h深基坑與邊坡工程

4土層錨桿4.1錨桿的發(fā)展與應(yīng)用錨桿是一種新型受拉桿件，它的一端與工程結(jié)構(gòu)物或擋土樁墻聯(lián)結(jié)，另一端錨固在地基的土層或巖層中，以承受結(jié)構(gòu)物的上托力、拉拔力、傾側(cè)力或擋土墻的土壓力、水壓力，它是利用地層的錨固力來達(dá)到維持結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定的。4.1.1錨桿在土木工程中的應(yīng)用4.1.2土層錨桿的發(fā)展土層錨桿是在巖石錨桿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。用于隧道支護(hù)的巖石錨桿歷史悠久，但直到1958年德國一個(gè)公司才首先在深基坑開挖中將其用于擋土墻支護(hù)。土層錨桿具有以下一系列優(yōu)點(diǎn)：1）與內(nèi)支撐相比，挖土施工空間大。2）錨桿施工機(jī)械設(shè)備作業(yè)空間不大，適用于各種場地條件。3）錨桿的設(shè)計(jì)拉力可由抗拔試驗(yàn)獲得，從而可以保證可靠的設(shè)計(jì)安全度。4）可以對錨桿施加預(yù)拉力，基坑變形容易控制。5）施工時(shí)的噪聲很小。錨桿支護(hù)在我國也是首先用于地鐵隧道的，80年代初開始用于高層建筑基坑支護(hù)。土層錨桿以普通壓力灌漿的居多，也有二次灌漿及高壓灌漿的，受拉桿件（錨筋）有粗鋼筋、高強(qiáng)度鋼絲束、鋼絞線等，層數(shù)從一層發(fā)展到了四層，并已制定了多個(gè)行業(yè)規(guī)范。目前土層錨桿的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，并且都為預(yù)應(yīng)力錨桿。當(dāng)然，任何技術(shù)的發(fā)展都是永恒的。錨桿技術(shù)的工藝材料、施工機(jī)具和理論研究等還在不斷發(fā)展之中。4.2錨桿的構(gòu)造及類型錨桿由錨頭、錨筋和錨固體三部分組成。見圖4-2至圖4-7。錨頭是錨桿體的外露部分。錨固體通常位于鉆孔的深部。錨頭與錨固體間一般還有一段自由段。錨筋是錨桿的主要部分。貫穿錨桿全長。圖4-2錨桿聯(lián)結(jié)擋土樁、墻并錨固于土中的示意圖圖4-3 鋼筋錨桿 錨頭裝置圖4-4 多根鋼束錨 桿錨頭裝置

圖4-5鋼絞線及鋼絲索錨夾具示意圖4-6定位分隔器圖4-7腰梁圖4-8錨固體的基本類型4.3錨桿的抗拔作用

4.3.1錨桿抗拔原理當(dāng)錨固段錨桿受力后，首先通過錨桿(索)與周邊水泥砂漿間的握裹力傳到砂漿中，然后通過砂漿傳到周圍土體。隨著荷載增加，錨索與水泥砂漿之間的粘結(jié)力（握裹力）逐漸從錨固體的上部向錨固體的下部和外部發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力傳到錨固體的外側(cè)時(shí)，就會(huì)在錨固體與土體間產(chǎn)生摩擦力，隨著摩擦力的增大，錨固體與土體間可能發(fā)生相對位移，摩擦力又進(jìn)一步增大，直到極限摩阻力。錨桿的承承載能力力錨桿承載載力的確確定是錨錨桿支護(hù)護(hù)設(shè)計(jì)的的重要內(nèi)內(nèi)容。普通灌漿漿錨桿（（注漿壓壓力0.3~0.5MPa））的承載載能力（（抗拔力力）可以以用下式式確定：：Nt=LmπDτ(4-2)式中Nt—錨桿桿承載能能力（軸軸力）；；Lm—錨固固段長度度；D—錨桿桿孔徑（（或錨固固體直徑徑）；τ—土的的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度。顯然：錨錨桿的承承載力是是錨固體體的直徑徑、長度度及土的的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度的函函數(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)對錨桿桿承載力力一般是是有要求求的，而而錨固體體的直徑徑(鉆孔直徑)主要決定定于鉆孔孔設(shè)備。。因此，，只要能能夠確定定土體的的抗剪強(qiáng)強(qiáng)度，就就能容易易的確定定錨桿的的長度了了。由此此看來，，土的抗抗剪強(qiáng)度度在確定定土層錨錨桿的承承載能力力或在土土層錨桿桿的設(shè)計(jì)計(jì)中都至至關(guān)重要要。=tan+c=KhK—土層系數(shù)，，通常砂土土K=1，粘土K=0.5；h—覆蓋土層的的高度，一一般取錨固固段中心到到地面的高高度（m）。影響錨桿抗抗拔力的因因素如前所述，，錨桿的抗抗拔力顯然然與錨固體體的直徑和和長度密切切相關(guān)。但但除了錨固固體的這兩兩個(gè)幾何參參數(shù)外，還還有土層性性質(zhì)，注漿漿壓力以及及錨桿的形形式三個(gè)因因素。即：：一、土層性性質(zhì)的影響響土層的強(qiáng)度度一般低于于砂漿強(qiáng)度度，如果施施工灌漿的的工藝良好好，土層錨錨桿的抗拔拔力將主要要決定于錨錨固體外圍圍的土層抗抗剪強(qiáng)度。。土體的抗抗剪強(qiáng)度變變化很大，，所以相同同參數(shù)和施施工質(zhì)量的的錨桿，抗抗拔力可以以有很大的的不同。傾傾角與長度度是錨桿能能否伸入優(yōu)優(yōu)良土層的的決定因素素，設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)應(yīng)給予重重視。二、注漿壓壓力的影響響灌漿壓力對對錨桿的抗抗拔力有很很大影響。。注漿壓力力越大，水水泥漿顆粒粒越能夠滲滲入到周圍圍深部的土土層中去，，改善了原原狀土體的的力學(xué)性能能，增加錨錨固體與土土層的摩擦擦力，也就就增加了錨錨桿的抗拔拔力。曾有有人做過試試驗(yàn)，同一一粉砂層中中的相同長長度的錨桿桿，當(dāng)施工工用的灌漿漿壓力為1Mpa時(shí)其極限抗抗拔力為300kN，當(dāng)灌漿壓壓力增加到到2.5Mpa時(shí)，其極限限抗拔力達(dá)達(dá)900kN。試驗(yàn)也已證證明：雖然然錨桿的承承載力隨灌灌漿壓力的的增大而增增大，但并并不是無止止盡的增加加。英國ATC有限公司的的試驗(yàn)結(jié)論論是：當(dāng)注注漿壓力超超過4Mpa后，抗拔力力增長就很很小了。三、錨桿形式的影響無論是帶單單個(gè)擴(kuò)大頭頭的錨固體體錨桿，還還是有多截截頭圓錐形形的異形錨錨固體錨桿桿，它們的的抗拔力都都比普通錨錨桿大得多多。4.5錨桿設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟1.調(diào)查基坑及及周邊場地地狀況，確確定工程的的重要性等等級(jí)，選取取錨桿支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)的安安全系數(shù)。。作為錨桿支支護(hù)設(shè)計(jì)的的第一步，，必須詳細(xì)細(xì)調(diào)查了解解基坑及其其周邊的場場地狀況，，如：地形形、地貌，，既有建筑筑物、構(gòu)筑筑物、道路路、管線、、地下埋設(shè)設(shè)物與建筑筑紅線等，，以及它們們與基坑的的相對位置置。據(jù)此確確定要重點(diǎn)點(diǎn)保護(hù)的對對象，工程程的安全等等級(jí)，錨桿桿支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)的安全系系數(shù)等。2.進(jìn)行工程地地質(zhì)與水文文地質(zhì)勘察察，確定地層參參數(shù)地下水位、、上層滯水水，場地附附近有無滲滲水源頭，，工程施工工是否在雨雨季或冬季季，土層類類型、級(jí)配配、強(qiáng)度等等。3.設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算（1）計(jì)算算單位長度度擋墻的土土壓力。（2）根據(jù)據(jù)土壓力，，計(jì)算錨桿桿的軸力（（考慮傾角角及間距））。（3）計(jì)算算錨桿的錨錨固體長度度。（4）計(jì)算算錨桿的自自由段長度度。（5）計(jì)算算錨桿（錨錨索）的斷斷面尺寸。。（6）計(jì)算算連接錨桿桿錨頭的腰腰梁斷面尺尺寸。4.核算樁、墻墻與錨桿的的整體穩(wěn)定定。5.繪制錨桿施施工圖。4.5.2錨桿布布置一、錨桿層層數(shù)一般在基坑坑施工中，，需先挖土土到錨桿位位置，然后后進(jìn)行錨桿桿施工，待待錨桿預(yù)應(yīng)應(yīng)力張拉后后，方可挖挖下一步土土。因此，，多一層錨錨桿，就要要增加一次次施工循環(huán)環(huán)。在可能情況況下，應(yīng)盡盡量減少布布置錨桿的的層數(shù)。如在粘土、、砂土地區(qū)區(qū)，12~13m深深的基坑，，一般用一一層錨桿即即可（即使使擋土樁懸懸臂5~6m）。二、錨桿間間距錨桿間距過過大，必然然要增大單單根錨桿的的承載力，，要么增加加錨桿長度度，要么增增加錨桿直直徑，要么么采用特殊殊的施工機(jī)機(jī)械加工異異型錨桿，，而這些措措施往往不不如多加幾幾根錨桿容容易。如果間距過過小，由于于錨桿之間間土體的相相互影響，，單個(gè)錨桿桿的抗拉力力往往不能能很好發(fā)揮揮，容易產(chǎn)產(chǎn)生所謂的的“群錨效效應(yīng)”。三、錨桿傾傾角錨桿傾角是是錨桿與水水平方向的的夾角，它它與施工機(jī)機(jī)械性能有有關(guān)，與地地層土質(zhì)有有關(guān)系。但但是，從理理論上講，，錨桿的抗抗拉力只有有水平分力力是有效的的，而垂直直分力非但但無效，相相反增加了了支護(hù)樁對對樁底土層層的壓力，，因此，水水平布置的的錨桿（傾傾角=00）效果最好好。不過水水平鉆孔成成孔困難，，同時(shí)為了了放置錨桿桿及注漿的的方便，一一般設(shè)計(jì)成成斜土錨，，傾角在150~350之間。有時(shí)使用用較大的傾傾角是為了了將錨固段段安設(shè)到較較深的優(yōu)質(zhì)質(zhì)土層中，，或者是為為了將錨頭頭安設(shè)在地地下水位以以上，防止止孔口涌砂砂。四、規(guī)程對對錨桿間排排距等參數(shù)數(shù)的規(guī)定1.錨桿桿上覆土層層厚度不宜宜小于4.0m。有有的資料認(rèn)認(rèn)為不宜小小于5~6m。2.錨桿桿的水平和和垂直間距距一般不宜宜大于4.0m。最最小的垂直直距離不宜宜小于2.5m，最最小的水平平距離不宜宜小于1.5m，以以避免群錨錨效應(yīng)而降降低錨固力力。3.錨桿桿傾角一般般不應(yīng)小于于100，不應(yīng)大于于450，以150~350為好。錨桿抗拔安安全系數(shù)一、國外對對錨桿抗拔拔安全系數(shù)數(shù)的規(guī)定土層錨桿的的抗拔安全全系數(shù)是指指土層錨桿桿的極限抗抗拔力與錨錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)容許抗拔拔力比值?！，F(xiàn)將有關(guān)關(guān)國家和地地區(qū)的規(guī)定定列入表4-7。表4-7國國外的的土層錨桿桿的抗拔力力安全系數(shù)數(shù)國

名臨時(shí)性土層錨桿永久性土層錨桿德國(DIN4125)1.331.50日

本(JSFD-77)1.502.50法

國1.332.00英

國2.002.00~3.00二、我國工程程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化化協(xié)會(huì)行業(yè)規(guī)規(guī)范的規(guī)定我國工程建設(shè)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)會(huì)行業(yè)規(guī)范《《土層錨桿設(shè)設(shè)計(jì)與施工規(guī)規(guī)范》（CECS22-90）的規(guī)定如表表4-8。表4-8中國的土層錨錨桿的抗拔力力安全系數(shù)錨桿破壞后危害程度安全系數(shù)K臨時(shí)性錨桿永久性錨桿危害輕微，不構(gòu)成公共安全1.41.8危害較大，但公共安全無問題1.62.0危害大，會(huì)出現(xiàn)公共安全問題1.82.2錨錨固段長度度計(jì)算根據(jù)公式Nt=Lm?πDτ，并考慮抗拔拔力安全系數(shù)數(shù)K，容易得到錨錨固段長度Lm：（4-4）其中：D為錨固體的直直徑，可取鉆鉆頭直徑的1.2倍；h應(yīng)取錨固段中中心到地面的的高度，且不不少于4m；；K的取值如前所所述，一般工工程可取1.5，特別重重要的工程或或永久性工程程可取2.0。實(shí)際工程中錨錨固段長度Lm也不應(yīng)小于4m。自由段長度計(jì)計(jì)算在圖4-11中，O點(diǎn)為土壓力零零點(diǎn)，OE為假想滑裂面，錨桿AD與水平線AC的夾角為，欲求自由段段AB的長度Lf。∠AOB=450-φ/2，∠ABO=∠EBD=∠ACB+∠CAB=450+φ/2+按正弦定律：：AB:sin∠AOB=AO:sin∠ABO所以自由端長長度：Lf=AO×sin(450–φ/2)/sin(450+φ/2+)設(shè)計(jì)時(shí)取Lf=Lf+15m圖4-11錨桿自由端長度計(jì)簡圖錨錨桿（索））截面計(jì)算土層錨桿（索索）截面積可可按下式計(jì)算算：As=KmjNt/fyk式中：As—鋼筋截面積（（mm2）；Kmj—安全系數(shù)；Nt—土層錨桿（（索）的設(shè)計(jì)計(jì)軸向拉力（（kN）；fyk—錨桿（索））材料的強(qiáng)度度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）。4.6錨桿桿整體穩(wěn)定計(jì)計(jì)算整整體破壞模模式錨桿抗拔力雖雖已有安全系系數(shù)，但是擋擋土樁、墻、、錨桿、土體體組成的結(jié)構(gòu)構(gòu)，有可能出出現(xiàn)整體性破破壞。一種是是：包括錨桿桿、支護(hù)樁墻墻在內(nèi)的整個(gè)個(gè)體系，從樁樁腳沿著某個(gè)個(gè)曲面向基坑坑內(nèi)滑動(dòng)，造造成土體破壞壞，如圖4-12所示；圖4-12整體下滑另一種是：由由于錨桿長度不足，，錨桿設(shè)計(jì)拉力過大大，導(dǎo)致從樁墻底部部到錨固段中點(diǎn)附件件產(chǎn)生一條深層剪切切滑縫，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾傾覆，如圖4-13所示。圖4-13深層破裂、整整體傾覆整整體穩(wěn)定性性驗(yàn)算整體下滑的穩(wěn)穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)應(yīng)當(dāng)按土坡穩(wěn)穩(wěn)定性分析的的方法用圓弧弧條分法進(jìn)行驗(yàn)算，同同學(xué)們參看有有關(guān)土力學(xué)教教材。對于深部破裂裂、整體傾覆覆的穩(wěn)定性驗(yàn)驗(yàn)算可用德國國的克蘭茨（（E.Kranz）方法法。對于單層層錨桿維護(hù)樁樁墻的深層破裂、整整體傾覆的穩(wěn)穩(wěn)定性驗(yàn)算如下頁的圖4-14所示示。聯(lián)結(jié)樁腳C點(diǎn)與錨固體中中心點(diǎn)O，假設(shè)直線CO就是深層滑裂裂線；再過O點(diǎn)向上作垂直直線交地面與與D。這樣，可能能出現(xiàn)傾覆的的整個(gè)土體就就是楔體BCOD。土楔上的作用力包括括：土楔自自重和地面超超載G，擋土樁的支支撐力Ea(主動(dòng)土壓力的的反力)，OD面上的主動(dòng)土土壓力E1，CD面上的總反力力Q，以及錨桿的的拉力R。圖4-14Kranz假設(shè)的傾覆楔楔體土楔體處于平平衡狀態(tài)，上上述五個(gè)力組組成閉合的力力多邊形，如如圖4-15，以此可以以求得錨固體體所能承受的的最大拉力Rmax，或它的水平平分力Rhmax。需要注意的是是，在E.Kranz分分析方法中，，認(rèn)為實(shí)際樁樁墻與土體之之間的摩擦角角和假想垂直直破裂面OD上的摩擦角都都是。實(shí)際情況況如何需要我我們?nèi)ミM(jìn)一步步研究。圖4-15Kranz法的力多邊形形可以推得錨固固體可以承受受的最大水平平力Rhmax。(4-5)最大錨固力與與土層錨桿的的設(shè)計(jì)軸向力力之比就是抗抗傾覆安全系系數(shù)，一般要要求大于1.5，即：其中：Nt—錨桿設(shè)計(jì)的軸軸向拉力；Tt—錨桿軸向拉力力的水平分力力。兩層以上土層層錨桿的支護(hù)護(hù)體系因深部部破裂產(chǎn)生的的抗傾覆穩(wěn)定定性計(jì)算方法法與以上單層層錨桿圍護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)深部破裂裂的穩(wěn)定性驗(yàn)驗(yàn)算方法類似似，只是可能能出現(xiàn)的深層層破裂面更多多，需要進(jìn)行行穩(wěn)定性驗(yàn)算算的塊體更多多，計(jì)算更復(fù)復(fù)雜。例如，，雙層錨桿可能能有三個(gè)滑裂裂面，三層錨桿可能能有6個(gè)滑裂面。一般設(shè)計(jì)是是否要核算算錨桿整體體穩(wěn)定，需需視錨固段段是否伸入入樁、墻腳腳下而定。。加拿大有有關(guān)規(guī)程對對多層錨桿桿系統(tǒng)給出出了下頁圖圖4-16所示的三種種情況。(a)圖錨桿全部部在墻腳以以上，要考考慮全部核核算其整體體穩(wěn)定，虛虛線是假定定的拉結(jié)墻墻和假定的的土體滑裂裂面。(b)圖要對上面面的兩道錨錨桿核算其其整體抗傾傾覆穩(wěn)定性性。(c)圖中的三道道錨桿都伸伸入到了墻墻腳以下，，不需作整整體穩(wěn)定的的核算。圖4-16不同情況下下的整體抗抗傾覆穩(wěn)定定性驗(yàn)算4.7錨錨桿的試驗(yàn)驗(yàn)4.7.1錨桿極極限承載力錨錨固體受受力與變形形測試及分錨桿張拉與與預(yù)應(yīng)力損損失一、錨桿張張拉的必要要性二、預(yù)應(yīng)力力值損失的的原因三、預(yù)應(yīng)力力鎖定值4.8錨桿施工施工機(jī)械我國現(xiàn)用的的有日本礦礦研株式會(huì)會(huì)RPD型鉆機(jī)、德德國Krupp公司鉆機(jī)以以及北京市市機(jī)械施工工公司研制制的MZⅡ型鉆機(jī)等等?？颂敳俱@機(jī)機(jī)的外視如如右圖4-17。。圖4-17德國KruppDHR80A型型鉆機(jī)施工工藝一、錨桿施施工順序場地挖土后后按圖4-18順順序施工，并循循環(huán)進(jìn)行第第二層、三三層施工。。圖4-18錨桿施工順順序示意圖圖(a)鉆孔；；(b)插放鋼鋼筋或鋼絞絞線；(c)灌漿；；(d)養(yǎng)護(hù)；；(e)安裝錨錨頭，預(yù)應(yīng)應(yīng)力張拉；；(f)挖土二、工藝流流程干作業(yè)的工工藝流程是是：施工準(zhǔn)備→→移機(jī)就位位→校正孔孔位調(diào)整角角度→鉆孔孔→接螺旋旋鉆桿，繼繼續(xù)鉆孔到到預(yù)定深度度→退螺旋旋鉆桿→插插放鋼筋或或鋼絞線→→插入注漿漿管→灌水水泥漿→養(yǎng)養(yǎng)護(hù)→上腰腰梁及錨頭頭（如地下下連續(xù)墻或或樁頂圈梁梁則不需腰腰梁）→預(yù)預(yù)應(yīng)力張拉拉→鎖緊螺螺栓或楔片片→錨桿施施工完繼續(xù)續(xù)挖土。在卵石或巖巖石中常用用濕作業(yè)法施工。濕作業(yè)的工藝流程與與干作業(yè)類類似，主要要是在鉆孔過程中加加入了水的沖洗。4.8.3施工要要點(diǎn)一、施工準(zhǔn)準(zhǔn)備1.挖土土至錨頭下下50~60cm，，并平整好好錨桿施工工操作范圍圍內(nèi)的場地地，以便于于鉆孔作業(yè)業(yè)。2.采用用濕作業(yè)施施工時(shí)，要要挖好排水水溝、沉淀淀地、集水水坑，準(zhǔn)備備好潛水泵泵，使成孔孔時(shí)排出的的泥水通過過排水溝到到沉淀池，，再入集水水坑用水泵泵抽出，同同時(shí)準(zhǔn)備鉆鉆孔用水。。3.其他他準(zhǔn)備，包包括電源、、注漿機(jī)泵泵、注漿管管鋼索、腰腰梁、預(yù)應(yīng)應(yīng)力張拉設(shè)設(shè)備等。二、鉆孔鉆孔前按設(shè)設(shè)計(jì)及土層層定出孔位位，并作出出標(biāo)記。錨桿水平方方向孔距誤誤差不大于于50mm，垂直方向向孔距誤差差不大于100mm。鉆孔底部部偏斜尺寸寸，不大于于長度的3%，可用鉆孔孔測斜儀控控制鉆孔方方向。三、灌漿1.灌漿漿材料一般般要用325號(hào)以上上的水泥，，水灰比0.4~0.45。。如用砂漿漿，則配合合比為1:1~1:2，砂粒粒不大于2mm，但但砂漿只能能用于一次次注漿。2.水泥泥漿或砂漿漿攪拌后，，用0.1~12Mpa的壓壓力泵，以以及耐高壓壓的塑料管管，將水泥泥漿注入鉆鉆孔內(nèi)。3.如需需在錨固段段采用壓力力灌漿，就就要在外套套管口戴上上灌漿帽（（壓緊器Packer）進(jìn)行行壓力灌漿漿，第一級(jí)級(jí)可從0.3~0.5Mpa開始始，以后逐逐漸加大壓壓力到2~3MPa。四、預(yù)應(yīng)力力張拉1.錨體體養(yǎng)護(hù)一般般達(dá)到水泥泥（砂漿））強(qiáng)度的70%值，，可以進(jìn)行行預(yù)應(yīng)力張張拉。2.正式式張拉前，，應(yīng)取設(shè)計(jì)計(jì)拉力的10%~20%，對對錨桿預(yù)張張1~2次次，使各部部位接觸緊緊密，3.正式式張拉宜分分級(jí)加載，，每級(jí)加載載后，保持持3min，記錄伸伸長值。張張拉到預(yù)應(yīng)應(yīng)力設(shè)計(jì)荷荷載時(shí)，應(yīng)應(yīng)保持10min，，且不再有有明顯伸長長，方可以以鎖定。4.鎖定定預(yù)應(yīng)力以以設(shè)計(jì)軸拉拉力的75%為宜。。五、腰梁設(shè)設(shè)計(jì)與安裝裝1.腰梁設(shè)計(jì)腰梁是傳力力結(jié)構(gòu)，將將錨頭的軸軸拉力傳到到樁上，分分成水平力力及垂直力力。腰梁設(shè)設(shè)計(jì)要充分