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

i

i+1

i

地层

砂浆

钢筋直径

T i

i+1

T u

u 地层砂浆

i

i+1

孔壁摩阻力τ

i i i+1i+1T =P ·A

T =P·A

握裹应力u

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

锚杆（索）类别 锚筋选料 承载力 (kN) 锚 杆

长 度

应 力 状 态

注 浆 方 式

锚 固 体 形 式

适 用 条 件 土 层 锚 杆

钢 筋 (Ⅱ、Ⅲ级)

<450 <16m 非预应力

常压灌浆压力灌浆 圆柱型 扩孔型 锚固性较好的土层

精 轧 螺纹钢筋Ф25～32 400～1100 >10m 预应力

压力灌浆二次高压灌浆 连续球型、扩孔型

土层锚固性较差；边坡

允许变形值较小。 钢 绞 线

600～ 1600 >10m 预应力 同 上

同 上

同 上 岩 层 锚 杆

钢 筋 (Ⅱ、Ⅲ级)

<450

<16m 非预应力 常压灌浆 圆柱型 边坡稳定性较好 精 轧 螺纹钢筋Ф25～32 400～1100 >10m

预应力

常压灌浆压力灌浆

圆柱型 边坡稳定性较差 钢 绞 线

600～2000

>10m 预应力

常压灌浆压力灌浆

圆柱型 同 上

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

公称直径（mm）公称

面积

(mm2)

每1000m

理论重量

(kg)

强度

级别

(N/mm2)

破坏

荷载

(kN)

屈服

荷载

(kN)

伸长率

(%)

70%破断荷载

1000h低松弛

(%)

9.50 54.8 432 1860 102 86.6 3.5 2.5

11.10 74.2 580 1860 138 117 3.5 25.

12.70 98.7 774 1860 184 156 3.5 2.5 15.20 139.0 1101 1860 259 220 3.5 2.5

表2-4 ASTM A416-90a 7丝标准型钢绞线参数表