边坡讲义06锚杆(索)设计与施工.doc

第6章 锚杆索设计与施工 6.1 概 述 6.1.1 岩土锚固技术的发展与应用 岩土锚固技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的强度和自稳能力的一门工程技术；由于这种技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。岩土锚固的基本原理就是利用锚杆索周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力以保持地层开挖面的自身稳定，由于锚杆锚索的使用，它可以提供作用于结构物上以承受外荷的抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的符合体，使其能有效地承受拉力和剪力。在岩土锚固中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。 最早使用锚杆的是l911年美国矿山巷道支护中利用的岩石锚杆，l918年西利西安矿山开始使用锚索支护，l934年舍尔法坝采用了预应力锚杆索，目前各类岩石锚杆已达数百种之多，并且许多国家和地区先后都制定了锚杆规范或推荐性标准。我国在20世纪50年代开始应用岩石锚杆，60年代开始大量采用锚固技术，特别是在我国矿山巷道、铁路隧道、公路隧道、排水遂洞等地下工程中大量采用普通粘结型锚杆与喷射混凝土支护。近年来随着高速公路的迅猛发展，在公路边坡、大型滑坡治理中更多采用预应力锚索加固技术。岩土锚固技术几乎遍及土木工程的各个领域，如边坡、基坑、隧道、坝体、码头、船闸、桥梁等。 6.1.2 锚杆索的结构与分类 锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由段和锚固段组成，如图6.1所示。 1锚头锚杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部件，由垫墩、垫板、锚具、保护帽和外端锚筋组成。 2锚固段锚杆远端将拉力传递给稳定地层的部分锚固深度和长度应按照实际情况计算获取，要求能够承受最大设计拉力。 3自由段将锚头拉力传至锚固段的中间区段，由锚拉筋、防腐构造和注浆体组成。 4锚杆配件为了保证锚杆受力合理、施工方便而设置的部件，如定位支架、导向帽、架线环、束线环、注浆塞等图6。2。 锚杆的分类方法较多，通常可以按应用对象、按是否预先施加应力、按锚固机理以及按固形态进行分类。按应用对象可分为岩石锚杆索和土层锚杆索岩石锚杆是指内锚段锚固于各类岩层中的锚杆，而自由段可以位于岩层或土层中。土层锚杆是指锚固于各类土层中的锚杆，其构造、设计、施工与岩石锚杆有共同点也有其特殊性。 1-台座；2-锚具；3-承压板；4-支挡结构；5-钻孔；6-自由隔离层；7-钢筋；8-注浆体；Lf-自由段长度；La-锚固段长度 1-台坐；2-锚具；3-承压板；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-注桨体；12-导向帽；Lr-自由段；La-锚固段 按是否预先施加应力分为预应力锚杆索和非预应力锚杆索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；非预应力锚杆通常采用Ⅱ、Ⅲ级螺纹钢筋，锚头较简单，如板肋式锚杆挡墙、锚板护坡等结构中通常采用非预应力锚杆，锚头最简单的作法就是将锚筋作成直角弯钩并浇注于面板或肋梁中。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；预应力锚杆在锚固工程中占有重要地位，图6.1和图6.2是典型的预应力锚杆索结构示意图，预应力锚杆的设计与施工比非预应力锚杆复杂，其锚筋一般采用精轧螺纹钢筋25～32或钢绞线，目前在公路滑坡处治中广泛采用预应力锚索加固技术。 按锚固形态分为圆柱形锚杆、端部扩大型锚杆索和连续球型锚杆索圆柱型锚杆是国内外早期开发的一种锚杆形式，这种锚杆可以预先施加预应力而成为预应力锚杆，也可以是非预应力锚杆；锚杆的承载力主要依靠锚固体与周围岩土介质间的粘结摩阻强度提供，这种锚杆适用于各类岩石和较坚硬的土层，一般不在软弱粘土层中应用，因软粘土中的粘结摩阻强度较低，往往很难满足设计抗拔力的要求，图6.1所示即为圆柱型锚杆。端部扩大头型锚杆如图6.3所示是为了提高锚杆的承载力而在锚固段最底端设置扩大头的锚杆，锚杆的承载力由锚固体与土体间的摩阻强度和扩大头处的端承强度共同提供，因此在相同的锚固长度和锚固地层条件下端部扩大头型锚杆的承载力远比圆柱型锚杆为大；这种锚杆较适用于粘土等软弱土层以及比邻地界限制土锚长度不宜过长的土层和一般圆柱型锚杆无法满足要求的情况；端部扩大头型锚杆可采用爆破或叶片切削方法进行施工。连续球型锚杆如图6.4所示是利用设于自由段与锚固段交界处的密封袋和带许多环圈的套管可以进行高压灌浆，其压力足以破坏具有一定强度5.OMPa的灌浆体，对锚固段进行二次或多次灌浆处理，使锚固段形成一连串球状体，从而提高锚固体与周围土体之间的锚固强度；这种锚杆一般适用于淤泥、淤泥质粘土等极软土层或对锚固力有较高要求的土层锚杆。 除此之外，按锚固机理还可分为有粘结锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆。目前在边坡加固工程中广泛采用锚钉也是一种较短的粘结型锚杆，它是通过在边坡中埋入段而密的粘结型锚杆使锚杆与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性；这种锚杆一般适用于土质地层和松散的岩石地层。 6.1.3 锚杆索在边坡处治中的应用 在边坡工程中，当潜在的滑体沿剪切滑动面的下滑力超过抗滑力时，将会出现沿剪切面的滑移和破坏。在坚硬的岩体中，剪切面多发生在断层、节理、裂隙等软弱结构面上。在土层中，砂性土的滑面多为平面，粘性土的滑面一般为圆弧状。有时也会出现沿上覆土层和下卧基岩间的界面滑动。为了保持边坡的稳定，一种办法是采用大量削坡直至达到稳定的边坡角；另一种办法是设置支挡结构。在许多情况下单纯采用削坡或挡墙往往是不经济的或难以实现的。这时可采用锚杆索加固边坡。 采用锚杆索加固边坡，能够提供足够的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移，这是一般支挡结构所不具备的力学作用。在土层中，边坡安设锚杆索后所提高的安全系数可用下式条分法公式计算图6.5 6.1 式中Ni作用在第i条滑面上的法向力； Ti作用在第i条滑面上的切向力； Ci第i条滑面上的粘聚力； Li第i条滑面长度； PX锚杆锚固力沿滑面法向的分力； PT锚杆锚固力沿滑面切向的分力； f滑面上的摩擦系数。 在岩体中，由于岩石产状及软硬程度存在严重差异，岩石边坡可能出现不同的失稳和破坏模式，如滑移、倾倒、转动破坏等。锚杆的安设部位、倾角为抵抗边坡失稳与破坏最有利的方向，一般锚杆轴线应当与岩石主结构面或潜在的滑移面呈大角度相交，如图6.6所示。 图6.6锚杆增强岩石边坡的稳定性 a锚杆平衡滑动力；b锚杆抵抗转动破坏；c锚杆抵抗倾倒 锚杆在边坡加固中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，预应力锚杆材料多采用刚绞线预应力锚索、四级精轧螺纹钢预应力锚杆。锚杆的数量根据边坡的高度及推力荷载可采用桩顶单锚点作法和桩身多锚点作法。在边坡支护中排桩式锚杆挡墙主要用于下列情况 ①位于滑坡区域的边坡支护、路堑开挖造成的牵引式滑坡或路堤引发的推力式滑坡、工程滑坡可能性较大的潜在滑坡区域的边坡支护，在抗滑桩难以支挡边坡推力荷载时，宜采用预应力锚索抗滑桩结构，如图6.7所示。 ②边坡切坡后，由于外倾软弱结构面形成临空状楔体塌滑可能性较大，造成危害性较大的边坡。 ③高度大于12m、稳定性较差的土层边坡，此时由于抗滑桩悬臂较长，承受的弯矩过大，为了防止抗滑桩破坏，可采用单锚点或多锚点作法。 ④坡顶0.5m内有重要建筑物或较大荷载的Ⅲ、Ⅳ类岩石边坡和土层边坡宜采用排桩式锚杆挡墙支护。 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索或非预应力锚杆索。这种支挡结构主要用于高陡岩石边坡或直立岩石切坡，以阻止岩石边坡因卸荷而失稳。如图6.8所示。 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。如图6.9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，如图6.10所示。 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。锚杆在边坡支护中主要承担岩石压力，限制边坡侧向位移，而面板则用于限制岩石单块塌落并保护岩体表面防止风化。锚板可根据岩石类别采用现浇板或挂网喷射混凝土层。 6锚钉加固边坡，在边坡中埋入段而密的抗拉构件与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性。这种方法主要用于土质边坡和松散的岩石边坡，加固高度较小，多用于临时边坡加固。 6.2 锚杆索的设计与计算 6.2.1 锚杆索设计的基本原则 在计划使用锚杆的边坡工程中，应充分研究锚固工程的安全性、经济性和施工的可行性。设计前认真调查边坡工程的地质条件，并进行工程地质勘察及有关的岩土物理力学性能实验，以提供锚固工程范围类的岩土性状、抗剪强度、地下水、地震等资料。对于土质边坡还应提供土体的物理性质和物理状态指标。 设计锚杆的使用寿命应不小于公路或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用期限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用期限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。对于永久性锚杆的锚固段不应设在有机质土、液限大于50％或相对密度小于0.3的土层中；因有机质土会引起锚杆的腐蚀破坏；液限大于50％的土层由于其高塑性会引起明显的徐变而导致锚固力不能长期保持恒定；相对密度小于0.3的土层松散不能提供足够的锚固力。 当对支护结构变形量容许值要求较高、或岩层边坡施工期稳定性较差、或土层锚固性能较差、或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 522495标准外，还必须获得IS09002国际质量认证；同时必须保障钢筋或钢绞线有效防腐，以避免锈蚀导致材料强度降低。 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；同时对于公路上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。 6.2.2 锚杆索的设计程序 对边坡锚杆索加固设计首先必须对边坡工程地质调查，在掌握地质情况的基础上，对边坡的破坏方式进行判断，并分析采用锚杆方案的可行性和经济性，如果采用锚杆方案可行，开始计算边坡作用在支挡结构物上的侧压力，根据侧压力的大小和边坡实际情况选择合理的锚杆型式，并确定锚杆数量、布置形式、承载力设计值，计算锚筋截面、选择锚筋材料和数量。在确定锚筋后，按照锚筋承载力设计值进行锚固体设计包括锚固段长度、锚固体直径、注浆材料和工艺等。如果采用预应力锚杆还要确定预应力张拉值和锁定值，并给出张拉程序。最后是进行外锚头和防腐构造设计并给出施工建议、试验、验收和监测要求。设计流程图如图6.11所示。 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。表6.1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。 锚杆的布置与安设角度原则上应根据实际地层情况以及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定，一般有如下基本要求 1锚杆上覆地层厚度应不小于4.Om，以避开车辆反复荷载的影响，也避免由于采用高压注浆使上覆土层隆起。 2锚杆水平与垂直间距宜大于2.5m，以避免应力集中，同时不得小于1.5m，以免群锚效应发生而降低锚固力。 3锚杆的安设角度，需要考虑邻近状况、锚固地层位置和施工方法。一般锚杆的俯角不小于15，不大于45；俯角愈大，有利于抵抗侧压力的水平分力，但同时由于垂直分力加大，会引起护壁桩向下压力增大的不利影响。实际工程中应根据锚固地层的位置选择合适的安设角度。 除此之外，对于预应力锚索可根据两种方法综合确定最优锚固角 1理论分析表明，锚索满足下式是最经济的 6.2 式中β锄系l贝用； θ滑面倾角； 滑面内摩擦角。 2对于注浆锚索，根据经验，锚固角度必须大于ll，否则须增设止浆环进行压力注浆。 6.2.3 锚杆索锚固设计荷载的确定 锚杆索锚杆锚固设计荷载的确定应根据边坡的推力大小和支护结构的类型综合考虑进行确定。首先应当计算边坡的推力或侧压力，然后根据支挡结构的形式计算该边坡要达到稳定需要锚固提供的支撑力。根据这个支撑力和锚杆数量、布置便可确定出锚杆索锚固荷载的大小，该荷载的大小作为锚筋截面计算和锚固体设计的重要依据。 6.2.4 锚杆索锚筋的设计 按照设计程序，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 6.3 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。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。 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。因为钢绞线的屈服应力一般是普通钢筋的近7倍，如果假定钢材的弹性模量相同1.9105MPa，它们达到屈服点的延伸率钢绞线是钢筋的7倍，反过来讲，在同等地层徐变量的条件下，采用钢绞线的锚杆的预应力损失仅为普通钢筋的1／7。在选用钢绞线时应当符合国标GB／T 522395、GB／T 5224--95要求，7丝标准型钢绞线参数如表6.2所示。除此之外，也可选用美国标准ASTM A416--90a、英国标准BS589680、日本标准JIs G3536--88的钢绞线，表6.3所示为ASTM A41690a 7丝标准型钢绞线270级参数。为了便于选用，表6.4给出了按国标计算的出的不同锚杆设计拉力值所需的钢绞线根数。 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AgAg≥Ag，由下式按实际锚筋计算锚杆承载力设计值 6.4 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，取值同前； fptk所配锚筋钢丝、钢绞线或钢筋的抗拉强度设计值。 6.2.5 锚杆索的锚固力计算与锚固体设计 锚杆索的锚固力也可称为锚杆索承载力。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，这种锚固力在公路钢筋混凝土规范中称为容许承载力，而在工民建钢筋混凝土结构规范中又称为锚杆锚固力承载力标准值；这种标准值为设计锚固力提供参考，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。 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，根据锚固机理，锚杆的极限锚固力可按下式计算 6.5 式中L锚固体长度； d锚固体长度； qs锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度。 式6.4给出了锚杆承载力设计值Ng≥锚杆设计荷载，由式6.5可得锚杆要达到锚固力设计值Ng所需的最小锚固体长度 6.6 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表6.5。 2端部扩大头型锚杆的锚固力和锚固长度计算 如图6.12所示，端部扩大头型锚杆的极限锚固力由三部分组成直孔段圆柱型锚固体摩阻力、扩孔段圆柱型锚固体摩阻力以及扩大头端面承载力。前两项摩阻力可由式6.5计算，而扩大头端面承载力目前主要运用锚定板抗拔力计算公式近似计算。 砂土中锚杆的极限锚固力计算 6.7 粘性土中锚杆的极限锚固力计算 6.8 式中Pa锚杆极限锚固力； L1，L2，D，d锚固体结构尺寸； qs锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值表6.5； h，γ扩大头上覆土层的厚度和土体容重； cu土体不排水抗剪强度； βc锚固力因数，与h／D呈正比例增加，当h／D10时，Bc保持恒定不再随h／D的增加而改变。 已知锚杆的承载力设计值为Ng，则满足该承载力设计值所需的最小锚固长度可由公式6.7和6.8求得，为 砂性土 6.9 粘性土 6.10 式中k安全系数； Ng锚杆锚固力设计值。 在实际工程设计中，为了便于计算，通常对式6.9和6.10根据经验进行简化，简化后的计算公式为 式中Ng锚杆锚固力设计值； 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； Bc扩大头承载力修正系数，对于临时锚杆取4.5～6.5对于永久性锚杆取3.0～5.0； qs锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值表6.5。 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。 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和端头扩大型锚杆的极限锚固力计算公式是基于锚固段锚杆体与周围岩土问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，如果锚固体与岩层问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 6.11 式中L锚固体长度； dg锚筋直径； n锚筋数量； 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 6.12 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表6.6。 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。 6.2.6 锚杆弹性变形计算 锚杆的变形是由锚杆本身在外荷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在不同时期的徐变位移。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 6.13 式中Sc锚杆弹性变形； Lf，La锚杆自由段和锚固段长度； A，Ac杆体截面面积和锚固体截面面积； Es，Ec杆体弹性模量和锚固体组合弹性模量，锚固体组合弹性模量可有下式确定 6.14 Am，Em锚固体中砂浆体的截面积和弹性模量。 2非预应力岩石锚杆弹性变形的计算 非预应力岩石锚杆的弹性变形主要为锚杆自由段的弹性变形，估算公式为 6.15 3预应力锚杆索弹性变形的计算 预应力锚杆在受到的轴向拉力小于预应力实际保留值时，可按刚性拉杆考虑；如果承受的轴向拉力大于预应力实际保留值，预应力锚杆将再次产生拉伸变形，此时锚杆的变形量可根据拉力超出预应力保留值的增量代入公式6.13和6.15中的Ng计算变形量。 如果计算的变形量增量值较小时，预应力锚杆也可近似按刚性拉杆考虑。 6.2.7 锚杆索的锁定荷载和锚头设计 对于锚杆，原则上可按锚杆设计轴向力工作荷载作为预应力值加以锁定，但锁定荷载应视锚杆的使用目的和地层性状而加以调整。 1边坡坡体结构完整性较好时，可将设计锚固力的100％作为锁定荷载。 2边坡坡体有明显蠕变且预应力锚杆与抗滑桩相结合，或因坡体地层松散引起的变形过大时，应由张拉试验确定锁定荷载。通常这种情况下将锁定荷载取为设计锚固力的50％～80％。 3当边坡具有崩滑性时，锁定荷载可取为设计锚固力的30％～70％。 4如果设计的支挡结构容许变位时，锁定荷载应根据设计条件确定，有时按容许变形的大小可取设计锚固力的50％～70％。 5当锚固地层有明显的徐变时，可将锚杆张拉到设计拉力值的l.2～1.3倍，然后再退到设计锚固力进行锁定，这样可以减少地层的徐变量引起的预应力损失。 锚杆头部的传力台座张拉台座的尺寸和结果构造应具有足够的强度和刚度，不得产生有害的变形；可采用C25以上的现浇钢筋混凝土结构，一般为梯形断面，表6.7为推荐尺寸表。 预应力锚杆的锚具品种较多，锚具型号、尺寸的选取应保持锚杆预应力值的恒定，设计中必须在工程设计施工图上注明锚具的型号、标记和锚固性能参数。表6.8为OVM锚具的基本参数。 6.2.8 锚杆索的防腐设计 对锚杆进行防腐设计时，应充分调查腐蚀环境，并选择适宜的防腐方法。防腐方法应适应岩土锚固的使用目的，即不能影响锚杆各部件包锚固体、自由段和锚头的功能，因此对锚杆的不同部位要作不同的防腐结构设汁。永久住锚杆应采用双层防腐，临时性锚杆可采用简单防腐，但当腐蚀环境严重时，也必须采用双层防腐。 1锚固体防腐 锚固于无腐蚀条件地层内的锚固段，经出锈后可不再作特殊处理，直接由水泥砂浆密封防腐，但钢杆索必须居中，一般使用定位器，使水泥砂浆保护层厚度不小于20mm。对于锚固于具有腐蚀条件地层内的锚固段应作特殊仿佛处理，一般可用环氧树脂涂刷钢筋的方法。 2自由段防腐 防腐构造必须不影响张拉钢材的自由伸长，对于预应力锚杆自由段防腐采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋制作锚杆的非锚固段位于土层区段仿佛处理可采用出锈、刷沥青船底漆二度，沥青玻纤布缠裹二层。对于预应力锚杆自由段防腐采用钢绞线、精轧螺纹钢筋制作的予应力锚杆索非锚固段防腐宜采用杆体表面出锈、刷沥青船底漆二度后绕扎塑料布，在塑科布上再涂润滑油，最后装入塑料套管中，形成双层防腐，自由段套管两端l00～200mm范围内用黄油充填，外绕扎工程胶布固定。 3锚头防腐 永久性锚杆的承压板一般应刷沥青。一次灌浆硬化后承压板下部残留空隙，应再次充填水泥浆和润滑油，经防腐处理后的非锚段外端应伸入钢筋混凝土构件内50mm以上。如锚杆不须再次张拉，则锚头的锚具涂以润滑油、沥青后用内配钢筋网的混凝土罩封闭，混凝土标号不低于C30，厚度不小于l00mm，混凝土保护层不小于30mm。如锚杆需要重新张拉，则可采用盒具密封，但盒具的空腔内必须有润滑油充填。 4临时性锚杆的防腐 对于临时性锚杆重点对外锚头和自由段作防腐处理，锚固段一般可依靠注浆材料达到防腐效果。非预应力锚杆非锚固段可用出锈后刷沥青防锈漆处理。预应力锚杆自由段可采用出锈后刷沥青防锈漆或加套管方案。外锚头防腐可采用外涂防腐材料或外包混凝土方案解决。 6.3 锚杆索的构造设计 6.3.1 锚杆的一般构造要求 1锚杆总长度为锚固段长、自由段长和外锚段之和。锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算，但予应力锚杆自由段长度不小于5.0m；锚杆锚固段长度按计算确定，同时土层锚杆锚固段长度宜大于4.0m、小于14.0m，岩石锚杆锚固段长度宜大于3.0m、小于10.0m；如果岩石锚杆承载力设计值≤250kN，且锚固区段为结构完整无明显裂隙的硬质岩石时，锚固段长度可用2.0～3.0m。 2锚杆对中支架架线环应沿锚杆轴钱方向每隔l.0～2.0m设置一个，对于岩石锚杆支架间距可适当增大至2.0～2.5m。 3在无特殊要求的条件下，锚杆浆体一般采用水泥砂浆，其强度设计值不宜低于M20。 4锚杆外锚头、台座、腰梁及辅助件应按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范、钢结构设计规范进行设计。 6.3.2 锚杆挡墙的构造 1板肋式和桩排式锚杆挡墙中的肋柱和排桩的间距一般为2.0～6.0m，肋柱间距较小，排桩间距较大。它们的截面尺寸除应满足强度和刚度要求外，其宽度还应满足挡土板挡土拱板的支座、锚杆穿孔和锚固要求，一般肋柱宽度不小于300mm，肋高不小于300mm；钻孔桩的直径不小于500mm，挖孔桩的直径不小于800mm。 2肋柱和排桩截面一般采用对称配筋作法，但如果顶端设单锚的桩锚结构可根据立柱的内力包络图采用不对称配筋作法。 3锚杆布置上下排垂直问距不宜小于2.5m，水平间距不宜小于2.0m。锚杆锚固体上覆土层不宜小于4.0m，上覆岩层不宜小于2.0m。倾斜锚杆的倾角l5～35为宜，不宜大45。对于直立边坡，第一锚点位置应设于坡顶下l.5～2.0m。 4桩和肋柱顶应没置钢筋混凝土联系梁，以保证支挡结构整体共同工作；如果支护结构在施工期变形较大时，连系梁宜后浇或设置后浇段。 5现浇挡土板和拱板厚度不宜小于20cm，并应保证其满足支座长度构造要求。 6锚杆挡墙混凝土构件强度等级均不应小于C20，肋柱宜采用碎石混凝土。同时锚杆挡墙现浇混凝土构件温度伸缩缝的间距不宜大于25～30m。 7外锚头的防腐设计作重点考虑时，应有可靠的防腐构造处理，保证其永久防腐的可靠性。 6.3.3 锚板支护结构的构造 1系统锚杆布置要求锚杆倾角宜与水平线成5～20夹角；锚杆布置宜采用菱形排列，或采用行列式排列；锚杆间距宜在1.5～2.5m，不应大于锚杆长度的一半，I、Il类岩体最大间距为3m，Ⅲ类岩体最大间距为2.5m，Ⅳ类岩体最大间距为l.5m；锚杆长度设计应遵循一般规定。 2局部锚杆布置要求受拉破坏时，锚杆方向应按有利于锚杆受拉布置；受剪破坏时，宜逆着不稳定块体滑动方向布置。 3面板可采用喷射混凝土和现浇混凝土板；喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，喷射混凝土l天龄期的抗压强度不应低于5MPa，不同强度等级的喷射混凝土的设计强度可按表6.9采用。 4喷射混凝土的重度可取22kN／m3，弹性模量按表6.9采用，喷射混凝土与岩面的粘结力整体状与块体状岩体不应低于0.7MPa，碎裂状岩体不低于0.4MPa。喷射混凝土与岩体的粘结强度试验方法应遵循锚杆喷射混凝土支护技术规范的规定。 5喷射混凝土面层厚度不应低于50mm，一般为80～120mm；含水岩层的喷射混凝土支护厚度应不低于80mm；钢筋网喷射混凝土支护厚度不应小于100mm，钢筋直径宜为6～l2，钢筋间距为200～300mm，钢筋保护层厚度不应低于30mm。 6现浇板厚度宜为150～200mm，混凝土强度等级标号不应小于C20。根据设计需要可采用双层或单层配筋，钢筋直径宜为8～14，钢筋间距为200～300mm。面板与锚杆应有可靠连结。面板应沿纵向按l5～20m的长度分段设置竖向伸缩缝。 6.3.4 锚钉边坡的构造 1锚钉孔直径为70～120mm，锚钉中的钢筋应采用Ⅱ级螺纹钢，钢筋直径l6～32。 2锚钉布置方式可采用行列式或梅花式，间距1～2m，锚钉与水平面的倾角为5～20，一般不大于l5。锚钉的长度在岩质边坡中最短不应小于3m，在土质边坡中最短不应小于3m且不小于0.4倍坡高。 3现浇面板的厚度为l50～200mm，混凝土强度等级不低于C20，板内设l级钢筋，钢筋网间距一般为200mm。 4锚钉边坡护面板必须与锚钉有可靠的连接。连数方式可采用螺帽加垫板或简易弯钩锚头，简易弯钩应与面板中的附加构造钢筋焊接。 5锚钉边坡的护面板应沿纵向按20～30m的长度分段设置竖向伸缩缝。同时必须在护面板背面或坡脚前等适当部位设置排水带沟，坡顶应采取隔水封闭措施。 6.4 锚杆索的施工 锚杆施工质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力和边坡稳定安全，一般在施工前应根据工程施工条件和地质条件选择适宜的施工方法，认真组织施工。在施工过程中如遇与设计不符的地层，应及时报告设计人员，以作变更处理。锚杆施工包括施工准备、造孔、锚杆制作与安装、注浆、锚杆锁定与张拉等五个环节。 6.4.1 施工前的准备工作 施工前的准备工作包括施工前的调查和施工组织设计两部分。施工前的调查是为施工组织设计提供必要资料，其内容有 1锚固工程计划、设计图、边坡岩土性状等资料是否齐全； 2施工场地调查，施工对交通的影响情况，对于新建中的公路可不考虑； 3施工用水、用电条件调查； 4边坡工程周边可能对施工造成影响的各种状态调查； 5对于城区公路边坡，考虑施工噪音、排污的影响； 6掌握作业限制、环保法规或地方法令对施工造成的影响； 7其他条件的调查，如施工用便道、气象、安全等条件。 在对上述内容作调查、并掌握详细资料后，应制定施工组织设计，确定施工方法、施工程序、使用机械、工程进度、质量管理和安全管理等事项。施工组织设计书包括工程目的、工程概要、设计锚杆规格和锚固力要求、工程进度、组织编制表、使用机械、临时设施、使用材料、作业程序及人员配备、施工管理与质量控制计划、安全管理计划、应交付工程验收的各种技术资料、施工管理程序图表等13个方面的内容图6.13。 6.4.2 造孔 锚杆索施工的第一步就是按照施工图的要求钻孔，钻孔是锚固工程费用最高、控制工期的作业，因而是影响锚固工程经济效益的主要因数。锚杆钻孔应满足设计要求的孔径、长度和倾角，采用适宜的钻孔方法确保精度，要使后续的杆体插入和注浆作业能顺利地进行。一般要求如下 1在钻机安放前，按照施工设计图采用经纬仪进行测量放线确定孔位以及锚孔方位角，并作出标记。一般要求锚孔入口点水平方向误差不应大于50mm，垂直方向误差不应大于lOOmm。 2确定孔位后根据实际地层及钻孔方向选取适当的钻孔机具并确定机座水平定位和立轴倾角即锚孔倾角，钻机立轴的倾角与钻孔的倾角应尽量相吻合，其允许的误差只能是岩心管倾角略大于立轴倾角，不允许有反向的偏差出现。开孔后，尽量保持良好的钻进导向。在钻进过程中根据实际地层变化情况，随时调整钻进参数，以防止造成孔斜偏差。 3在边坡锚固的钻孔过程中应注意岩芯的拾取，并尽量提高岩芯采取率，以求不断地准确地划分地层、确定不稳定岩土体厚度，判断断裂破碎带、滑移面、软弱结构面的位置和厚度，从而验证设计所依据的地勘资料，必要时修改设计。锚孔深度应超过设计长度0.5～1.Om，同时锚孔锚固段必须进入中风化或更坚硬的岩层，深度一般不得小于5m。 6.4.3 锚杆制作与安装 在锚杆制作上，棒式锚杆的制作十分简单，一般首先按要求的长度切割钢筋，并在外露端加工成螺纹以便安放螺母，然后在杆体上每隔2～3m安放隔离件以使杆体在孔中居中，最后对杆体按要求进行防腐处理，这样棒式锚杆的制作便完成。而对于多股钢绞线的锚杆如图6.2所示制作较复杂，其锚固段的钢绞线呈波浪形，自由段的钢绞线必须进行严格的防护处理。对于各种形式的锚杆总的要求如下 1严格按照设计进行钢筋或钢绞线选材。对进场的钢筋或钢绞线必须验明其产地、生日期、出厂日期、型号，并核实生产厂家的资质证书及其各项力学性能指标。同时须进行抽