1、錨桿（索）1. 錨桿（索）的作用機理立柱在荷載的作用下， 有繞著基地轉動的趨勢， 此時可以利用灌漿錨桿 （索） 的抗拔作用力來進行抵抗。灌漿錨桿（索）指用水泥砂漿（ 或水泥漿、化學漿液等）將一組鋼拉桿 （ 粗鋼筋或鋼絲束、鋼軌、小鋼筋籠等 ） 錨固在伸向地層內部的 鉆孔中，并承受拉力的柱狀錨固體。 它的中心受拉部分是拉桿。 其受拉桿件有粗 鋼筋，高強鋼絲束，和鋼絞線等三種不同類型。而且施工工藝有簡易灌漿、預壓 灌漿以及化學灌漿。 錨固的形式應根據錨固段所處的巖土層類型、 工程特征、 錨 桿（索）承載力大小、錨桿（索）材料和長度、施工工藝等條件，按表 1-1 進行 具體選擇。 同時，為了更好地對

2、錨桿（索）進行設計，以下將對錨桿（索）的抗拔作用力機 理進行介紹。錨桿（索）的抗拔作用力又稱錨桿（索）的錨固力，是指錨桿（索）的錨固 體與巖土體緊密結合后抵抗外力的能力， 或稱抗拔力， 它除了跟錨固體與孔壁的 粘結力、摩擦角、擠壓力等因素有關外，還與地層巖土的結構、強度、應力狀態 和含水情況以及錨固體的強度、外形、補償能力和耐腐蝕能力有關。許多資料表明，錨桿（索）孔壁周邊的抗剪強度由于地層土質不同，埋深不 同以及灌槳方法不同而有很大的變化和差異。 對于錨桿 （索）抗拔的作用機理可 從其受力狀態進行分析，由圖 1-1 表示一個灌漿錨桿（索）中的砂漿錨固段，如 將錨固段的砂漿作為自由體，其作用力受

3、力機理為：錨桿選型 表 1-1當錨固段受力時，拉力T。首先通過鋼拉桿周邊的握固力（u）傳遞到砂漿中， 然后再通過錨固段鉆孔周邊的地層摩阻力（t）傳遞到錨固的地層中。因此，鋼拉 桿如受到拉力作用，除了鋼筋本身需要有足夠的截面積（A）承受拉力外，錨桿（索） 的抗拔作用還必須同時滿足以下三個條件： 錨固段的砂漿對于鋼拉桿的握固力需能承受極限拉力； 錨固段地層對于砂漿的摩擦力需能承受極限拉力； 錨固土體在最不利的條件下仍能保持整體穩定性。以上第、個條件是影響灌漿錨桿（索）抗拔力的主要因素。孔壁摩阻力Tm1寺7i-A砂漿説XXXX A A/.X XXXv %徑旨 筋耳 鋼車1n W- _UUTi+1亠I

4、-7777 砂漿7 屮 7 7、f 3 7 7 7 V1 M W W V V V W i地層i+1地層i+1i圖1-1灌漿錨桿（索）錨固段的受力狀態2. 錨桿（索）的設計計算錨桿（索）的設計原則：（1）錨桿（索）設計前應進行充分調查，綜合分析其安全性、經濟性與可操作 性，避免其對路堤周圍構筑物和埋設物產生不利影響。（2）設計錨桿（索）時應考慮竣工后荷載作用對路堤的影響，要保證它們在載 荷作用下不產生有害變形。（3）設計錨桿（索）時，應對各種設計條件和參數進行充分的計算和試驗來確 定，只有少數有成熟的試驗資料及工程經驗的可以借用。錨桿（索）的設計要素：錨桿（索）的設計要素包括：錨桿（索）長度、錨

5、固長度、相鄰結構物的影 響、錨桿（索）的傾角和錨固體設置間距、錨桿（索）的抗拔力計算等等。這些 都是通過計算和試驗得來的。進行錨桿（索）設計時，選擇的材料必須進行材性試驗，錨桿（索）施工完 畢后必須對錨桿（索）進行抗拔試驗，驗證錨桿（索）是否達到設計承載力的要 求。錨桿（索）型式選擇應根據錨固段所處的地層類型、工程特征、錨桿（索） 承載力的大小、錨桿（索）材料、長度、施工工藝等條件綜合考慮進行選擇。表 2-1給出了土層、巖層中的預應力和非預應力常用錨桿（索）類型的有關參數。表2-1常用錨桿（索）型式力 載 承桿 錨力 應漿 注體 固 錨件 條 用 適索 z(17度 長態 狀式 方式 形類別筋

6、岡O54m6 1 V型 、王 圓土 層17 級 m、 n /_k型 孔 擴層 土 的錨 桿軋 n 精 紋1球 孔 續擴 連刑4型O 小 較線 絞 鋼力 應 預上 同上 同上 同O61巖筋 岡O54m型 、王 圓巖 層 錨17 級 m、 n /_k軋 精m o 1 力 應 預型 、王 圓桿O O11線絞 一鋼力 應 預型 主 圓上 同O2錨桿（索）錨筋的截面設計假設錨桿（索）軸向設計荷載為N，則可由下式初步計算出錨桿（索）要達到設計荷載N所需的錨筋截面:ptk式中，Ag為由N計算出的錨筋截面；k為安全系數，對于臨時錨桿（索）取 對于永久性錨桿（索）取；fptk為錨筋（鋼絲、鋼絞線、鋼筋）抗拉強度

7、設計 值。（2）錨筋的選用：根據錨筋截面計算值Ag，對錨桿（索）進行錨筋的配置，要求實際的錨筋I配置截面A Ag。配筋的選材應根據錨固工程的作用、錨桿（索）承載力、錨桿（索）的長度、數量以及現場提供的施加應力和鎖定設備等因數綜合考慮。對于采用棒式錨桿（索），都采用鋼筋做錨筋。如果是普通非預應力錨桿（索）， 由于設計軸向力一般小于450kN,長度最長不超過20米，因此錨筋一般選用普 通級熱軋鋼筋；如果是預應力錨桿（索）可選用級冷拉熱軋鋼筋或 其他等級的高強精軋螺紋鋼筋。鋼筋的直徑一般選用2232。對于長度較長、錨固力較大的預應力錨桿（索）應優先選用鋼絞線、高強鋼 絲，這樣不但可以降低錨桿（索）的

8、用鋼量，最大限度地減少鉆孔和施加預應力 的工作量，而且可以減少預應力的損失。因為鋼絞線的屈服應力一般是普通鋼筋 的近7倍，如果假定鋼材的彈性模量相同（X 105Mpa ,它們達到屈服點的延伸 率鋼絞線是鋼筋的7倍，反過來講，在同等地層徐變量的條件下，采用鋼絞線的 錨桿（索）的預應力損失僅為普通鋼筋的 1/7。在選用鋼絞線時應當符合國標（GB/T5223-95、GB/T5224-95）要求，7絲標準型鋼絞線參數如表 2-3所示。除 此之外，也可選用美國標準（ASTMA416-90a）、英國標準（BS5896:80）、日本標 準（JIS G3536-88）的鋼絞線，表2-4所示為ASTMA416-

9、90a 7絲標準型鋼絞線（270級）參數。為了便于選用，表2-5給出了按國標計算的出的不同錨桿 （索） 設計拉力值所需的鋼絞線根數。表2-3國標7絲標準型鋼絞線參數表公稱直徑(mm公稱面積(mm每 1000m理論重量(kg)強度級別(N/mri)破壞何載(kN)屈服何載(kN)伸長率(%70%破斷荷載1000h低松弛(%4321860102580186013811725.774186018415611011860259220表2-4 ASTM A416-90a 7絲標準型鋼絞線參數表公稱直徑(mm公稱面積(mm每 1000m理論重量(kg)強度級別(N/mr!破壞何載(kN)屈服何載(kN)伸

10、長率(%70%破斷荷載1000h低松弛(%4321860582186025.775186011021860表2-5錨桿(索)設計軸向力與鋼絞線使用根數對照表錨桿(索)設計軸向力(kN)250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 10007 $ 4鋼絞線(根)臨時性3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10永久性4 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 10 11 12 13 137 $ 5鋼絞線(根)臨時性2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7永久性3 3 4 4 4

11、 5 5 6 6 7 7 7 8 8 9 9錨桿（索）受力分析的理論解錨桿（索）深入巖石中，其端部承受拉拔力，假設水泥漿材與巖體為性質相 同的彈性材料，錨桿（索）所作用的巖體可視為半空間，深度z處作用一集中力， 如圖2-1所示,在任意點C（x,y,z）處的垂直位移分量 W可由Mindlin位移解確定：3 4u 8(1 u)2(34u) (z h)2(1)Q (1 u)R1R2R；8 E (1 u) (34u)( z h)2 2hz 6hz(z h)2RfR2圖2-1 Mindlin解的計算簡圖式中:E,卩分別為巖體的彈性模量和泊松比；y2 (z h)2 ；R22y2 (z h)2.在孔口處,x

12、=y=z=0,則式（1）可簡化為Q (1u )(32 u )2 hE（2）假設埋入巖體中的錨桿（索）為半無限長，錨桿（索八 水泥漿體與巖體之間處于 彈性狀態,滿足變形協調條件，則孔口處,巖體的位移與錨桿（索）體的總伸長量相等,從而可以建立以下方程：(32u)一 dz2 Gzz dz2 rdz ) dzE c A z(3)通過簡化，式（3）可化為二階變系數齊次常微分方程：IIaz2a（4）式（3）,（4）中:r為錨桿（索）體半徑(3 2u)EcA，G2(1 u )Ec為錨桿（索）體的彈性模量,A為錨桿（索）體的截面積,G為巖體的剪切模量T為錨桿（索）所受的剪應力。式（4）通過變換,并利用邊界條件

13、Z , T =0最后,可得錨桿（索）所受的剪應力沿桿體分布為Pkzjz2(5)e2 r式中：k(1u )(3,P為錨桿（索）受的拉拔力對式（5）進行積分,可得錨桿（索）軸力沿錨桿（索）桿體分布為-kz2(6)PeEcA錨桿（索）的錨固長度計算及影響因素預應力錨桿（索）有效錨固長度的確定由式、（6）可得錨桿（索）體剪應力及軸向應力分布示意圖,如圖2-2、2-3所示,從圖中可以看出,從錨固段始端零點至曲線拐點（t =0, c =0）的錨 桿（索）體長度范圍內承擔了絕大部分的剪應力和軸向應力 ，可將該段長度稱為 錨桿（索）體的有效錨固長度。圖2-2 錨桿（索）剪應力分布曲線示意圖圖2-3 錨桿（索）

14、軸向應力分布曲線示意圖ff=0,代入式（5）得la式中3Ec(1u)(3 2u)r2la為有效錨固長度3Ec(3 2u)r22G在有效錨固長度以外的錨桿（索）體承受的剪力為將式（7）代入式（8）得dxPkz2kz2e 2l 2 rl a(8)ladx(9)該段剪力與錨桿（索）體承受的總剪力的比值_3dxladx e 722.3 。0也就是說，假定錨固長度為無窮大時，有效錨固長度的錨桿（索）體承擔的剪力占 總剪力的%可見，有效錨固長度的錨桿（索）體承擔了絕大部分剪力。由公式 可知,有效錨固長度與錨桿（索）的極限拉拔力而只與錨桿（索）體的彈性模量、 巖體的彈性模量、泊松比以及錨桿（索）體直徑等參數

15、有關。影響錨桿（索）有效錨固長度的因素（1）錨桿（索）與巖體的彈性模量的比值 Ec/E錨桿（索）與巖體的彈模之比越小，即巖體越硬，錨桿（索）所受的剪應力 峰值越大,剪應力、軸向應力分布范圍越小，應力集中程度越大，則錨桿（索）的 有效錨固長度就越小。Ec/E比值越大，即巖體越軟，錨桿（索）所受的剪應力峰 值越小, 剪應力、軸向應力的分布范圍越大、越均勻 ,則錨桿（索）的有效錨固長 度也就越大 , 因此, 從某種意義上說 , 用預應力錨桿（索）加固軟巖的效果比加固 硬巖的效果更好。（2）錨桿（索）體直徑從公式上可以看出 , 錨桿（索）的有效錨固長度與錨桿（索）體直徑成正比 , 經分析可知 , 錨桿

16、（索）體隨其直徑的減小 ,其剪應力峰值迅速增大 , 剪應力分布 范圍越小、越集中 ,則有效錨桿（索）長度就越小 ,錨桿（索）體直徑越大 , 其所 受的剪應力峰值越小 , 剪應力分布范圍越大、 越均勻,則有效錨固長度就越大。 因 此,在工程應用中 , 錨桿（索）體直徑存在一個最優值。（3）水泥漿體的水灰比低水灰比砂漿的單軸抗壓強度和彈性模量都較高 , 抗徑向開裂的能力較強 , 在 錨桿（索）拉拔力作用下 ,其剪應力、軸向應力峰值較高 , 分布范圍較小 , 則錨桿 （索）的有效錨固長度較小。此外, 注漿壓力、巖體的松弛深度范圍、 反復張拉荷載作用 7 等因素都對有 效錨固長度有明顯的影響。錨桿（索

17、）的抗拔力計算錨桿（索）的極限拉拔力取決于錨桿 （索）錨固體的破壞形式。 錨桿（索） 錨固體的破壞形式有三種 , 在錨桿（索）張拉過程中 ,錨桿（索）突出的肋擠壓肋 間水泥漿材 , 肋的斜向擠壓力產生楔的作用 ,其徑向分力使外圍漿材環向受拉。 當 圍巖徑向剛度較小 ,水泥漿材強度較低時 , 環向拉應力達到漿材的抗拉強度時 ,開 始產生徑向裂縫 ,從而造成徑向壓應力降低 , 摩阻力也隨之降低 ,錨桿（索）體被 拔出, 破壞面為水泥漿體 , 破壞的主要原因是徑向開裂 ,破裂面平行于錨桿（索） 軸線。這是第一種破壞形式 ,如圖所示。當圍巖徑向剛度較大 , 且水泥漿材強度也 較高時 , 徑向開裂被抑制

18、 , 摩檫阻力進一步提高 , 當拉拔力增大時 , 破壞主要出現 在漿材與巖石交界面 , 甚至于巖體中 ,破壞的主要原因是水平剪切 , 破裂面沿最大 剪應力作用面。這是第二種破壞形式。如圖所示。 Macdonald（1963） 認為淺埋錨桿（索）破裂面為拋物線型,且破裂面在地表處與水平面成（45 - /2）夾角,茜 平一等人（1992）也證實,在地表處,無論砂土還是粘質砂土 ,破裂面在地表處的水 平夾角接近（45 - /2） 0多數情況下，錨桿（索）體的破壞是以上兩種形式的疊 加,即既有漿材徑向劈裂，又有漿材的水平剪切。如圖所示圖2-4二種破壞形式的破裂面示意圖第一種破壞（漿材和接觸面強度小于巖

19、石強度情況）的極限抗拔承載力在這種情況下，由于漿材環向抗拉強度較低，已部分徑向開裂，裂縫的存在引 起漿材內的應力重分布。在開裂區，環向應力為零。而在漿材的未開裂區由于應 力重分布導致應力增加，文獻把整個砂漿柱體分為開裂區和未開裂區，分別按完 全開裂狀態和彈性狀態的有關公式處理。 在開裂區,得到開裂/未開裂界面的環向應力表示的錨桿（索）/漿材界面在裂縫擴展處的壓應力 P1C2r2 rc2rc1 cp(10)式中rc開裂區半徑在裂縫開始發生不穩定擴展時的裂縫長度和相應的界面壓應力由式（10）的最大值確定，可得rcr2520.486 J(11)采用最大拉應力準則，=c Tg, t Tg為漿材抗拉強度

20、,將式（11）代入式（10）,可得P13 Tg r2/ r1(12)錨桿（索）極限抗拔力發生在裂縫不穩定擴展的峰值點 ，因此錨桿（索）極限抗拔力可表示為：PuittanPi Dl（ 13）式中：為漿材的內摩擦角；D為錨孔直徑。第二種破壞（漿材和接觸面強度大于巖石強度情況下）的極限抗拔承載力這種破壞發生在錨固長度較小的情況。由于徑向約束較大，徑向開裂被抑制,剪切應力進一步增大，隨著荷載的增加，沿最大剪應力作用面方向形成一錐形 破裂面，當荷載繼續增加時，錐形破裂面隨錨桿（索）一起滑移，最終錐形破裂面 從巖體中拔出，喪失承載力。此破壞機理為巖石在復合應力狀態下的剪切破壞 其極限承載力可由靜力平衡條件

21、及 Mohr-Coulomb條件推導出：12cgtg 45oPultcos 45o -tg 45otg(14)式中:c為漿材的粘聚強度第三種破壞的極限抗拔承載力這種破壞是以上兩種破壞的結合,則極限抗拔承載力亦為前兩種極限承載力的疊加:(1 x)2cg:g 45o -Pulttan P1 Dxcos 45 I tg 452 tg(15)將上式對x求導數,即dPultdx=O,從而可得錨桿（索）對應的最小拉拔力。3. 錨桿（索）的構造設計錨桿（索）的主要結構錨桿（索）的主要結構包括：錨頭、自由段、錨固段和錨桿（索）配件 具體細件包括臺座、錨具、承壓扳、支擋結構、鉆孔、自由隔離層、鋼筋、注漿 體、自

22、由段、錨固段等。工程上常按如下方法歸類：（1）按應用對象劃分，有巖石錨桿（索） 、土層錨桿（索）；（2）按是否預先施加應力劃分，有預應力錨桿（索） 、非預應力錨桿（索） ；（3）按錨固機理劃分，有粘結式錨桿（索） 、摩擦式錨桿（索） 、端頭錨固式錨桿 （索）和混合 式錨桿（索）；（4）按錨固體傳力方式劃分，有壓力式錨桿（索） 、拉力式錨桿（索）和剪力式錨 桿（索）；（5）按錨固體形態劃分，有圓柱型錨桿（索） 、端部擴大型錨桿（索）和連續球型 錨桿（索）。如下圖（圖 3-1 、3-2 、3-3 ）所示。圖 3-1圓柱型錨固體錨桿1錨具； 2承壓板； 3臺座； 4支檔結構； 5鉆孔； 6二次注漿防

23、腐處理；7預應力筋；8圓柱型錨固體；L1自由長度；L2 錨固段長度圖 3-2端部擴大頭型錨桿1 錨具；2承壓板；3 臺座；4支檔結構；5 鉆孔；6二次注漿防腐處理；7預應力筋；8圓柱型錨固體；9端部擴頭體；L1自由長度；L2錨固段長度圖 3-3 連續球體型錨桿1 錨具；2承壓板；3 臺座；4支檔結構；5 鉆孔；6塑料套管；7止漿密封裝置；8預應力筋；9注漿套管； 10連續球體型錨固體；Lf 自由長度；La錨固段長度 端部擴大頭型錨桿（索）在錨固段最底端設置擴大頭的錨桿（索） ，它能大大 提高錨桿（索）的承載力，這種錨桿（索）較適用于粘土等軟弱土層的情況，它 可采用爆破或葉片切削方法進行施工。

24、連續球型錨桿 （索） 是利用設于自由段與 錨固段交界處的密封袋和帶許多環圈的套管 （ 可以進行高壓灌漿，其壓力足以破 壞具有一定強度的灌漿體 ） ，對錨固段進行二次或多次灌漿處理，使錨固段形成 一連串球狀體，從而提高錨固體與周圍土體之間的錨固強度；這種錨桿（索）一 般適用于淤泥、 淤泥質粘土等極軟土層或對錨固力有較高要求的土層錨桿 （索）。 對于高填方路堤由于填筑料較為復雜，適合采用端部擴大頭型和連續球型錨桿 （索） 錨桿（索）的防腐等級和要求腐蝕環境中永久性錨桿（索）應采用 I 級雙層防護保護構造 ; 腐蝕環境中的 臨時性錨桿（索）和非腐蝕環境中的永久性錨桿（索）可采用 II 級簡單的防腐

25、保護構造。錨桿（索）的 I、II 級防護構造應符合表 3-1 的要求（圖 3-4、圖 3-5）表 3-1 錨桿 I 、 II 級防腐保護要求圖 3-4 錨桿 I 級防腐構造圖 3-5 錨桿（索） II 級防腐構造4. 錨桿（索）的施工工藝常見土層錨桿（索）的施工包括以下幾個工序：鉆孔、安放拉桿、灌注、養 護、肋柱及擋板鋼筋綁扎、錨頭固定、支模、混凝土澆筑、養護、拆模。對于后 期需施加預應力的錨桿（索） ，還要根據具體的設計要求安排張拉的準確時間。 施工前的準備施工前的準備包括施工前的調查和施工組織設計。 施工前調查包括： 收集場地巖土報告，錨桿（索）支護設計方案；分析地下水性質、埋深，預測降水

26、效果 及對錨桿（索）施工的影響；地下障礙物的核實；了解作業限制、環保規則、地 方法規；了解施工空間、各種設備、工程道路情況，了解現場各工種配合要求。施工組織設計，也就是開工前，詳細制定施工組織設計，確定施工方法、施 工程序、使用機械設備、工程進度、質量控制和安全管理等事項、內容包括：工 程概況：工程名稱、地點、工期要求、工程量、目的；巖土勘察報告中地層、地 下水位簡介；錨桿（索）設計簡介；施工機械設備，臨時設施，施工材料；作業 程序，各工種人員配備；施工管理，質量、進度控制，施工適用的規范、標準； 安全、文明施工措施；應支付的工程驗收技術資料。鉆孔鉆孔前的準備工作包括： 首先是鉆孔機具的選擇必

27、須滿足土層錨桿 （索）的 鉆孔要求， 堅硬粘土和不易塌孔的土層， 可以選用地質鉆機、 螺旋鉆機和土錨專 用機；飽和粘性土與易塌孔的土層， 宜選用帶護壁套管的土錨桿 （索）專用鉆機。 其次鉆孔前，還要正確定出孔位，其水平向誤差10 0mm,垂直向誤差5 0m m,傾角誤差值為2.0 ;最后安放桿體前，濕式鉆孔應用水沖洗，直至孔口 留出清水為止。鉆孔的施工方法有兩種，一是清水循環鉆進成孔法。這種方法在實際工程中運用最廣，軟硬土層都能適用，但需要有配套的排 水循環系統。 有些施工單位為了方便， 在現場只設置排水系統， 沒有設置重復利 用水系統裝置。在軟黏土成孔時，如果不用跟管鉆進，應在鉆孔孔口處放入

28、lm -2m的護壁套管，以保證孔口處土層不坍塌。二是螺旋鉆孔干作業法。該法適 用于無地下水條件的黏土、粉質黏土、密實性和穩定性都較好的砂土等地層。安放拉體土層錨桿（索）用的拉桿，常用的有粗鋼筋、鋼絲束和鋼絞線，也有采用無 縫鋼管作為拉桿的。承載能力要求較小時，多用粗鋼筋；承載能力要求較大時， 多用鋼絞線。如果是使用級鋼筋作桿體時，組裝要求如下：鋼筋應平直， 除油、除銹；接頭采用焊接，長度為3 0d，但不小于5 0 0 mm，并排鋼筋也 要采用焊接；桿體軸向間隔l. 0-2.0m設置一個對中支架，注漿管、排氣 管與桿體綁扎牢固；桿體自由段用塑料管或塑料布包裹， 并在與錨固段連接處用 鉛絲綁牢固；桿體應按防腐要求進行防腐處理。防腐保護層取決于使用年限及周圍 介質對桿體腐蝕的影響程度，一般來說，臨時錨桿（索）可簡單的采用涂抹黃油 作為防腐保護層或不做，永久性錨桿（索）必須有嚴格的防腐保護。如果使用鋼絞線作桿體時，組裝的要求如下：桿體除油、除銹，按設計尺寸 下料，每股長度誤差不超過500mm;桿體平直排列，軸向間隔1. 01. 5 m設置一個隔離架，桿體保護層不應小于2 0 mm。預應力筋、排氣管綁扎牢固、 并不得用鍍鋅材料；自由段用塑