锚杆锚固段设计的新理念及合理锚固长度的研究

其四，规范规定的锚固长度上限，在某些工程
度”也不等于“合理锚固长度”。
应用中受到限制。根据笔者的经验，厚层淤泥质土
3 现行设计方法和“规定”的缺憾—“临界 锚固长度”不宜作为锚固段上限的几点思考
和填土层、超深基坑工程及软岩高边坡，或者因为 锚固力过低，或者因为锚杆布置上的困难，或者由
3.1 几项前提条件说明 临界锚固长度不宜作为锚固长度上限的命题
2011 年 6 月 第 8 卷 第 2 期
深圳土木与建筑
VOL.8 NO.2 JUN2011
锚杆锚固段设计的新理念及合理锚固长度的研究
冯申铎 付文光 姜晓光
（中国京冶工程技术有限公司深圳分公司）
【摘要】阐述了锚杆锚固长度上限设置的不同观点；对“临界锚固长度”和“合理锚固长度”作了简要比 较；分析了国内外相关规范规定以临界锚固长度作为锚固段上限的设计方法的缺陷；提出了“安全系数（安 全储备）后置法”的新理念和设计方法以及适用的锚固长度上限建议值。 【关键词】锚杆 锚固段上限 临界锚固长度 合理锚固长度 安全系数（安全储备）后置法
人工填土层,粉砂粘土层,粉 质粘土层,粗砂,砾质粉质粘 土,砾砂
深圳福田香 基坑平面尺寸 182 169 ,
4 格里拉酒店 深 15.6‐18.2
基坑工程
典型剖面为上部 4.5 放坡做 土钉墙,下部做桩‐锚支护,三 排预应力锚索
预应力锚索长 24‐25 , 锚固长度 18‐19 , 单根锚杆设计抗拔力 650‐680
上述诸多矛盾，特别是工程实践的经验向人们 提出了一个值得深思的问题：以临界锚固长度作为 锚固长度上限的规定是否合理？根据笔者长期从 事岩土工程和锚固技术研究、设计和施工的经验体 会，认为以临界锚固长度作为锚固段长度上限是有 弊端的，经济上也是不合理的，在某些工程和某些 条件下甚至是潜伏危险的。预应力锚杆合理锚固长 度的研究，不但是一个技术和学术问题，而且具有 现实的工程意义和巨大的经济意义。笔者深知，本 文提出的认识和观点与已有多年影响的临界锚固 长度设计理论和规范规定可能产生碰撞。我们希望 借此引起岩土锚固界同仁的共同探讨和争论，以促 进锚固技术更加合理的应用和发展。
烟台阳光 不规则长方形
10 100 广场基
204 54 16‐18 坑
上部复合土钉墙,下部桩‐锚‐ 斜撑,预应力锚索 2 排
锚杆长度 18‐22 , 锚固段长度 14‐18 ; 设计抗拔力 200‐250
段将作无用功的观点是建立在一定的地质条件和 工程环境条件不变的假定基础上的。实际上，对岩
其一，资料积累不足。临界锚固长度的研究和 土工程而言，固定的地质条件和恒定的使用环境是
测试虽然取得了一些成果，“但直接的研究仍较为 根本不存在的。相反地，实际工程中经常遇到的情
少见，尤其是系统的研究未见先例，目前仍处于定 况是：地质条件复杂多变，可以变好，可以变差，
其二，单一规定难以满足工程客观条件的复杂
后开始在相关技术标准中对预应力锚杆锚固长度 性。既然临界锚固长度与地层性质有关，不同土层
做出了限制性“建议”。我国有些相关标准近年来 的物理力学性质又差异极大，那么，以一个指标笼
在重新修编时也加入了类似内容。
而统之显然有失科学性。例如，工程中常遇到的软
“合理锚固长度”则是一个建立在稳定计算、 土（淤泥质土）或回填土等，由于其工程性质与普
固长度的现场试验多采用普通拉力型锚杆；而且这 种锚杆用量最大，应用最普遍；同时，锚固段上限 的分歧目前在超深基坑中表现最为突出。
3.2 临界锚固长度的研究及其作为锚固段上限 的规定，目前依据均显不足。原因有四：
计承载力并无明显影响。 3.4 宏观把握和动态调控方面有局限性 所谓锚固长度超过临界锚固长度，其后的锚固
①学术观点和认识上的矛盾。目前岩土工程界 对锚固段上限的认识有三种不同的观点：
第一种观点，认为锚杆锚固长度上限应按临界 锚固长度确定，超过此值，其后的超出部分将作无 用功，是一种浪费。这种观点本文下称临界锚固长 度设计理论或临界锚固长度设计法。
第二种观点，承认临界锚固长度的存在，锚固 长度应该适当限制；但同时认为预应力锚杆的合理 锚固长度不等于所处地层的临界锚固长度。工程锚 杆的合理锚固长度上限约等于 （ 为安全系数） 倍临界锚固长度时，其综合效益最佳，工程的安全 性、经济性实现最优化。这种观点，本文下称合理 锚固长度设计理论或合理锚固长度设计法。这种观 点的立足点，是建立在临界锚固长度理念、工程实 践经验以及对工程稳定的宏观把握上。这也是本文 的观点。
心基坑
深 183 177 15.5 地下三层
桩‐锚支护体系,预应力锚索 大部分为 3 排
锚杆长度 19‐31 ,锚固段长度 14‐24 , 设 计 抗 拔 力 400‐700
人工填土层,冲洪积层 粉质 粘土,淤泥质粉质粘土,粉砂, 砾砂等 ；残积砾质粉质粘土
北京地铁北 7 土城东路站 明挖基坑最大深度 18.9
人工填土层,粉质粘土层,细 砂层,中粗砂层,砾砂层,残积 层等
深圳东海商
335 100 19.8
5
务中心基坑 四层地下室
桩‐锚支护体系,预应力锚索 3‐4 排
锚杆长度 28‐35 ,锚固段长度 18‐20 ,单根锚索设计抗拔力 400
人工填土层,淤泥质黏土层, 粉质粘土,粗砾层,残积砾质 粘土层等
深圳证券交 6 易所营运中
深圳华润中 三层地下室,基坑开挖深度 桩‐锚支护体系,三排预应力
1
段 长 16,18,20 , 设 计 拉 力 海陆交互沉积层,冲洪积层,
心二期
15.3‐16.7
锚杆
500‐600
残积层等
①北、东二侧为复合土钉墙
锚杆长度 20‐25 ,锚固段长度 人工填土层,淤泥质黏土,粉
长虹深圳研 基坑形状近梯形,周长 292m, 预应力锚杆 钢管土钉 搅
于变形难以控制等原因，实际上成了临界锚固长度 设计理论的“禁区”
是相对于合理锚固长度设计理论而言的。有比较才 有鉴别。为了使问题的讨论具有可比性、合理性和
3.3 对地质变化的适应能力和调节能力较差 实际工程中，地质条件的复杂性、多变性和不
说服力，讨论之前有必要先明确几个前提条件：
确定性（某种程度上，还有地质报告的不准确性）
准段深 22 ,端头井深 23.8
索
粉质粘土,中粗砂,卵石层等
站基坑
设计拉力 163‐ 1119
北京京温市 9 场二期地下 四层地下室,埋深 18
车库基坑
桩‐锚支护体系,预应力锚索 2‐3 排
锚杆长度 19‐25m,锚固段长度 最长 20 ,设计拉力最高 600
人工填土层,第四纪沉积层 粉细砂,圆砾,中细砂,砂质粉 土,卵石层等
1 问题的提出—一个矛盾的技术领域
锚固段的设置技术是预应力锚杆的核心技术， 锚固段长度是其中最基本和最重要的内容之一，其 合理与否，直接关系着工程的安全、造价，甚至成 败。随着“临界锚固长度”概念的提出和逐渐被接 受，过去那种认为锚固段愈长愈安全的思想认识在 很大程度上得到了纠正，并在国外和国内的相关规 范中相继出现了以“临界锚固长度”作为锚固段上 限的规定和建议。然而，20 余年来，上述规定并未 得到岩土锚固界的普遍赞同和工程实践的强力支 持。概括起来，存在于锚固长度上限问题上的矛盾 集中表现在以下三个方面：
技术经济分析以及具体工程条件基础上，由综合指 通土层差异很大，如果硬拿规范规定限制其锚固长
标确定的最合理的锚固长度。一般而言，它应该满 度，显然是不合理的；
足受力合理（满足安全计算要求），经济合理（锚
其三，立论根据不足。目前国内外规范关于临
杆总长度最小，腰梁等辅助设施最少），施工工期 界锚固长度上限的规定基本上是根据现场拉拔试
短，对复杂地层和意外因素的适应能力和调节能力 验得到的有效受力长度。但是将一个局部的、静态
强等几项基本指标。此外，在具体工程中，它还应 的、具体地质条件下的试验结果照搬到一个庞大的、
该满足特定工程的特殊要求。
动态的、地质条件复杂多变的工程环境中，适用条
由此可知，“临界锚固长度”和“合理锚固长 件必然要发生变化。在工程应用中，临界锚固长度
2
15‐18 ,单根锚索设计抗拔力 质粘土,粗砾层,残积砾质粘
发基地基坑 深 12.6‐14 ,设三层地下室
拌桩帷幕
400
土层等
②西、南二侧为桩‐锚方176 151 ,深 22
上部土钉墙,下部桩‐锚支护 体系,设三排预应力锚索
锚杆长度 24‐27 , 锚固段长度 18‐20 , 设计锚固力 600‐700
①锚固长度总量一定，即对于同一特定工程两 往往造成锚固段所处地层与设计条件存在着不同
种设计方法的锚固长度总量相同，讨论问题的焦点 程度的差异。假设，在给定的一般地层中意外遇到
只是如何设置锚杆及其锚固段长度（上限）问题； 1 厚的淤泥和淤泥质土，预应力锚杆设计锚固长度
②临界锚固长度按 10 考虑（国内外有关规范 的规定锚固段上限多为 10 ）；合理锚固长度上限 按 18 考虑（其量级等于 倍临界锚固长度，理论 分析详见本文第 4 部分）；
冯申铎，教授级高级工程师，中国京冶工程技术有限公司深圳分公司
地址：深圳市南山区后海大道后海办公楼六楼中国京冶深圳分公司
电话：0755‐26054623，E‐mail：zgjy2009@
第三种观点，还有一些技术人员缺乏临界锚固 长度的观念，在实际工程中仅按理论计算盲目加长 锚固段的长度，致使有些工程锚固长度达到 30~40 ；还有的无所适从，不知所以然。
2 两个基本概念—临界锚固长度与合理锚固 长度
“临界锚固长度”概念的提出始于上世纪七十 年代，Ostermays 等人通过试验先后发现了临界锚 固长度现象。所谓“临界锚固长度”是指特定地层 中锚杆的极限受力长度，亦即锚杆峰值应力达到极
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度”是两个不同的概念。前者是某种具体地层的特 并不是锚固长度设计的唯一根据和充分条件，而临
定属性，后者则是设计者通过方案优化确定的最佳 界锚固长度之外合理的超长部分则是岩土工程不
参数。在概念上，“临界锚固长度”不同于“合理 确定性的安全保障措施（见后述）；
锚固长度”；在数量上（长度上），“临界锚固长
②我国有关技术标准对锚固段长度（特别是上 限），目前尚无统一规定。以土层锚杆为例，有的 规定锚固段长度不宜超过 10 1 ；有的规定锚固段 长度宜为 6~12 2 ；有的未作规定 3 ；有的规定不 宜大于 18 4 。
③工程经验与规范规定的矛盾：根据对近年部 分已完成的中、超深基坑的统计资料，土层预应力 锚杆的锚固段长度大部分在 14~20 ，锚固长度上 限多在 18~20 ，详见表 1。
限粘结强度时的有效受力长度。临界锚固长度与具 精准计算。因此，规范应允许设计者根据具体工程
体地层的性质密切相关。目前，国内外采用现场试 条件和地区经验以及“临界锚固长度”理念，灵活
验和模型试验以及解析方法等取得了一些具体地 地、实事求是地确定具体工程的锚固长度；
层的临界锚固长度数据。国外有些国家在八十年代
③文中论点和论述重点围绕着普通拉力型预
10 ，倾角 15°。简单计算可知，锚杆将有约4 的 锚固段（占锚固长度的 40%）处于软土中，锚杆承 载能力将有明显的降低而难以弥补。如果按照合理 锚固长度设计理论，锚固段长度上限可达18 左右， 由于存在较大的安全储备段，当遇到上述意外情况
应力土层锚杆和深基坑工程展开。这是因为临界锚 时，锚杆将有能力进行自我调整，所以对于锚杆设
基坑
主要为桩‐锚支护体系,三排 预应力锚索
锚 索 长 23 , 锚 固 段 长 度 16‐18 , 设计抗拔力 400 ‐900
无资料
北京地铁十
锚 索 长 21‐26 , 锚 固 段 长 度
站长 209 ,两端为明挖段,标 桩‐锚支护体系,4 排预应力锚
人工填土层,冲洪积层 粉土,
8 号线亮马河
12‐21 ,
性阶段。” 5 所以，目前只宜进行概念设计，而难 甚至很差；由于附加荷载增加，荷载条件经常有变，
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序 工程名称
号
工程规模 基坑深度
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表 1 部分既有工程锚杆应用实例
支护型式
锚杆参数 锚固长度
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地质条件
预应力锚杆长 22,25,28 .锚固 人工填土层.埋藏植物层