土层锚杆

第三章土层锚杆

一、土层锚杆的发展与应用

土层锚杆(亦称土锚)是一种新型的受拉杆件，它的一端与支护结构等联结，另一端锚固在土体中，将支护结构和其他结构所承受的荷载（侧向的土压力、水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等）通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。

锚杆打入地下后，为了发挥锚杆钢索应力、减少变形，可采用预加应力的方法，同时打入地下的锚杆通过早期张拉，对地基锚杆预加应力也是对锚杆在土层中或岩层中的一次荷载试验。

土层锚杆是在岩石锚杆的基础上发展起来的，1958年原联邦德国的KarlBauer公司在深基坑开挖中，为固定挡土墙首次在非粘性土层中采用了土层锚杆。土层锚杆技术近三十年来得到迅猛的发展，目前它已成为现代建筑技术的重要组成部分。现代的土层锚杆技术已能施工长达50m的锚杆，在粘性土中最大锚固力可达1000kN，在非粘性土中可达2500kN。

随着我国工程建设的不断发展，深基础工程日渐增多。尤其是当深基坑邻近已有建筑物和构筑物、交通干线或地下管线时，深基坑难以放坡开挖，或基坑宽度较大、较深，对支护结构采用内支撑的方法不经济或不可能。在这种情况下采用土层锚杆支承支护结构(钢板桩、地下连续墙、灌注桩等)，维护深基坑的稳定，对简化支撑、改善施工条件和加快施工进度能起很大的作用。我国除了在湘黔铁路和北京、天津的地下铁道施工中应用过土层锚杆外，在高层建筑等深基础工程施工中的应用日渐增多，取得了较好的效果，曾被我国建设部列为“八五”科技成果推广计划重点项目。土层锚杆的应用由非粘性土层发展到粘性土层。在高含水量、高压缩性的松散粘土层中是否能够应用，一直是大家关心的问题。我国沿海一带多为冲积性平原，土层以淤泥质粘土和粉质粘土为主，含水量往往高达40％～60％以上，呈软塑甚至流塑状态，在这样的土层中可否应用土层锚杆，过去没有先例。近年来，我国经过试验研究，已初步掌握了在这种软粘土中的土层锚杆的承载能力和施工工艺，并成功地应用于工程建设中，对发展土层锚杆技术做出于贡献。

二、土层锚杆的构造

锚杆的类型

锚杆用于地基有三种基本类型。

第一种类型锚杆由圆柱形注浆体和钢筋或钢索构成，如图1(a)所示，孔内注水泥浆，水泥砂浆或其他化学注液。适用于拉力不高，临时性锚杆以及岩石性锚杆。

第二种锚杆类型为扩大的圆柱体，注入压力灌浆液而形成，适用于粘性土和无粘性土，当拉力要求较大时采取较高的压力进行注浆。在粘性土中形成较小扩大区，在无粘性土中，可得到较大扩大区。如图1(b)所示。

第三种锚杆类型是采用特殊的扩孔装置在孔眼内长度方向扩1个或几个扩孔圆柱体

如图1(c)所示。这类锚杆要有特制机械扩孔装置，通过中心杆压力将扩张式刀具缓缓张开刮土。在粘性土和砂土中都适用，可以达到较高的拉拢力。

锚杆构造

1．锚杆的组成

锚杆由锚头、钢拉杆(钢索)、塑料套管定位分隔器(钢铰线用)以及水泥砂浆等组成，它与挡土桩墙联结构成支护结构。

2．锚杆的锚头，钢材及附件

锚杆的钢材分粗钢筋，钢管及钢铰线，统称钢索，一般要求材料强度高。在钢索全长分自由段与锚固段，自由段的钢索套塑料管以保证张拉时钢索能自由伸长。锚固段内要求灌浆或压力灌浆密实，与钢索有足够的握裹力。。

三、层锚杆设计

土层锚杆由于涉及钢材、水泥和土体三种材料，其承载能力与施工因素密切有关，因此按照弹塑性理论和土力学原理进行精确的设计计算是十分复杂的，且与实际情况有出入，所以一般还是根据经验数据进行设计，然后通过现场试验进行检验。

土层锚杆设计要考虑的问题包括：锚杆布置；锚杆承载能力；锚杆的整体稳定性；锚杆尺寸确定等。

锚杆布置

锚杆布置包括锚杆埋置深度、锚杆层数，锚杆的垂直间距和水平间距，锚杆的倾斜角，锚杆的长度等。

(1)锚杆的埋置深度

应保证不使锚杆引起地面隆起和地面不出现地基的剪切破坏，最上层锚杆的上面需要有一定的覆土厚度，一般覆土厚度不小于4~5m。

(2)锚杆的层数

应通过计算确定，一般上下层间距为2~5m，锚杆的水平间距多为1~4.5m，或控制在锚固体直径的10倍。

(3)锚杆的倾角

为了受力和灌浆施工方便，不宜小于12.5°，一般与水平成15°~25°倾斜角。

(4)锚杆的长度

根据需要而定，一般要求锚固体置于滑动土体以外的好土层内，通常长度为15~25m，单杆锚杆最大长度不超过30m，锚固体长度一般为5~7m。

锚杆设置时应注意以下几点：

(1)土层锚杆的允许拉力与土层好坏关系很大，在硬土层内最大拉力可达1500kN，在一般粘性土或非粘性土中，单锚拉力约为300~600kN，因此锚杆的锚固层应尽量设置在良好

的土层内。设置前，应对地基土的土层构成，土的性质，地下水情况进行详细勘察，不允许将锚固层设置在有机土层或液性指数I L<0.9或液限w L>50％的粘土地基，或相对密度Dr<0.3的松散地层内；

(2)在允许情况下尽量采用群锚，避免用单根锚杆；

(3)各个部分的锚杆都不得密接或交叉设置；

(4)锚杆要避开邻近的地下构筑物和管道；

(5)土层锚杆非锚固段部分，要保证不与周围土体粘结，以便当土滑动时，能够自由伸长，而不影响锚杆的承载能力；

(6)在有腐蚀性介质作用的土层内，锚杆应进行防腐。

锚杆的承载能力

锚杆的承载能力即极限抗拔力。根据锚杆拉力的传递方式，锚杆的承载能力通常取决于：拉杆的极限抗拉强度；拉杆与锚固体之间的极限握裹力；锚固体与土体间的极限侧阻力。由于拉杆与锚固体之间的极限握裹力远大于锚固体与土体之间的极限侧阻力，所以在拉杆选择适当的前提下，锚杆的承载能力主要取决于后者。

锚杆的整体稳定性

进行土层锚杆设计时，不仅要研究土层锚杆的承载能力，而且要研究支护结构与土层锚杆所支护土体的稳定性，以保证在使用期间土体不产生滑动失稳。

土层锚杆的稳定性，分为整体稳定性和深部破裂面稳定性两种，其破坏形式如图6所示，需分别予以验算。

整体失稳时，土层滑动面在支护结构的下面，由于土体的滑动，使支护结构和土层锚杆失效而整体失稳。对于此种情况可按土坡稳定的验算方法进行验算。

深部破裂面在基坑支护结构的下端处，这种破坏形式是前联邦德国的E.Kranz于1953年提出的，可利用Kranz的简易计算法进行验算。

土层锚杆的蠕变与松弛

(一)土层锚杆的蠕变

用于锚固支护结构的土层锚杆，始终承受接近恒载的拉力，土层锚杆的变形一直在发展，这就是土层锚杆的蠕变。在实际工程中，需要了解土层锚杆的蠕变性能，因为土层锚杆的蠕变是收敛还是发散，决定了支护结构的安危。尤其是对于软土地基，土的蠕变大，土层锚杆的蠕变就成为突出的问题。