锚杆的锚固长度设计计算

锚杆（索）

1.锚杆（索）的作用机理

立柱在荷载的作用下，有绕着基地转动的趋势，此时可以利用灌浆锚杆（索）的抗拔作用力来进行抵抗。灌浆锚杆（索）指用水泥砂浆(或水泥浆、化学浆液等)将一组钢拉杆(粗钢筋或钢丝束、钢轨、小钢筋笼等)锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚固体。它的中心受拉部分是拉杆。其受拉杆件有粗钢筋，高强钢丝束，和钢绞线等三种不同类型。而且施工工艺有简易灌浆、预压灌浆以及化学灌浆。锚固的形式应根据锚固段所处的岩土层类型、工程特征、锚杆（索）承载力大小、锚杆（索）材料和长度、施工工艺等条件，按表1-1进行具体选择。

同时，为了更好地对锚杆（索）进行设计，以下将对锚杆（索）的抗拔作用力机理进行介绍。

锚杆（索）的抗拔作用力又称锚杆（索）的锚固力，是指锚杆（索）的锚固体与岩土体紧密结合后抵抗外力的能力，或称抗拔力，它除了跟锚固体与孔壁的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关外，还与地层岩土的结构、强度、应力状态和含水情况以及锚固体的强度、外形、补偿能力和耐腐蚀能力有关。

许多资料表明，锚杆（索）孔壁周边的抗剪强度由于地层土质不同，埋深不同以及灌桨方法不同而有很大的变化和差异。对于锚杆（索）抗拔的作用机理可从其受力状态进行分析，由图1-1表示一个灌浆锚杆（索）中的砂浆锚固段，如将锚固段的砂浆作为自由体，其作用力受力机理为：

锚杆选型表1-1

当锚固段受力时，拉力T 。首先通过钢拉杆周边的握固力(u)传递到砂浆中，然后再通过锚固段钻孔周边的地层摩阻力(τ)传递到锚固的地层中。因此，钢拉杆如受到拉力作用，除了钢筋本身需要有足够的截面积(A)承受拉力外，锚杆（索）的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件：

①锚固段的砂浆对于钢拉杆的握固力需能承受极限拉力； ②锚固段地层对于砂浆的摩擦力需能承受极限拉力； ③锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。

以上第①、②个条件是影响灌浆锚杆（索）抗拔力的主要因素。

i

孔壁摩阻力τ

i

图1-1 灌浆锚杆（索）锚固段的受力状态

2.锚杆（索）的设计计算

锚杆（索）的设计原则:

(1)锚杆（索）设计前应进行充分调查，综合分析其安全性、经济性与可操作性，避免其对路堤周围构筑物和埋设物产生不利影响。

(2)设计锚杆（索）时应考虑竣工后荷载作用对路堤的影响，要保证它们在载荷作用下不产生有害变形。

(3)设计锚杆（索）时，应对各种设计条件和参数进行充分的计算和试验来确定，只有少数有成熟的试验资料及工程经验的可以借用。 锚杆（索）的设计要素:

锚杆（索）的设计要素包括：锚杆（索）长度、锚固长度、相邻结构物的影

响、锚杆（索）的倾角和锚固体设置间距、锚杆（索）的抗拔力计算等等。这些都是通过计算和试验得来的。

进行锚杆（索）设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆（索）施工完毕后必须对锚杆（索）进行抗拔试验，验证锚杆（索）是否达到设计承载力的要求。锚杆（索）型式选择应根据锚固段所处的地层类型、工程特征、锚杆（索）承载力的大小、锚杆（索）材料、长度、施工工艺等条件综合考虑进行选择。表2-1给出了土层、岩层中的预应力和非预应力常用锚杆（索）类型的有关参数。

表2-1 常用锚杆（索）型式

2.1锚杆（索）锚筋的截面设计

假设锚杆（索）轴向设计荷载为N ，则可由下式初步计算出锚杆（索）

要达到设计荷载N 所需的锚筋截面：

ptk

g f kN

A =

' 式中,'

g A 为由N 计算出的锚筋截面；k 为安全系数，对于临时锚杆（索）取

1.6～1.8 对于永久性锚杆（索）取

2.2～2.4；ptk f 为锚筋（钢丝、钢绞线、钢筋）抗拉强度设计值。

(2)锚筋的选用：

根据锚筋截面计算值'g A ，对锚杆（索）进行锚筋的配置，要求实际的锚筋

配置截面

'

g

g A A ≥。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆（索）承载力、锚

杆（索）的长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因数综合考虑。

对于采用棒式锚杆（索），都采用钢筋做锚筋。如果是普通非预应力锚杆（索），由于设计轴向力一般小于450kN ，长度最长不超过20米，因此锚筋一般选用普通Ⅱ、Ⅲ级热轧钢筋；如果是预应力锚杆（索）可选用Ⅱ、Ⅲ级冷拉热轧钢筋或其他等级的高强精轧螺纹钢筋。钢筋的直径一般选用Φ22～Φ32。

对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆（索）应优先选用钢绞线、高强钢丝，这样不但可以降低锚杆（索）的用钢量，最大限度地减少钻孔和施加预应力的工作量，而且可以减少预应力的损失。因为钢绞线的屈服应力一般是普通钢筋的近7倍，如果假定钢材的弹性模量相同（1.9×105Mpa ）,它们达到屈服点的延伸率钢绞线是钢筋的7倍，反过来讲，在同等地层徐变量的条件下，采用钢绞线的锚杆（索）的预应力损失仅为普通钢筋的1/7。在选用钢绞线时应当符合国标

（GB/T5223-95、GB/T5224-95）要求，7丝标准型钢绞线参数如表2-3所示。除此之外，也可选用美国标准（ASTM A416-90a）、英国标准（BS5896:80）、日本标准（JIS G3536-88）的钢绞线，表2-4所示为ASTM A416-90a 7丝标准型钢绞线（270级）参数。为了便于选用，表2-5给出了按国标计算的出的不同锚杆（索）设计拉力值所需的钢绞线根数。

表2-3 国标7丝标准型钢绞线参数表

表2-4 ASTM A416-90a 7丝标准型钢绞线参数表

表2-5 锚杆（索）设计轴向力与钢绞线使用根数对照表

2.2锚杆（索）受力分析的理论解

锚杆（索）深入岩石中,其端部承受拉拔力,假设水泥浆材与岩体为性质相同的弹性材料,锚杆（索）所作用的岩体可视为半空间,深度z处作用—集中力,如图2-1所示,在任意点C(x,y,z)处的垂直位移分量W可由Mindlin位移解确定:

22

23

11

22

35

22

348(1)(34)()

(1)

8(1)(34)()26()

u u u z h

R R R

Q u

w

E u u z h hz hz z h

R R

π

⎡⎤

-----

++

⎢⎥

+⎢⎥

=

⎢⎥

--+-+

++

⎢⎥

⎣⎦

（1）

图2-1 Mindlin 解的计算简图

式中:E,μ分别为岩体的弹性模量和泊松比;

222

1

222

2

();

().

R x y z h

R x y z h

=++-

=+++

在孔口处,x=y=z=0,则式(1)可简化为