公路工程中岩土锚固技术(程良奎)(ppt)
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公路工程中的岩土锚固技术
中冶集团建筑研究总院 原副总工程师 （冶金部建筑研究总院）
中国岩石力学与工程学会 技术咨询委员会主任委员
程良奎
引言 岩土锚固的力学作用 边坡锚固 隧道锚喷支护 桥梁结构物与受拉基础的锚固 岩土锚固的试验与监测 结语
1、引言
自1934年阿尔及利亚cheursfas坝加固工程， 采用10000kN预应力锚杆（索）传递拉力至下卧 的砂岩以来，岩土锚固已发展成为一门重要的和 具有巨大发展潜力的工程学科和技艺。已经广泛 应用于包括我国在内的世界各国的地下工程、边 坡工程、深基坑工程、混凝土重力坝加固加高与 新建工程、结构抗倾工程以及受拉型基础工程， 已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工 程问题的一种最经济、最有效的方法，成效极为 显著。
L ——第i条滑动面圆弧段长度（m）；
Tn ——预应力锚杆作用于滑动面上的总垂直力（kN）；
Tt ——预应力锚杆作用于滑动面上的总切向力（kN）；
（3）平面滑动
破坏面
θ
锚杆轴向力 摩擦力
岩体重
β
垂直反力
岩体边坡沿结构面平面滑动的稳定性分析简图
当（ ）<900 T cos( ) T sin( ) tg G cos tg c A
K
G sin
当（ ）>900 K T sin( ) tg G cos tg c A T cos( ) G sin
式中：K——边坡稳定安全系数； T ——预应力锚杆轴向拉力设计值（kN）；
G ——边坡岩体自重（kN）；
c——边坡岩体结构面的粘聚力（kPa）；
——边坡岩体结构面的内摩擦角（0）；
常用的边坡稳定性分析的简化方法
方法
对平衡条件的简化
力矩平衡
力平衡
滑裂面形状的假定
满足 不满足 全部满足 部分满足 圆弧 折线 任意形状
楔形体法
√
√
√
瑞典法 √
√
毕肖普法 √
√
√
Spencer法 √
√
√
M-P法 √
√
√
（2）圆弧滑动
T W
Wn Wt
Tn Tt
土质或碎裂结构岩质边坡稳定性分析简图
n
岩土锚固技术 ——
埋设于岩土中受拉杆件，用以加固不稳定的岩土体 或将结构物的拉应力传递给深部稳定地层
形成拉杆与岩土相互作用、共同工作的体系
边坡锚固
隧道锚固
大坝锚固
抗浮锚固
岩土锚固的特点与作用：
充分发挥岩土体自身强度和自稳能力 显著减小结构物体积和自重 提高工程的防灾抗震性能 对加速水利、交通、矿山、市政、建筑等工
• 预应力锚杆加固 后形成压应力环
3 边坡锚固
3.1 边坡的稳定性分析与预应力锚杆承载力 的设计
（1）边坡稳定性计算 工程地质类比方法 极限平衡方法：如瑞典园弧法、 简化Bishop法、
Janbu法、Morgenstem -price法等
数值计算方法：
连续介质：有限方法、边界元法、显式有限差分法 （FLac方法） 不连续介质：块体理论、DEM、DDA、界面元方法等
2.1 抵抗竖向位移
P mU Q0 mhF Q0
式中： P — 锚固力总和 m — 抵抗竖向位移的安
全系数（1.05～1.2) U —结构底面的上浮力 Q0 — 锚固前结构自重 h — 地下水设防高度 F — 结构底面积 v — 结构物体积 r — 结构物容重
2.2 抵抗倾覆：
m
M MBiblioteka () ()A——边坡岩体结构面面积（m2）； ——结构面与水平面的夹角（0）；
——预应力锚杆的倾角（0）；
3.2 边坡的开挖形态
• 开挖台阶 台阶垂直高度：岩质边坡 8～10m 土质边坡 6 ～8m 第一级台阶高一般为4 ～6m，常采用挡墙。
• 坡率：微风化岩石 1:0.1 ～1:0.3 中风化岩石 1:0.5 ～1:0.75 强风化岩石 1:0.75 ～1:1.0 坡积土 1:1.0 ～1:1.5
P mM () M () tp
式中： P — 抵抗倾倒所需锚固力（垂直作用于结构底面） m － 抵抗倾倒的安全系数（1.5～2.0) M（＋）、 M（—）— 锚固前作用与结构上的正弯矩或负弯矩
之和 tp — 锚固力的力矩半径
2.3 阻止地层的剪切破坏
m f ( N Pn ) C l T Pt
● 可方便地设定调整锚杆的作用部位、方向、 密度和施作时机，以最小的支护抗力，获得 最佳的稳定效果； ● 良好的延性，显著提高锚固结构物抵抗地 震和动力作用的能力； ● 将结构物与地层紧紧地联锁在一起，形成 共同工作体系。
2 岩土锚固的力学作用
抵抗竖向位移 抵抗倾倒 控制地下洞室围岩变形和防止塌落 阻止地层的剪切破坏 抵抗结构物基底的水平位移 提高工程的抗震稳定性
ΔN—作用在一条剪切面上的重 量G的垂直分力；
F=tgφ—剪切面的磨擦系数； Δl—剪切面宽度； ΔT— 作 用 在 一 条 剪 切 面 上 的 重
量G的切向分力； Pn—锚杆锚固力的垂直分力； Pt—锚杆锚固力的切向分力。
2.4 控制地下洞室围岩变形和防止塌落
• 预应力锚杆与 系统锚杆加固 大型洞室。
程建设有重要作用
1.1 概念
岩土锚固是在地层（岩土体）深处设置一 系列受拉杆件（筋体），用灌浆材料将杆件 （筋体）与地层紧密固结在一起，通常对其施 加预应力，同时这些杆件（筋体）也将地层与 结构物连锁起来，用来加固岩土体的不稳定部 分或将结构物的拉应力传递给稳定的岩土体， 以保持岩土体与结构物的稳定。
n
f Gn Tn c L
K
i 1 n
i 1
Gt Tt
i 1
n
n
K Gt c L K Tt n
Tn i1
i 1
f
Gn i 1
式中：K——边坡稳定安全系数；
G——作用于第i条滑动面上的岩土重量（kN）；
Gn ——作用于第i条滑动面上的岩土体的垂直分力（kN）； Gt ——作用于第i条滑动面上的岩土体的切向分力（kN）； f、c——岩土的摩擦系数tgφ与粘聚力c（kPa）；
锚杆（索）工作时，“锚杆-地层”是相互 作用的。岩土锚杆（索）与被锚固的结构是 相互影响的。充分认识和能动利用岩土锚固 的工作特性，最大限度地调用岩土体自身强 度和自稳能力，是经济有效的保障岩土锚固 工程安全的前提。
1.2 岩土锚固的工作特点
● 地层开挖后，立即提供支护抗力； ● 主动加固地层，有效控制变形发展； ● 改善岩土体的应力状态； ● 提高地层软弱结构面、潜在滑移的抗剪强 度，改善地层的其它力学性能；
中冶集团建筑研究总院 原副总工程师 （冶金部建筑研究总院）
中国岩石力学与工程学会 技术咨询委员会主任委员
程良奎
引言 岩土锚固的力学作用 边坡锚固 隧道锚喷支护 桥梁结构物与受拉基础的锚固 岩土锚固的试验与监测 结语
1、引言
自1934年阿尔及利亚cheursfas坝加固工程， 采用10000kN预应力锚杆（索）传递拉力至下卧 的砂岩以来，岩土锚固已发展成为一门重要的和 具有巨大发展潜力的工程学科和技艺。已经广泛 应用于包括我国在内的世界各国的地下工程、边 坡工程、深基坑工程、混凝土重力坝加固加高与 新建工程、结构抗倾工程以及受拉型基础工程， 已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工 程问题的一种最经济、最有效的方法，成效极为 显著。
L ——第i条滑动面圆弧段长度（m）；
Tn ——预应力锚杆作用于滑动面上的总垂直力（kN）；
Tt ——预应力锚杆作用于滑动面上的总切向力（kN）；
（3）平面滑动
破坏面
θ
锚杆轴向力 摩擦力
岩体重
β
垂直反力
岩体边坡沿结构面平面滑动的稳定性分析简图
当（ ）<900 T cos( ) T sin( ) tg G cos tg c A
K
G sin
当（ ）>900 K T sin( ) tg G cos tg c A T cos( ) G sin
式中：K——边坡稳定安全系数； T ——预应力锚杆轴向拉力设计值（kN）；
G ——边坡岩体自重（kN）；
c——边坡岩体结构面的粘聚力（kPa）；
——边坡岩体结构面的内摩擦角（0）；
常用的边坡稳定性分析的简化方法
方法
对平衡条件的简化
力矩平衡
力平衡
滑裂面形状的假定
满足 不满足 全部满足 部分满足 圆弧 折线 任意形状
楔形体法
√
√
√
瑞典法 √
√
毕肖普法 √
√
√
Spencer法 √
√
√
M-P法 √
√
√
（2）圆弧滑动
T W
Wn Wt
Tn Tt
土质或碎裂结构岩质边坡稳定性分析简图
n
岩土锚固技术 ——
埋设于岩土中受拉杆件，用以加固不稳定的岩土体 或将结构物的拉应力传递给深部稳定地层
形成拉杆与岩土相互作用、共同工作的体系
边坡锚固
隧道锚固
大坝锚固
抗浮锚固
岩土锚固的特点与作用：
充分发挥岩土体自身强度和自稳能力 显著减小结构物体积和自重 提高工程的防灾抗震性能 对加速水利、交通、矿山、市政、建筑等工
• 预应力锚杆加固 后形成压应力环
3 边坡锚固
3.1 边坡的稳定性分析与预应力锚杆承载力 的设计
（1）边坡稳定性计算 工程地质类比方法 极限平衡方法：如瑞典园弧法、 简化Bishop法、
Janbu法、Morgenstem -price法等
数值计算方法：
连续介质：有限方法、边界元法、显式有限差分法 （FLac方法） 不连续介质：块体理论、DEM、DDA、界面元方法等
2.1 抵抗竖向位移
P mU Q0 mhF Q0
式中： P — 锚固力总和 m — 抵抗竖向位移的安
全系数（1.05～1.2) U —结构底面的上浮力 Q0 — 锚固前结构自重 h — 地下水设防高度 F — 结构底面积 v — 结构物体积 r — 结构物容重
2.2 抵抗倾覆：
m
M MBiblioteka () ()A——边坡岩体结构面面积（m2）； ——结构面与水平面的夹角（0）；
——预应力锚杆的倾角（0）；
3.2 边坡的开挖形态
• 开挖台阶 台阶垂直高度：岩质边坡 8～10m 土质边坡 6 ～8m 第一级台阶高一般为4 ～6m，常采用挡墙。
• 坡率：微风化岩石 1:0.1 ～1:0.3 中风化岩石 1:0.5 ～1:0.75 强风化岩石 1:0.75 ～1:1.0 坡积土 1:1.0 ～1:1.5
P mM () M () tp
式中： P — 抵抗倾倒所需锚固力（垂直作用于结构底面） m － 抵抗倾倒的安全系数（1.5～2.0) M（＋）、 M（—）— 锚固前作用与结构上的正弯矩或负弯矩
之和 tp — 锚固力的力矩半径
2.3 阻止地层的剪切破坏
m f ( N Pn ) C l T Pt
● 可方便地设定调整锚杆的作用部位、方向、 密度和施作时机，以最小的支护抗力，获得 最佳的稳定效果； ● 良好的延性，显著提高锚固结构物抵抗地 震和动力作用的能力； ● 将结构物与地层紧紧地联锁在一起，形成 共同工作体系。
2 岩土锚固的力学作用
抵抗竖向位移 抵抗倾倒 控制地下洞室围岩变形和防止塌落 阻止地层的剪切破坏 抵抗结构物基底的水平位移 提高工程的抗震稳定性
ΔN—作用在一条剪切面上的重 量G的垂直分力；
F=tgφ—剪切面的磨擦系数； Δl—剪切面宽度； ΔT— 作 用 在 一 条 剪 切 面 上 的 重
量G的切向分力； Pn—锚杆锚固力的垂直分力； Pt—锚杆锚固力的切向分力。
2.4 控制地下洞室围岩变形和防止塌落
• 预应力锚杆与 系统锚杆加固 大型洞室。
程建设有重要作用
1.1 概念
岩土锚固是在地层（岩土体）深处设置一 系列受拉杆件（筋体），用灌浆材料将杆件 （筋体）与地层紧密固结在一起，通常对其施 加预应力，同时这些杆件（筋体）也将地层与 结构物连锁起来，用来加固岩土体的不稳定部 分或将结构物的拉应力传递给稳定的岩土体， 以保持岩土体与结构物的稳定。
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f Gn Tn c L
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式中：K——边坡稳定安全系数；
G——作用于第i条滑动面上的岩土重量（kN）；
Gn ——作用于第i条滑动面上的岩土体的垂直分力（kN）； Gt ——作用于第i条滑动面上的岩土体的切向分力（kN）； f、c——岩土的摩擦系数tgφ与粘聚力c（kPa）；
锚杆（索）工作时，“锚杆-地层”是相互 作用的。岩土锚杆（索）与被锚固的结构是 相互影响的。充分认识和能动利用岩土锚固 的工作特性，最大限度地调用岩土体自身强 度和自稳能力，是经济有效的保障岩土锚固 工程安全的前提。
1.2 岩土锚固的工作特点
● 地层开挖后，立即提供支护抗力； ● 主动加固地层，有效控制变形发展； ● 改善岩土体的应力状态； ● 提高地层软弱结构面、潜在滑移的抗剪强 度，改善地层的其它力学性能；