第五章 锚杆与锚索支护结构

垂直预应力锚杆挡土墙
锚头 锚杆 灌注沥青
坡面
M30水泥砂浆
图5-4 垂直预应力锚杆挡土墙示意
0.5m 锚固段
自由段
垂直预应力锚杆挡土墙由圬工墙身和预 应力锚杆组成，如图5-4所示。它借助与锚杆 预应力墙身施加的压力，代替墙身圬工的重 量，从而减小墙身的断面尺寸。垂直预应力 锚杆挡土墙具有节省圬工、造价低廉和施工 简便等优点，适用于墙身所受推力较大的岩 石地基和挡土墙变形需要严格控制的地段。 锚杆的预应力也可增大画面或破裂面的静摩 擦力。
L2
式中，F为锚固体周边极限摩阻力； Q为锚固体受压面得极限抗压力； D1 D1 为锚固体直径； D2 D2 为锚固体扩孔直径； z 为深度z处单位面积摩阻力(抗剪强度)； 图5-6 扩孔锚杆 q 为锚固体扩孔部分受压强度； A 为锚固土扩孔部分受压面积； L1 L2 Z1和 Z2 为图5-6所示长度。
c tan
c 式中， 为锚固区的粘聚力(kPa)； 为土的内摩擦角(°)； 为孔壁周边法向压应力(kPa)。 从式中得出土层对锚杆的抗剪强度影响参数，因为不同的 土层有不同的c、φ参数，计算的抗剪强度也各异。此外，也 对锚杆抗剪强度产生影响，而与锚杆的埋设存在关系。
△ 锚杆压力灌浆与二次灌浆对抗拔力影响 压力灌浆对锚杆的抗拔力起很大的作用，灌浆时在锚固段端头加堵浆器后， 压力将增大很多。灌浆压力使水泥浆颗粒渗入到周围土层中去，增加了锚固体与 土层的摩擦力，从而增加了锚杆的抗拔力。以前曾做过试验，锚杆在粉砂层中， 当灌浆压力为1MPa 时其极限抗拔力为300kN，当灌浆压力增加到2.5MPa时，其 极限抗拔力达900kN。
格构式锚杆挡土墙
堑顶线
横连梁
wenku.baidu.com自由
段 锚固 段
破裂面 锚头 钢筋网 喷射混 凝土或 绿化。 竖肋
横肋
锚杆
图5-3 格构式锚杆挡土墙示意图
格构式锚杆挡土墙由现浇网状的钢筋混 凝土格架梁和灌浆锚杆组成，如上图5-3所示。 垂直型墙面可用于稳定性和整体性较好的岩 石边坡，后仰型墙面可用于各类岩石边坡和 稳定性较好的土质边坡。格架内墙面根据边 坡岩土条件及整体稳定状态，可采用网喷混 凝土封面或绿化处理。当开挖后边坡稳定性 较差时可采用“逆作法”施工。
3 设计中存在的问题 土压力计算
挡土墙侧向土压力的大小与岩土力学性质、墙高、支 护结构形式及位移方向和大小等因素有关。由于锚杆挡土 墙构造特殊，侧向压力的影响因素更为复杂。锚杆挡土墙 变形的大小、锚杆是否施加预应力、锚杆挡土墙的施工方 法等都直接影响土压力；肋柱、挡土板、锚杆和地基间存 在复杂的相互作用关系，目前在理论上还没有准确的计算 方法能如实地反映各种因素对锚杆挡土墙侧向压力的影响。 从理论分析和实测资料坎，土质边坡锚杆挡土墙的土压力 大于主动土压力，采用预应力锚杆挡土墙时土压力增加更 大，现行的一些规范中采用土压力增大系数来反映锚杆挡 墙侧向压力的增大。岩质边坡变形小，应力释放较快，锚 杆对岩体约束后，侧向压力增大不明显，对岩层较好的非 预应力锚杆挡土墙可不考虑侧向压力增大。由于是否考虑 土压力增大和土压力增大和土压力增大系数都带有一定的 经验性，因此，该领域还需做进一步的研究。
△ 经验积累的土的抗剪强度
1、铁道科学研究院提出的抗剪强度参考值，如表5-1所示。
表5-1 土体与锚固体间抗剪强度参考值
锚固段地层 风化砂、页岩层、炭质页岩 粘砂土、砂粘土 软粘土 抗剪强度τ (kPa) 0.15~0.20 0.06~0.13 0.02~0.03
2、上海特种基础工程研究所提出的软土地基土的抗剪强度， 表5-2 软土与锚固体间抗剪强度参考值 如表5-2所示。

墙面的计算
锚杆挡土墙与墙厚岩土体是相互作用、相互影响的一个 整体，其结构内力除与支挡结构的刚度有关外，还与岩土体 的变形有关，因此要准确计算是较为困难的。根据目前的研 究成果，可按连续介质理论采用有限元、边界元和弹性支点 等方法进行精确计算，但这种计算太复杂，计算结果偏小。 在实际工程中，一般采用等值梁法或静力平衡法等进行近似 计算。 在平面分析模型中，弹性支点法根据连续梁理论，考 虑支护结构与其后岩土体的变形协调，其计算结构较为合理。 等值梁法或静力平衡法假定开挖下部边坡时上部已施工的锚 杆内力保持不变，并且锚杆与墙面的连接处为不动点。实际 上锚杆受力后将产生变形，支挡结构刚度也较小，属柔性结 构。但在锚固点变形较小时，其计算结构能满足工程的需要， 且计算较简单。因此，对岩质边坡及较坚硬的土质边坡，可 采用等值梁法或静力平衡法；对较软弱的土质边坡，宜采用 弹性支点法或其他较精确的方法。 肋柱式锚杆挡土墙板和肋柱分别计算时，未考虑其共同 作用，计算计算偏于安全。
H2
一般式锚杆挡土墙，如上图5-1所示，由横肋 （腰梁）和灌浆锚杆组成。横梁可以采用混凝土现 浇或采用直接采用型钢。
灌浆锚杆采用钻机钻孔。孔径为100～150mm， 孔内安放钢筋或钢丝束，用灌注水泥砂浆的方法， 使其锚固于稳定的地层内。水泥砂浆的强度等级 一般不低于M30。可灌浆锚杆也用于土层。但由 于土层与锚杆间的握固力较低，尚需采用扩张和 加压灌浆等方法，以提高锚杆的抗拔力。 腰梁设计可以采用混凝土现浇或采用型钢代 替。若采用混凝土现浇，截面多为矩形。截面不 小于？。若采用型钢代替，多选择工字钢或槽钢 代替，截面尺寸根据计算确定 。
锚固段地层
褐黄色粉质粘土 灰色粉质粘土夹粘土 灰色粘土 灰色粘土夹粉砂 灰色砂夹粘土
抗剪强度τ (kPa)
0.0324 0.0299 0.0223 00314 0.0628
3、冶金建筑研究总院提出的土抗剪强度，如表5-3所示。
表5-3 土体与锚固体间抗剪强度参考值
L1
dz
三 普通锚杆支护结构设计计算
锚杆承载力计算 △ 土的抗剪强度
一般灌浆锚杆（压力0.3～9.5MPa）的承载能力（抗 拔力）与锚杆的钻孔径、长度及土的抗剪强度有关。以公式 表达式为： T L . D
m
式中，T为锚杆承载力(kN)；Lm为锚固段长度(m)；D为 锚杆孔径(mm)；τ为土的抗剪强度(MPa)。 从公式可以看出锚杆的承载力是锚固段长度和土的抗剪 强度的函数。在设计时锚杆承载力是有要求的，只要有土的 抗剪强度，就可以算出锚杆的长度，为此土的抗剪强度是关 键。
第五章 锚杆与锚索支护结构
主讲人： 王俊炜
项目管理 M11085240002
主要内容
一、概述
二、锚杆的作用原理（重点） 三、普通锚杆支护结构设计计算（重点、难点） 四、格构式锚杆支护结构设计计算 五、预应力锚索支护结构设计计算
一 概述
1 结构的发展和使用条件 锚杆挡土墙是由钢筋混凝土墙面（肋 柱、面板）和锚杆组成的支挡结构。它依 靠锚固在稳定岩土层内锚杆的抗拔力平衡 墙面处的土压力。锚杆的设计拉拔力可由 抗拔试验获得，以保证设计有足够的安全 度。
二 锚杆的作用原理
拉力
砂浆 土层
图5-5 锚杆受力机理
如图5-5所示。当锚固段锚杆受力，首先通过锚索（粗钢 筋或钢绞线）与周边水泥砂浆握裹力传到砂浆中，然后通过 砂浆传到周围的土体中。传递过程随着荷载增加，锚索与水 泥砂浆粘结力（握裹力）逐渐发展到锚杆下端，待锚固段内 发挥最大粘结力时，就发生与土体的相对位移，随即发生土 与锚杆的摩阻力，直到极限摩阻力。

柱板式锚杆挡土墙
柱板式锚杆挡土墙，如上图5-1所示，由肋柱、挡土板 和灌浆锚杆组成，可采用拼装式，也可以就地灌注。为便于 施工，一般为直立式 。 △柱板式锚杆挡土墙各构件的构造 肋柱的截面多为矩形，也可设计为T型。为安放挡土板 和设置锚杆，截面的看度不宜小于30cm，现浇时截面高度 不宜小于40cm。 墙面板可采用钢筋混凝土槽形板、空心板和矩形板。 矩形板的厚度一般不得小于15cm，现浇时不宜小于20cm。 挡土板两端与肋柱的搭接长度不得小于10cm。 当肋柱现浇时，必须将锚杆钢筋伸入肋柱内，其锚固 长度应满足《混凝土结构设计规范》（GB50010 -2002） 中9.3.1和9.3.2条的规定。当采用拼装时，锚杆和肋柱之间 可采用螺栓连接或焊接短钢筋连接，现浇可采用设置弯钩 的连接方式。

结构的发展： 锚 杆 挡 土 墙 上 层 锚 杆 土 层 锚 杆
注：土层锚杆由于土的抗剪强度低，需要对锚固段采取一定的措施 ，如端部扩大锚固，连续球体锚固，增大灌浆压力，二次灌浆等， 以提高锚杆的极限抗拔力。

锚杆的优点与使用条件 锚杆技术的优点是对基坑、边坡的扰动 较小，预应力锚杆可控制结构的变形。近年 来，锚杆技术发展迅速，在边坡支护、围岩 锚定、滑坡整治、洞室加固、高层建筑基础 锚固等工程中广泛应用，具有实用、经济的 特点。肋柱式锚杆挡土墙多用于一般地区较 完整岩石地段的边坡支挡工程，也可作为土 质边坡、基坑开挖和地下工程的临时支护。

锚杆的设计
锚杆设计中有许多不确定因素，如地层形态、地下水和 周围环境的影响，灌浆与杆体材料质量的不稳定性，锚杆个 别承载力下降或失效等。因此，锚杆毛固体的设计必须采用 合适的安全系数，但各规范的安全系数的取值都不一样，大 致在1.4～2.2之间。锚固体与土层和岩层之间的抗剪强度不 仅与岩土的性质有关，还与灌浆的材料和灌浆压力以及锚固 的形式有关，其取值各规范也不一致，而且各种表格数据一 般来源于某地区或某些工程的统计值，给设计时取值带来一 定的困难。一般设计中，可先根据地质资料或经验数据确定 采用的设计参数，为了工程的安全，施工是现场必须做拉拔 试验，以对设计参数进行验证或修改。
△结构的特点
能争取边坡高度，减小土石方开挖和占地，节省石料。 预知肋柱式锚杆挡土墙因每一级墙需一次挖成，故适用于岩 层比较完整、不易坍塌的地段，同时注意开挖后需及时施工。

板肋式挡土墙
堑顶线
横连梁
自由
段 锚固 段
面板 锚头 肋
破裂面
锚杆
面板
肋
正面图及平面图
断面图
图5-2 板肋式锚杆挡土墙示意图
现浇钢筋混凝土板式锚杆挡土墙，由带 竖肋的板和灌浆锚杆组成，竖肋可向里，也 可向外，如图5-2所示。板肋式锚杆挡土墙适 用于挖方地段，当开挖后边坡稳定性较差时， 可采用“逆作法”施工，即开挖到一定深度， 施工锚杆，绑扎钢筋，墙面板灌注混凝土， 待每一层结构达到一定强度后在开挖下一层， 重复各步骤。
钢筋直径
钻孔直径

锚杆抗拔原理
土层
孔壁摩阻力τ 握裹力
△ 抗拔试验证明，拔力小时锚杆位移量极小；拔力增大， 位移增大；拉拔力达一定量时，位移不稳定，甚至不加力， 位移仍不停止；此时认为锚杆已达到破坏阶段，也就是锚杆 与土层间的摩阻力超过了极限状态。
影响锚杆抗拔力的因素
△ 土层对锚杆抗拔力的影响 土层的强度一般低于砂浆强度，如果施工灌浆的工艺良 好，土层锚杆孔壁对于砂浆的摩阻力取决于沿接触面外围的 土层抗剪强度。土层抗剪强度的表达式为
△ 锚杆形式对抗拔力的影响 锚杆底部形成扩大头，或以机械扩成几个扩大头圆柱体， 它的抗拔力能增大很多。法国Habib对扩孔锚杆，如图 5-6所示，建议极限抗拔力按下式计算：
Pug
z2
z1
Ppg F Q D1
z1 L1
z1
z dz D2
z2 L2
z2
z dz qA
以往锚杆设计中常将锚固长度上的粘结应力视为均匀分布，采用抗 拔力与锚杆长度成正比的假定与现场实测情况是有出入的。当前普遍采 用的集中拉力型锚杆在受荷时，不能将荷载均匀地分布于锚固长度上， 会出现严重的应力集中现象。当荷载传递到最远端之前，锚固长度近端 处的粘结效应会出现弱化甚至脱开现象。因此，应积极采用在一个钻孔 中安放若干个锚固长度较短（小于0.5m）的单元锚杆的复合锚固，它能 使粘结强度较均匀地分布与整个锚固长度上，更有晓地利用地层的抗剪 强度。
锚杆挡土前的类型与特点 普通式 （重点） 锚 杆 柱板式 （重点） 式 挡 板肋式 土 · 墙 板壁式 的 结 格构式 构 形 垂直预应力锚杆 式

普通式锚杆挡土墙
堑顶线
w
自由段
肋柱 肋柱
锚固段
H1
挡土板
挡土板 锚杆
平台 破裂面 锚杆
挡土板 肋柱 代表性横断面图 正面图及平面图
图5-1 两级柱板式锚杆挡土墙示意图