自钻式锚杆设计

自钻式锚杆的设计应用
1 前言
自钻式锚杆是一种中空锚杆，采用厚壁无缝钢管制作，外表全长具有标准的连续螺纹，并能任意切割和用套筒联连加长，其结构包括中空杆体、垫板、螺母、联连套筒和钻头。

高效。

2 自钻式锚杆的设计 2.1 确定设计参数
设计参数：稳定边坡坡率m 、自然边坡坡率n 、边坡各地层容重γ、内摩擦角φ、粘聚力c 。

2.2 锚固力设计计算
计算自钻式锚杆的锚固力时，首先要计算确定边坡不稳定体的下滑力。

下滑力的计算可采用传递系数法，公式如下：
i i i i i i i i i L c W T KW T --ψ+=-ϕααtan cos sin 1 （1.1） i i i i i ϕααααtan )sin()cos(11---=ψ-- （1.2）
式中 T i ——第i 个条块末端的下滑力(kN ／m)；
K ——安全系数，可采用1．05～1.25； W i ——笫i 个条块滑体的重力(kN ／m)；
I i i S W γ⨯=, S i ——滑块面积 (m 2), γi ——滑块容重(kN/m 3)
i α——第i 个条块所在滑动面的倾角(º)；
1-i α——第i-1个条块所在滑动面的倾角(º)； i ϕ——第i 个条块所在滑动面上的内摩擦角(º)； c i ——第i 个条块所在滑动面上的单位黏聚力(kPa)；
L i ——第i 个条块所在滑动面的长度(m)； Ψ——传递系数。

如工点处于八度或八度以上地震区时，下滑力计算应考虑水平向地震荷载。

水平向地震荷载应按下式计算
i h z i hs W K C C E = （1.3）
式中 C i ——重要性修正系数，应按《公路工程抗震设计规范》表1.0.4采用； C z ——综合影响系数，取C z =0.25；
k h ——水平地震系数，应按《公路工程抗震设计规范》表1.0.7采用； W i ——笫i 个条块滑体的重力(kN ／m)；
E hs ——作用于边坡计算条块滑体的重心处的水平地震荷载(kN ／m)。

水平地震荷载可以分解为一个沿滑面方向的下滑力和一个垂直于滑面的力。

分别为： i i h z i hs W K C C E αcos 1= （1.4）
i i h z i hs W K C C E αsin 2= （1.5）
此时，下滑力就应按下式进行计算：
121tan )cos (sin hs i i i hs i i i i i i E L c E W T KW T +---ψ+=-ϕαα （1.6）
将公式1.4、1.5代入上式，得
i i h z i i i i i h z i i i i i i i W K C C L c K C C W T KW T αϕαααcos tan )sin (cos sin 1+---ψ+=- （1.7）
锚固力是根据边坡稳定性分析，由边坡不稳定体的下滑力计算确定的，计算公式如下：
()()[]βαϕβα+++=cos tan sin /F P （1.8）
式中 F ——下滑力(kN)；
A T F ⨯= , A ——锚杆纵向间距 (m) ;
P ——设计锚固力(kN)；
ϕ——滑动面内摩擦角(º)；
α——锚杆与滑动面相交处滑动面倾角(º)；
β——锚杆与水平面的夹角。

P 为锚杆纵向间距 (m)宽度内所有锚杆的设计锚固力。

单孔设计锚固力按下式计算
N
P
P t
（1.9） 式中 P t ——单孔设计锚固力(KN)；
N ——锚孔排数；
单孔设计锚固力Pt 应小于锚杆的极限拉力Pu ，即Pt ＜ Pu 。

锚杆极限拉力见表1。

表1 自钻式锚杆技术参数表
2.3 锚固体设计计算
自钻式锚杆锚固体的设计比较复杂，这主要是其自身结构的特殊性决定的。

锚固体由中空锚杆和注浆体组成。

锚杆型号根据设计锚固力的大小，按《自钻式锚杆技术参数表》选取。

注浆体由边坡地层的岩土体被锚杆钻进挠动后，再由注入的水泥浆或水泥砂浆胶结而形成。

当注浆参数确定后，注浆体和锚杆的粘结强度、注浆体和孔壁的抗剪强度主要由边坡地层的岩土性质决定。

一般破碎岩层、砂卵石层的注浆体和锚杆的粘结强度、和孔壁的抗剪强度较高，而砂层、软土层的注浆体和锚杆的粘结强度、和孔壁的抗剪强度较低。

确定边坡采用自钻式锚杆加固时，需要在原地做抗拔试验，根据抗拔力、试验锚固段长度和锚固体直径，计算出注浆体和锚杆间的粘结强度、和周围岩土体间的抗剪强度。

试验中，当锚杆从注浆体中
拔出，说明锚固体的承载力由注浆体和锚杆间的粘结强度控制；当锚杆带着注浆体被拔出，说明锚固体的承载力由注浆体和周围岩土的抗剪强度控制；当锚杆被拔断时，说明锚固体的承载力由锚杆的抗拉强度控制。

当已知注浆体和锚杆的粘结强度、注浆体和周围岩土体的抗剪强度时，可根据以下公式计算确定锚固段长度：
u t sa d P K l τπ⋅⋅⋅=
τ
π⋅⋅⋅=h t
a d P K l
式中 K —拉拔安全系数，永久性锚固K ≥2.5，临时性锚固K ≥1.5；
d —锚杆直径(m)；
d h —锚固体(即钻孔)直径(m)； τu —锚杆与注浆体极限黏结应力；
τ—注浆体与周围岩土体间的极限剪应力。

锚杆总长度为锚固段、自由段和外锚段的长度之和。

锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算，预应力锚杆自由段长度应不小于5m ，且应超过潜在滑裂面。

锚固段长度取以上两公式中的大值。

同时，土层锚杆的锚固段长度不应小于4m ，且不宜大于10m ；岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m ，且不宜大于45d 和6.5m 。

自钻式锚杆仅在理论计算时分为锚固段和自由段，实际在注浆时，全段注浆，不分段。

处理破碎岩质边坡，当孔口返浆时，可牢固封堵孔口，对岩体进行压力灌浆处理，尽可能使岩石裂隙中充满浆液，有效地胶结破碎岩体，提高其整体性和稳定性。

处理软土边坡时，可采用分段钻进，分段注浆的方法，对软土体进行固结灌浆处理，提高其抗剪强度，从而提高锚杆的抗拔能力。

2.4 材料要求
锚杆材质应符合国家GB8162-87 Ⅰ标准、高抗张力无缝钢管；全杆冷轧为T 型螺纹；连接杆除与杆身具有相同材质外，应有自动止锁密合设计。

锚头：自钻式锚杆锚头为耐磨合金钢钻头，并预留浆液出孔。

承载板、螺帽承载力，必须大于设计锚杆承载力。

水泥浆采用M30纯水泥浆。

2.5 施工技术要求
2.5.1 自钻式锚杆安装前，应检查锚杆体中孔和钻头的水孔是否畅通，若有异物堵塞，应及时清理。

2.5.2 锚杆安装，采用自钻式锚杆，其锚杆本身既为钻杆，在前端装上合金钢钻头，钻
机将锚杆依设计长度分段连续钻进。

2.5.3 锚杆体钻进至设计深度后，应用水和空气洗孔，直至孔口返水或返气，方可将钻机和连接套卸下并及时安装垫板及螺母，临时固定杆体。

2.5.4 灌浆时从锚杆底部开始灌注；朝下或水平方向灌注时，水泥浆灌满孔流出后，以快干水泥浆封住孔口，待5~10分钟再套上垫板，并锁上螺帽。

需进行第二次补浆时，压力则控制在0.5MPa以内。

若朝上灌浆，锚杆底端可先装上止浆套环，以防水泥浆外渗。

2.5.5 灌浆采用纯水泥浆或1：1水泥砂浆，水灰比宜为0.40~0.5。

采用水泥砂浆时砂子粒径不应大于1.0mm。

2.5.6 当水泥浆体强度达5.0MPa后，方可上紧螺母。

垫板必须在喷射混凝土面，或岩石面呈不规则形状处，亦能将承载力均匀传递给锚杆而不会使锚杆产生弯曲应力。

2.6 质量检查
自钻式锚杆的检查项目见下表：
3 结束语
自钻式锚杆施工机具简单，地层适应性强。

结合挡墙、格构、挂网喷护等挡护结构，其应用更加广泛。

在宝兰二线、兰武二线、溪洛渡水电站对外专用公路等路堑边坡加固防护中已大量使用，具有成熟的设计、施工、检测经验。

但是，自钻式锚杆钻进深度有限、抗拔力较小，只适用于较浅层的边坡加固防护，对于大型高危边坡，还需采用一般锚杆、锚索等措施进行挡护。