土层锚杆支护.ppt
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1、4 土层锚杆土层锚杆4.1 锚杆的发展与应用锚杆的发展与应用锚杆是一种新型受拉杆件,它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结,另一端锚固在地基的土层或岩层中,以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力、水压力,它是利用地层的锚固力来达到维持结构物稳定的。4.1.1 锚杆在土木工程中的应用锚杆在土木工程中的应用4.1.2 土层锚杆的发展土层锚杆的发展土层锚杆是在岩石锚杆的基础上发展起来的。用于隧道支护的岩石锚杆历史悠久,但直到1958年德国一个公司才首先在深基坑开挖中将其用于挡土墙支护。土层锚杆具有以下一系列优点:1)与内支撑相比,挖土施工空间大。2)锚杆施工机械设备作业空间不大,适用于各种
2、场地条件。3)锚杆的设计拉力可由抗拔试验获得,从而可以保证可靠的设计安全度。4)可以对锚杆施加预拉力,基坑变形容易控制。5)施工时的噪声很小。锚杆支护在我国也是首先用于地铁隧道的,80年代初开始用于高层建筑基坑支护。土层锚杆以普通压力灌浆的居多,也有二次灌浆及高压灌浆的,受拉杆件(锚筋)有粗钢筋、高强度钢丝束、钢绞线等,层数从一层发展到了四层,并已制定了多个行业规范。目前土层锚杆的应用已相当普遍,并且都为预应力锚杆。当然,任何技术的发展都是永恒的。锚杆技术的工艺材料、施工机具和理论研究等还在不断发展之中。4.2 锚杆的构造及类型锚杆的构造及类型锚杆由锚头、锚筋和锚固体三部分组成。见图4-2至图
3、4-7。锚头是锚杆体的外露部分。锚固体通常位于钻孔的深部。锚头与锚固体间一般还有一段自由段。锚筋是锚杆的主要部分。贯穿锚杆全长。图4-2 锚杆联结挡土桩、墙并锚固于土中的示意图图4-3 钢筋锚杆锚头装置图4-4 多根钢束锚杆锚头装置 图4-5 钢绞线及钢丝索锚夹具示意图4-6 定位分隔器图4-7 腰梁图4-8 锚固体的基本类型4.3 锚杆的抗拔作用锚杆的抗拔作用4.3.1 锚杆抗拔原理锚杆抗拔原理当锚固段锚杆受力后,首先通过锚杆(索)与周边水泥砂浆间的握裹力传到砂浆中,然后通过砂浆传到周围土体。随着荷载增加,锚索与水泥砂浆之间的粘结力(握裹力)逐渐从锚固体的上部向锚固体的下部和外部发展,当应力
4、传到锚固体的外侧时,就会在锚固体与土体间产生摩擦力,随着摩擦力的增大,锚固体与土体间可能发生相对位移,摩擦力又进一步增大,直到极限摩阻力。4.3.2 锚杆的承载能力锚杆的承载能力锚杆承载力的确定是锚杆支护设计的重要内容。普通灌浆锚杆(注浆压力0.30.5MPa)的承载能力(抗拔力)可以用下式确定:Nt=LmD (4-2)式中 Nt 锚杆承载能力(轴力);Lm 锚固段长度;D 锚杆孔径(或锚固体直径);土的抗剪强度。显然:锚杆的承载力是锚固体的直径、长度及土的抗剪强度的函数。在设计时对锚杆承载力一般是有要求的,而锚固体的直径(钻孔直径)主要决定于钻孔设备。因此,只要能够确定土体的抗剪强度,就能容
5、易的确定锚杆的长度了。由此看来,土的抗剪强度在确定土层锚杆的承载能力或在土层锚杆的设计中都至关重要。=tan +c=K h K 土层系数,通常砂土K=1,粘土K=0.5;h 覆盖土层的高度,一般取锚固段中心到地面的高度(m)。4.3.3 影响锚杆抗拔力的因素影响锚杆抗拔力的因素如前所述,锚杆的抗拔力显然与锚固体的直径和长度密切相关。但除了锚固体的这两个几何参数外,还有土层性质,注浆压力以及锚杆的形式三个因素。即:一、土层性质的影响一、土层性质的影响土层的强度一般低于砂浆强度,如果施工灌浆的工艺良好,土层锚杆的抗拔力将主要决定于锚固体外围的土层抗剪强度。土体的抗剪强度变化很大,所以相同参数和施工
6、质量的锚杆,抗拔力可以有很大的不同。倾角与长度是锚杆能否伸入优良土层的决定因素,设计时应给予重视。二、注浆压力的影响二、注浆压力的影响灌浆压力对锚杆的抗拔力有很大影响。注浆压力越大,水泥浆颗粒越能够渗入到周围深部的土层中去,改善了原状土体的力学性能,增加锚固体与土层的摩擦力,也就增加了锚杆的抗拔力。曾有人做过试验,同一粉砂层中的相同长度的锚杆,当施工用的灌浆压力为1Mpa时其极限抗拔力为300kN,当灌浆压力增加到2.5Mpa时,其极限抗拔力达900kN。试验也已证明:虽然锚杆的承载力随灌浆压力的增大而增大,但并不是无止尽的增加。英国ATC有限公司的试验结论是:当注浆压力超过4Mpa后,抗拔力
7、增长就很小了。三、三、锚杆形式锚杆形式的影响的影响无论是带单个扩大头的锚固体锚杆,还是有多截头圆锥形的异形锚固体锚杆,它们的抗拔力都比普通锚杆大得多。4.5 锚杆设计锚杆设计4.5.1 设计步骤设计步骤1.调查基坑及周边场地状况,确定工程的重要性调查基坑及周边场地状况,确定工程的重要性等级,选取锚杆支护结构的安全系数。等级,选取锚杆支护结构的安全系数。作为锚杆支护设计的第一步,必须详细调查了解基坑及其周边的场地状况,如:地形、地貌,既有建筑物、构筑物、道路、管线、地下埋设物与建筑红线等,以及它们与基坑的相对位置。据此确定要重点保护的对象,工程的安全等级,锚杆支护结构的安全系数等。2.进行工程地
8、质与水文地质勘察,确定地层参数确定地层参数地下水位、上层滞水,场地附近有无渗水源头,工程施工是否在雨季或冬季,土层类型、级配、强度等。3.设计计算设计计算(1)计算单位长度挡墙的土压力。(2)根据土压力,计算锚杆的轴力(考虑倾角及间距)。(3)计算锚杆的锚固体长度。(4)计算锚杆的自由段长度。(5)计算锚杆(锚索)的断面尺寸。(6)计算连接锚杆锚头的腰梁断面尺寸。4.核算桩、墙与锚杆的整体稳定。核算桩、墙与锚杆的整体稳定。5.绘制锚杆施工图。绘制锚杆施工图。4.5.2 锚杆布置锚杆布置一、锚杆层数一、锚杆层数一般在基坑施工中,需先挖土到锚杆位置,然后进行锚杆施工,待锚杆预应力张拉后,方可挖下一
9、步土。因此,多一层锚杆,就要增加一次施工循环。在可能在可能情况下,应尽量减少布置锚杆的层数。情况下,应尽量减少布置锚杆的层数。如在粘土、砂土地区,1213m深的基坑,一般用一层锚杆即可(即使挡土桩悬臂56m)。二、锚杆间距二、锚杆间距锚杆间距过大,必然要增大单根锚杆的承载力,要么增加锚杆长度,要么增加锚杆直径,要么采用特殊的施工机械加工异型锚杆,而这些措施往往不如多加几根锚杆容易。如果间距过小,由于锚杆之间土体的相互影响,单个锚杆的抗拉力往往不能很好发挥,容易产生所谓的“群锚效应”。三、锚杆倾角三、锚杆倾角锚杆倾角是锚杆与水平方向的夹角,它与施工机械性能有关,与地层土质有关系。但是,从理论上讲
10、,锚杆的抗拉力只有水平分力是有效的,而垂直分力非但无效,相反增加了支护桩对桩底土层的压力,因此,水平布置的锚杆(倾角=0 0)效果最好。不过水平钻孔成孔困难,同时为了放置锚杆及注浆的方便,一般设计成斜土锚,倾角在倾角在150350之间之间。有时使用较大的倾角是为了将锚固段安设到较深的优质土层中,或者是为了将锚头安设在地下水位以上,防止孔口涌砂。四、规程对锚杆间排距等参数的规定四、规程对锚杆间排距等参数的规定1.锚杆上覆土层厚度不宜小于4.0m。有的资料认为不宜小于56m。2.锚杆的水平和垂直间距一般不宜大于4.0m。最小的垂直距离不宜小于2.5m,最小的水平距离不宜小于1.5m,以避免群锚效应
11、而降低锚固力。3.锚杆倾角一般不应小于100,不应大于450,以150350为好。4.5.3 锚杆抗拔安全系数锚杆抗拔安全系数一、国外对锚杆抗拔安全系数的规定一、国外对锚杆抗拔安全系数的规定土层锚杆的抗拔安全系数是指土层锚杆的极限抗拔力与锚杆的设计容许抗拔力比值。现将有关国家和地区的规定列入表4-7。表表4-7 国外的土层锚杆的抗拔力安全系数国外的土层锚杆的抗拔力安全系数国 名临时性土层锚杆 永久性土层锚杆德国(DIN4125)1.331.50日 本(JSFD-77)1.502.50法 国1.332.00英 国2.002.003.00二、我国工程建设标准化协会行业规范的规定二、我国工程建设标准
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