锚杆的基本知识与抗拔承载力试验

目前在基坑加固工程中，广泛采用土钉也是一种较短的粘结 型锚杆。它是通过在边坡中埋入短而密的粘结型锚杆，使锚杆与 基坑边缘土体形成复合体系，增强其的稳定性。这种锚杆一般适 用于土质地层和松散的岩石地层。
1.2
锚杆支护原理
当锚杆杆体受到外力作用时，拉力首先通过杆体与周边的 锚固体之间的握裹力将力传递到锚固体，然后再通过锚固体与 周边岩土体之间的粘结力将力传递到周边锚固土层中。
2.2 锚杆的选型
在边坡锚杆加固中要选择合理的锚杆型式，必须结合被 加固边坡的具体情况，根据锚固段所处的地层类型、工程特 征、锚杆承载力的大小、锚杆材料、长度、施工工艺等条件 综合考虑进行选择。下表给出了土层、岩层中的预应力和非 预应力常用锚杆类型的有关参数，可供边坡锚杆加固选型使 用。
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2.3 锚杆锚筋的设计
图1.2为锚索结构示意图
1-台坐 2-锚具 3-垫板 4-支档结构 5-自由隔离层 6-钻孔 7-对中支架 8-隔离架 9-钢绞线 l0-架线环 ll-注浆体 12-导向帽 Lr-自由段 La-锚固段
1.1.5锚杆的分类
1.按是否预先施加应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆。 非预应力锚杆是指锚杆锚固后不施加外力，锚杆处于被动受 载状态；预应力锚杆是指锚杆锚固后施加一定的外力，使锚 杆处于主动受载状态。 2.按锚固形态分为圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆和连续球 型锚杆 。 3.按锚固机理可分为有粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固 型锚杆和混合型锚杆。
锚杆锚固力的计算方法随锚固体形式不同而异，圆柱型 锚杆的锚固力由锚固体表面与周围地层的摩擦力提供；而端 头扩大型锚杆的锚固力则由扩座端的面承力及与周围地层的 摩擦力提供。
(1)圆柱型锚杆锚固力与锚固长度计算 对于圆柱型锚杆，锚杆的极限锚固力可按下式计算：
Pu = π Ldqs
式中：L——锚固体长度； d——锚固体直径；
1.1.1锚杆的定义
锚杆是将拉力传递到稳定岩层或土层的锚固体系。它 通常包括杆体（由钢筋、特制钢管、钢绞线等筋材组成）、 注浆体、锚具、套管和可能使用的连接器。当采用钢绞线 或高强度钢丝束作杆体材料时可称锚索。在岩土锚固中通 常将锚杆和锚索统称为锚杆。
1.1.2组成锚杆的必备因素
① 一个抗拉强度高于岩土体的杆体； ② 锚杆内部的一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力； ③ 锚杆外部的一端能够形成对岩土体的径向阻力。 锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深 入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段。
1.1.3锚杆作用实质
锚杆作用从表面上看是限制了部分岩土脱离原体，从力学观点上看主 要是提高了岩土体的粘聚力C和内摩擦角φ，实质上是位于岩土体内锚杆 与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体使得岩土体自身的承载能力 大大加强。
1.1.4锚杆的基本组成
锚杆主要由锚头、自由段（也称非锚固段）和锚固段组 成，如图1.1所示。
(1)
式中：Ag’——由N计算出的锚筋截面； k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8；对于永久性 锚杆取2.2～2.4； fpkt——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Ag’，对锚杆进行锚筋的配置，要 求实际的锚筋配置截面Ag ≥ A′g 。配筋的选材应根据锚固工程 的作用、锚杆承载力、锚杆的长度、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，都采用钢筋做销筋。如果是普通非 预应力锚杆，由于设计轴向力一般小于450kN,长度最长不超 过20m．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2～32。
在确定出锚杆轴向设计荷载后，需要对锚杆进行结构设 计，结构设计的第一步就是根据锚杆轴向设计荷载计算锚杆 的锚筋截面，并选择合理的钢筋或钢绞线配置锚筋；在配置 锚筋后可由锚筋的实际面积和锚筋的抗拉强度标准值计算出 锚杆承载力设计值，然后方能进行锚杆体和锚固体的设计计 算。
(1)锚杆锚筋的截面积计算： 假设锚杆轴向设计荷载为N，则可由下式初步计算出锚 杆要达到设计荷载N所需的锚筋截面：
注：(1)表中qs系一次常压灌浆工艺确定，适用于注浆标号M25～M30； 当采用高压灌浆时，可适当提高。 (2)极软岩：岩石单轴饱和抗压强度fp≤5MPa；软质岩：岩石单轴饱 和抗压强度5MPa≤fp≤30MPa硬质岩：岩石单轴饱和抗压强度fp≥30MPa。 (3)表中数据用作初步设计时计算，施工时宜通过试验检验。 (4)岩体结构面发育时，取表中下限值。
(2)端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算 (略)
(3)锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度计算 前面对于圆柱型锚杆的极限锚固力计算公式是基于锚固 段与周围岩土间的极限摩阻力给出的，这种公式的应用条件 是锚杆破坏首先从锚固体与周围岩土之间的界面剪切滑移， 一般来讲对于土层或较软的岩石满足这种条件。对于坚硬的 岩层，如果锚固体与岩层间的极限摩阻力大于锚筋与锚固砂 浆之间的极限握裹力，锚杆将首先从锚筋与锚固砂浆之间开 始剪切破坏，此时应根据锚筋与锚固砂浆之间的粘结强度来 计算锚杆的锚固长度。极限锚固力计算公式为：
1.3锚杆的使用组合
在边坡加固中，锚杆通常与其他支挡结构联合使用，例如： (1)锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式 锚杆挡墙。排桩可以是钻孔桩、挖孔桩或劲性混凝土桩，锚杆 可以是预应力或非预应力锚杆。如下图所示：
(2)锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式 锚杆挡墙，锚杆锚点设在格架结点上，锚杆可以是预应力锚杆 或非预应力锚杆。如下图所示。
锚杆的基本知识与抗拔承载力试验
贾保江 2012年12月25日
1 锚杆的基本概念
1.1 锚杆的概念及应用
岩土锚固技术——埋设于岩土体中的受拉杆件，用以将 结构物的拉应力传递给深部的稳定地层或加固不稳定的岩土 体，形成拉杆与岩土相互作用，共同工作的体系。 岩土锚固技术在矿山、交通、建筑、水利水电、军事人 防等工程中的应用越来越广泛。 按锚固的对象不同，岩土锚固技术有边坡锚固、隧道锚 固、大坝锚固、抗浮锚固等。
(3)
qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结 强度。 式(2)给出了锚杆承载力设计值Ng(≥锚杆设计荷载)，
由式(3)可得锚杆要达到锚固力设计值Ng所需的最小锚固 体长度：
Lm ≥
kN g
π dqs
(4)
式中：Lm——锚固体长度； k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8对于永 久性锚杆取2.2～2.4； Ng——锚杆锚固力设计值； qs——锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强 度标准值(见下表)。
(3)锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土板 肋式锚杆挡墙，这种结构主要用于直立开挖的Ⅲ、Ⅳ类岩石 边坡或土质边坡支护，一般采用自上而下的逆作法施工。如 下左图所示。
(4)锚杆与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定 板挡墙。这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡，如 下右图所示。
4.按使用部位分为基坑支护锚杆、边坡支护锚杆、抗浮 锚杆、抗倾覆锚杆等。支护锚杆设计角度正常为15-30°， 抗浮锚杆、抗倾覆锚杆设计角度为90°。 5.根据锚杆设计使用年限分为临时性锚杆和永久性锚杆。 使用年限超过2年的边坡为永久性边坡，否则为临时性边坡。 6.根据锚杆周围岩土层性质分为土层锚杆和岩层锚杆。 7.根据材质不同分为注浆型和机械预应力锚杆。 8.按受力方式分为压力型锚杆和拉力型锚杆。 我们检测的对象主要是注浆的拉力型锚杆。
Pu = π Lnd g qg
式中：L——锚固体长度； dg——锚筋直径； n——锚筋数量；
(5)
qg——锚筋与锚固砂浆之间的极限粘结强度。
锚杆锚固力设计值为Ng，锚杆要达到锚固力设计值所需 的锚筋与锚固砂浆问的最小握裹长度：
Lg ≥
kN g
π nd g qg
(6)
式中：Lg——锚筋与锚固砂浆间的最小握裹长度； k——安全系数，对于临时锚杆取1.5～1.8对于永 久性锚杆取2.0～2.3； qg——锚筋与锚固砂浆间的极限粘结强度标准值 (见下表)。
非预应力锚杆长度一般不要超过l6m，单锚设计吨位一般 为l00～400kN，最大设计荷载一般不超过450 kN。预应力锚杆 (索)长度一般不要超过50m，单束锚索设计吨位一般为500～ 2500kN，最大设计荷载一般不超过3000kN，预应力锚索的间 距一般为4～10m。 进行锚杆设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆施 工完毕后必须对锚杆进行抗拔试验，验证锚杆是否达到设计承 载力的要求；同时对于遇到的大型滑坡在采用预应力锚索加固 后必须进行至少一年的位移监测。
对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆应优先选用 钢绞线、高强钢丝，这样不但可以降低锚杆的用钢量，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。
(3)按实际锚筋截面计算锚杆承载力设计值： 假设实际锚筋配置截面为Ag(Ag≥Ag′)，由下式按实际锚 筋计算锚杆承载力设计值： = Ng Ag f ptk k ≥N (2)
注：(1)当采用两根钢筋点焊成束作法时，粘结力应乘以0.85折减系数。 (2)当采用三根钢筋点焊成束作法时，粘结力应乘以0.7折减系数。 (3)成束钢筋不应超过三根，钢筋总截面积不应超过孔径面积的20％， 以保证钢筋在砂浆中的锚固效果，除非采用特殊的锚固段钢筋和注浆体 设计，并通过实验可适当增加钢筋数量。
2.5 锚杆弹性变形计算
锚杆的变形是由锚杆本身在外荷载作用下变形和由于地 层徐变引起的变形组成，由地层徐变引起的锚杆变形计算可 以通过徐变系数计算。锚杆本身在外荷载作用下变形以弹性 变形为主，下面是锚杆弹性变形的计算方法。
(1)非预应力土层锚杆弹性变形的计算 对于土层锚杆在外荷载作用下，除了锚杆自由段产 生弹性变形外，锚固段也存在一部分变形，一般需要通过试 验确定，在初步设计时可以近似估算：
(5)锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构， 适用于岩石边坡。锚板可根据岩石类别采用现浇板或挂网喷 射混凝土层。
(6)预应力锚索与抗滑桩联合使用形成预应力锚索抗滑桩结 构
2. 锚杆的设计
2.1 基本原则
当对支护结构变形量容许值要求较高、岩层边坡施工期 稳定性较差、土层锚固性能较差、采用了钢绞线和精轧钢时， 宜采用预应力锚杆。但预应力作用对支承结构的加载影响、 对锚固地层的牵引作用以及相邻构筑物的不利影响应控制在 安全范围之内。 设计的锚杆必须达到所设计的锚固力要求，防止边坡滑 动剪断锚杆，锚杆选用的钢筋或钢绞线必须满足有关国家标 准，特别是预应力钢绞线，除了满足Gl3／T 52245标准外， 还必须获得IS09002国际质量认证。
式中：Sc——锚杆弹性变形；
式中：Ng——实际锚筋配置情况下锚杆的承载力设计值； k——安全系数，对于临时锚杆取1.6～1.8；对于永久 性锚杆取2.2～2.4 ； fptk——所配锚筋(钢丝、钢绞线或钢筋)的抗拉强度设 计值。
2.4 锚杆的锚固力计算
锚杆的锚固力也可称为锚杆承载力。锚杆极限锚固力(极 限承载力)是指锚杆锚筋沿握裹砂浆或砂浆沿孔壁产生滑移破 坏时所能承受的最大临界拉拔力，它可以通过基本试验（破 坏性拉拔试验）确定。锚杆容许锚固力(容许承载力)是极限 锚固力(极限承载力)除以适当的安全系数(通常为2.0～2.5)； 通常锚杆容许锚固力是锚杆设计锚固力(或称为锚固力设计值) 的1.2～1.5倍。在设计时，锚杆的设计荷载必须小于锚固力 设计值。
(1)锚头：锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，由 台座、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。 (2)锚固段：是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域， 其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体 的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。 (3)自由段：是指将锚头处的拉力传至锚固体的区域，其 功能是传递拉力； (4)锚杆配件：定位支架、导向帽、架线环、束线环、注 浆塞等。