杆加固力T T以以 角穿过边坡的破坏面，则加固后边坡安全角穿过边坡的破坏面，则加固后边坡安全系数系数FsFs为：为：式中：式中：T T锚杆加固力锚杆加固力C C，岩土的粘聚力和内摩擦

40、角岩土的粘聚力和内摩擦角WW滑体的自重滑体的自重L L破坏面长度破坏面长度U1U1破坏面上的静力上托力破坏面上的静力上托力U2U2满水时后缘拉裂缝中的静水压力满水时后缘拉裂缝中的静水压力FsFs边坡的安全系数边坡的安全系数a a，分别为边坡坡角和破坏面倾角分别为边坡坡角和破坏面倾角 锚杆方向与水平面的夹角锚杆方向与水平面的夹角多滑块平面破坏模式多滑块平面破坏模式 多滑块平面破坏模式中最常见的是双滑块破坏模式。如不考虑所施加的加固力T，假定主动滑块处于极限平衡状态，则可求得边坡稳定系数为：式中：多滑块平面破坏模式多滑块平面破坏模式 如考虑作用于边坡上的加固力T，则安全系数Fs计算公式为：圆弧形破

41、坏模式圆弧形破坏模式式中：Wi第i条块自重；i第i条块破坏面倾角 Ui第i条块破坏面水压力边坡稳定系数：当加固力T作用于剪切面时，其法向分力Pn和切向分力Pt有助于斜坡稳定。锚固后边坡的安全系数Fs为：式中：为锚杆轴线与破坏面法线的夹角 值得注意的是：平面破坏模式的上述加固力计算公式所得到的是单位厚度边坡所需的加固力。3.4.3.5 3.4.3.5 锚杆结构设计锚杆结构设计1.1.锚杆极限锚固力及锚固体设计锚杆极限锚固力及锚固体设计 锚杆的极限锚固力随锚固形式不同，计算方法也有所锚杆的极限锚固力随锚固形式不同，计算方法也有所不同，圆柱型锚杆的锚固力由锚固体表面与周围地层的摩不同，圆柱型锚杆的锚

42、固力由锚固体表面与周围地层的摩擦力或砂浆的握固力提供。端部扩大型锚杆的锚固力除此擦力或砂浆的握固力提供。端部扩大型锚杆的锚固力除此之外还有扩大部分的面承力。之外还有扩大部分的面承力。圆柱型锚杆的锚固力圆柱型锚杆的锚固力P P和锚固段长度和锚固段长度LmLm式中：式中：P P 锚杆锚杆极限极限极限极限锚固力锚固力L Lmm 锚固段长度锚固段长度NNt t 锚杆的设计锚固力锚杆的设计锚固力q qs s 锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度d d 锚固体直径，一般为锚固体直径，一般为80-15080-150mmmm（土层中）土层中）K K 锚杆安全系数锚杆安全系数 注

43、注注注：（1 1）锚固体表面与周围地层间的粘结强度）锚固体表面与周围地层间的粘结强度q qs s 与许多因素有关，如：钻孔方法、岩土性质、渗与许多因素有关，如：钻孔方法、岩土性质、渗透性、抗剪强度、锚杆上覆地层厚度、灌浆压力等。透性、抗剪强度、锚杆上覆地层厚度、灌浆压力等。它一般不能精确确定，应由试验确定。结合国内外实它一般不能精确确定，应由试验确定。结合国内外实测结果，给出测结果，给出下表下表下表下表所示的粘结强度推荐值。但它仅用所示的粘结强度推荐值。但它仅用于初步设计时估算锚杆锚固力。于初步设计时估算锚杆锚固力。岩土种类岩土种类岩土状态岩土状态q qs s 值值（KpaKpa）淤泥质土淤泥

44、质土20202525粘性土粘性土坚硬坚硬60607070硬塑硬塑50506060可塑可塑40405050软塑软塑30304040粉土粉土中密中密100100150150砂土砂土松散松散9090140140稍密稍密160160200200中密中密220220250250密实密实270270400400岩石岩石泥岩泥岩60060012001200风化岩风化岩60060010001000软质岩软质岩1000100015001500硬质岩硬质岩1500150025002500（2 2）关于锚杆的安全系数）关于锚杆的安全系数K K 未形成统一标准，土层锚杆设计与施工规未形成统一标准，土层锚杆设计与施工规

45、范规定为：范规定为：锚杆破坏后危害程度锚杆破坏后危害程度安全系数安全系数临时锚杆临时锚杆永久锚杆永久锚杆危害轻微、不构成公危害轻微、不构成公共安全问题共安全问题1.41.41.81.8危害较大、但公共安危害较大、但公共安全无问题全无问题1.61.62.02.0危害大、会出现公共危害大、会出现公共安全问题安全问题1.81.82.22.2端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度 （1 1）砂土中锚杆极限锚固力计算：）砂土中锚杆极限锚固力计算：则在外力作用下所需锚固段的长度由下式求得：则在外力作用下所需锚固段的长度由下式求得：式中：Nt锚杆设计轴向拉力值K锚杆安全系数qs

46、粘结强度c c锚固力因素锚固力因素锚固力因素锚固力因素h扩大头上覆土层厚度r土体重度端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度端部扩大型锚杆的锚固力和锚固段长度实际工作中，若扩孔段长度L2较小，扩孔直径变化不大，则忽略锚孔直径变化带来的摩阻力差异，则锚固段长度Lm可按下式近似计算：（2）粘土中锚杆极限锚固力计算同样，锚固段长度可由下式求得：式中：土体不排水抗剪强度，c c锚固力因素，可取9其它符号同前与砂土中类似：近似计算公式为：完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度 以上是按锚杆锚固体与地层粘结强度确定锚固以上是按锚杆锚固体与地层粘结强度确定锚固力和锚固长度。在较完整岩体中

47、（灌注的水泥砂浆力和锚固长度。在较完整岩体中（灌注的水泥砂浆抗压强度不低于抗压强度不低于3030MPaMPa），），如果严格按照规定的灌如果严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握浆工艺施工，岩层孔壁的粘结力一般大于砂浆的握裹力。因此，完整岩层锚杆的锚固力和锚固长度一裹力。因此，完整岩层锚杆的锚固力和锚固长度一般取决于砂浆的握裹力，即：般取决于砂浆的握裹力，即：式中：ds锚杆直径；Lsm完整岩层中锚固段长度；s砂浆对锚杆的平均握裹力，一般由试验确定。完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度完整岩体中锚杆锚固力和锚固段长度 为安全起见，对极限锚固力作一定折减：为安全起见，对极限锚固力

48、作一定折减：在实际设计计算中，应分别按锚固体与地层以及锚杆与水泥砂浆计算出锚固长度Lm和Lsm，然后，以大者作为锚固长度设计值。2.2.锚杆自由段长度的确定锚杆自由段长度的确定 一般锚杆自由段长度一般锚杆自由段长度 不宜小于不宜小于5.05.0mm，以防以防止由于锚具的缺陷或移动使施加的预应力出现止由于锚具的缺陷或移动使施加的预应力出现显著的衰减。同时，自由段一般应超过破裂面显著的衰减。同时，自由段一般应超过破裂面1.01.0mm，以利于被锚固地层的稳定性和锚固的可以利于被锚固地层的稳定性和锚固的可靠性。靠性。3.3.锚杆拉杆设计锚杆拉杆设计 锚杆的拉杆尽可能的采用抗拉强度高的材料，锚杆的拉杆

49、尽可能的采用抗拉强度高的材料，如钢铰线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋等，如钢铰线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋等，最大限度的减少钻孔和施加预应力的工作量。最大限度的减少钻孔和施加预应力的工作量。设计轴向力小于设计轴向力小于500500KNKN（小预应力），长度小小预应力），长度小于于2020mm的锚杆，通常采用普通的锚杆，通常采用普通 、级钢筋。级钢筋。大预应力（大预应力（500500KNKN）、）、长锚杆（长锚杆（20 20mm）或或具有徐变的地层，锚杆采用钢绞线。其预应力具有徐变的地层，锚杆采用钢绞线。其预应力损失量仅仅为普通钢筋的损失量仅仅为普通钢筋的1/71/7。锚杆拉杆的截面面积按下式确

50、定：锚杆拉杆的截面面积按下式确定：A=KNt/fA=KNt/fptkptk 式中：式中：AA锚杆拉杆截面积；锚杆拉杆截面积；NtNt锚杆设计锚杆设计轴向力；轴向力；KK锚杆安全系数；锚杆安全系数；f fptkptk钢丝、钢绞钢丝、钢绞线、钢筋强度标准值。线、钢筋强度标准值。对有腐蚀性地层的永久性锚杆，其钢筋直径应对有腐蚀性地层的永久性锚杆，其钢筋直径应增大增大2-32-3mmmm，以增大锚杆的耐腐蚀性。以增大锚杆的耐腐蚀性。3.3.锚杆拉杆设计锚杆拉杆设计目的：使拉杆处在砂浆的中央，能均匀受力；使砂浆目的：使拉杆处在砂浆的中央，能均匀受力；使砂浆呈等厚度包裹拉杆，满足防腐要求（砂浆保护层厚度呈