土層錨桿支護

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4土層錨桿4.1錨桿的發(fā)展與應用錨桿是一種新型受拉桿件，它的一端與工程結構物或擋土樁墻聯(lián)結，另一端錨固在地基的土層或巖層中，以承受結構物的上托力、拉拔力、傾側力或擋土墻的土壓力、水壓力，它是利用地層的錨固力來達到維持結構物穩(wěn)定的。 4.1.1錨桿在土木工程中的應用 4.1.2土層錨桿的發(fā)展土層錨桿是在巖石錨桿的基礎上發(fā)展起來的。用于隧道支護的巖石錨桿歷史悠久，但直到1958年德國一個公司才首先在深基坑開挖中將其用于擋土墻支護。土層錨桿具有以下一系列優(yōu)點：1）與內支撐相比，挖土施工空間大。2）錨桿施工機械設備作業(yè)空間不大，適用于各種場地條件。3）錨桿的設計拉力可由抗拔試驗獲得，從而可以保證可靠的設計安全度。4）可以對錨桿施加預拉力，基坑變形容易控制。5）施工時的噪聲很小。 錨桿支護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。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，并已制定了多個行業(yè)規(guī)范。目前土層錨桿的應用已相當普遍，并且都為預應力錨桿。當然，任何技術的發(fā)展都是永恒的。錨桿技術的工藝材料、施工機具和理論研究等還在不斷發(fā)展之中。 4.2錨桿的構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，當應力傳到錨固體的外側時，就會在錨固體與土體間產生摩擦力，隨著摩擦力的增大，錨固體與土體間可能發(fā)生相對位移，摩擦力又進一步增大，直到極限摩阻力。 4.3.2錨桿的承載能力錨桿承載力的確定是錨桿支護設計的重要內容。普通灌漿錨桿（注漿壓力0.3~0.5MPa）的承載能力（抗拔力）可以用下式確定：Nt=LmπDτ(4-2)式中Nt—錨桿承載能力（軸力）；Lm—錨固段長度；D—錨桿孔徑（或錨固體直徑）；τ—土的抗剪強度。顯然：錨桿的承載力是錨固體的直徑、長度及土的抗剪強度的函數(shù)。 在設計時對錨桿承載力一般是有要求的，而錨固體的直徑(鉆孔直徑)主要決定于鉆孔設備。因此，只要能夠確定土體的抗剪強度，就能容易的確定錨桿的長度了。由此看來，土的抗剪強度在確定土層錨桿的承載能力或在土層錨桿的設計中都至關重要。?=?tan?+c?=K?hK—土層系數(shù)，通常砂土K=1，粘土K=0.5；h—覆蓋土層的高度，一般取錨固段中心到地面的高度（m）。 4.3.3影響錨桿抗拔力的因素如前所述，錨桿的抗拔力顯然與錨固體的直徑和長度密切相關。但除了錨固體的這兩個幾何參數(shù)外，還有土層性質，注漿壓力以及錨桿的形式三個因素。即：一、土層性質的影響土層的強度一般低于砂漿強度，如果施工灌漿的工藝良好，土層錨桿的抗拔力將主要決定于錨固體外圍的土層抗剪強度。土體的抗剪強度變化很大，所以相同參數(shù)和施工質量的錨桿，抗拔力可以有很大的不同。傾角與長度是錨桿能否伸入優(yōu)良土層的決定因素，設計時應給予重視。 二、注漿壓力的影響灌漿壓力對錨桿的抗拔力有很大影響。注漿壓力越大，水泥漿顆粒越能夠滲入到周圍深部的土層中去，改善了原狀土體的力學性能，增加錨固體與土層的摩擦力，也就增加了錨桿的抗拔力。曾有人做過試驗，同一粉砂層中的相同長度的錨桿，當施工用的灌漿壓力為1Mpa時其極限抗拔力為300kN，當灌漿壓力增加到2.5Mpa時，其極限抗拔力達900kN。試驗也已證明：雖然錨桿的承載力隨灌漿壓力的增大而增大，但并不是無止盡的增加。英國ATC有限公司的試驗結論是：當注漿壓力超過4Mpa后，抗拔力增長就很小了。 三、錨桿形式的影響無論是帶單個擴大頭的錨固體錨桿，還是有多截頭圓錐形的異形錨固體錨桿，它們的抗拔力都比普通錨桿大得多。 4.5錨桿設計4.5.1設計步驟1.調查基坑及周邊場地狀況，確定工程的重要性等級，選取錨桿支護結構的安全系數(shù)。作為錨桿支護設計的第一步，必須詳細調查了解基坑及其周邊的場地狀況，如：地形、地貌，既有建筑物、構筑物、道路、管線、地下埋設物與建筑紅線等，以及它們與基坑的相對位置。據(jù)此確定要重點保護的對象，工程的安全等級，錨桿支護結構的安全系數(shù)等。2.進行工程地質與水文地質勘察，確定地層參數(shù)地下水位、上層滯水，場地附近有無滲水源頭，工程施工是否在雨季或冬季，土層類型、級配、強度等。 3.設計計算（1）計算單位長度擋墻的土壓力。（2）根據(jù)土壓力，計算錨桿的軸力（考慮傾角及間距）。（3）計算錨桿的錨固體長度。（4）計算錨桿的自由段長度。（5）計算錨桿（錨索）的斷面尺寸。（6）計算連接錨桿錨頭的腰梁斷面尺寸。4.核算樁、墻與錨桿的整體穩(wěn)定。5.繪制錨桿施工圖。 4.5.2錨桿布置一、錨桿層數(shù)一般在基坑施工中，需先挖土到錨桿位置，然后進行錨桿施工，待錨桿預應力張拉后，方可挖下一步土。因此，多一層錨桿，就要增加一次施工循環(huán)。在可能情況下，應盡量減少布置錨桿的層數(shù)。如在粘土、砂土地區(qū)，12~13m深的基坑，一般用一層錨桿即可（即使擋土樁懸臂5~6m）。 二、錨桿間距錨桿間距過大，必然要增大單根錨桿的承載力，要么增加錨桿長度，要么增加錨桿直徑，要么采用特殊的施工機械加工異型錨桿，而這些措施往往不如多加幾根錨桿容易。如果間距過小，由于錨桿之間土體的相互影響，單個錨桿的抗拉力往往不能很好發(fā)揮，容易產生所謂的“群錨效應”。 三、錨桿傾角錨桿傾角是錨桿與水平方向的夾角，它與施工機械性能有關，與地層土質有關系。但是，從理論上講，錨桿的抗拉力只有水平分力是有效的，而垂直分力非但無效，相反增加了支護樁對樁底土層的壓力，因此，水平布置的錨桿（傾角=00）效果最好。不過水平鉆孔成孔困難，同時為了放置錨桿及注漿的方便，一般設計成斜土錨，傾角在150~350之間。有時使用較大的傾角是為了將錨固段安設到較深的優(yōu)質土層中，或者是為了將錨頭安設在地下水位以上，防止孔口涌砂。 四、規(guī)程對錨桿間排距等參數(shù)的規(guī)定1.錨桿上覆土層厚度不宜小于4.0m。有的資料認為不宜小于5~6m。2.錨桿的水平和垂直間距一般不宜大于4.0m。最小的垂直距離不宜小于2.5m，最小的水平距離不宜小于1.5m，以避免群錨效應而降低錨固力。3.錨桿傾角一般不應小于100，不應大于450，以150~350為好。 4.5.3錨桿抗拔安全系數(shù)一、國外對錨桿抗拔安全系數(shù)的規(guī)定土層錨桿的抗拔安全系數(shù)是指土層錨桿的極限抗拔力與錨桿的設計容許抗拔力比值?，F(xiàn)將有關國家和地區(qū)的規(guī)定列入表4-7。表4-7國外的土層錨桿的抗拔力安全系數(shù)國名臨時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、我國工程建設標準化協(xié)會行業(yè)規(guī)范的規(guī)定我國工程建設標準化協(xié)會行業(yè)規(guī)范《土層錨桿設計與施工規(guī)范》（CECS22-90）的規(guī)定如表4-8。表4-8中國的土層錨桿的抗拔力安全系數(shù)錨桿破壞后危害程度安全系數(shù)K臨時性錨桿永久性錨桿危害輕微，不構成公共安全1.41.8危害較大，但公共安全無問題1.62.0危害大，會出現(xiàn)公共安全問題1.82.2 4.5.4錨固段長度計算根據(jù)公式Nt=Lm?πDτ，并考慮抗拔力安全系數(shù)K，容易得到錨固段長度Lm：（4-4）其中：D為錨固體的直徑，可取鉆頭直徑的1.2倍；h應取錨固段中心到地面的高度，且不少于4m；K的取值如前所述，一般工程可取1.5，特別重要的工程或永久性工程可取2.0。實際工程中錨固段長度Lm也不應小于4m。 4.5.5自由段長度計算在圖4-11中，O點為土壓力零點，OE為假想滑裂面，錨桿AD與水平線AC的夾角為?，欲求自由段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所以自由端長度：Lf=AO×sin(450–φ/2)/sin(450+φ/2+?)設計時取Lf=Lf+1?5m圖4-11錨桿自由端長度計簡圖 4.5.6錨桿（索）截面計算土層錨桿（索）截面積可按下式計算：As=KmjNt/fyk式中：As—鋼筋截面積（mm2）；Kmj—安全系數(shù)；Nt—土層錨桿（索）的設計軸向拉力（kN）；fyk—錨桿（索）材料的強度標準值（N/mm2）。 4.6錨桿整體穩(wěn)定計算4.6.1整體破壞模式錨桿抗拔力雖已有安全系數(shù)，但是擋土樁、墻、錨桿、土體組成的結構，有可能出現(xiàn)整體性破壞。一種是：包括錨桿、支護樁墻在內的整個體系，從樁腳沿著某個曲面向基坑內滑動，造成土體破壞，如圖4-12所示；圖4-12整體下滑 另一種是：由于錨桿長度不足，錨桿設計拉力過大，導致從樁墻底部到錨固段中點附件產生一條深層剪切滑縫，使圍護結構傾覆，如圖4-13所示。圖4-13深層破裂、整體傾覆 4.6.2整體穩(wěn)定性驗算整體下滑的穩(wěn)定性驗算應當按土坡穩(wěn)定性分析的方法用圓弧條分法進行驗算，同學們參看有關土力學教材。對于深部破裂、整體傾覆的穩(wěn)定性驗算可用德國的克蘭茨（E.Kranz）方法。對于單層錨桿維護樁墻的深層破裂、整體傾覆的穩(wěn)定性驗算如下頁的圖4-14所示。 聯(lián)結樁腳C點與錨固體中心點O，假設直線CO就是深層滑裂線；再過O點向上作垂直線交地面與D。這樣，可能出現(xiàn)傾覆的整個土體就是楔體BCOD。土楔上的作用力包括：土楔自重和地面超載G，擋土樁的支撐力Ea(主動土壓力的反力)，OD面上的主動土壓力E1，CD面上的總反力Q，以及錨桿的拉力R。圖4-14Kranz假設的傾覆楔體 土楔體處于平衡狀態(tài)，上述五個力組成閉合的力多邊形，如圖4-15，以此可以求得錨固體所能承受的最大拉力Rmax，或它的水平分力Rhmax。需要注意的是，在E.Kranz分析方法中，認為實際樁墻與土體之間的摩擦角和假想垂直破裂面OD上的摩擦角都是?。實際情況如何需要我們去進一步研究。圖4-15Kranz法的力多邊形 可以推得錨固體可以承受的最大水平力Rhmax。(4-5)最大錨固力與土層錨桿的設計軸向力之比就是抗傾覆安全系數(shù)，一般要求大于1.5，即：其中：Nt—錨桿設計的軸向拉力；Tt—錨桿軸向拉力的水平分力。 兩層以上土層錨桿的支護體系因深部破裂產生的抗傾覆穩(wěn)定性計算方法與以上單層錨桿圍護結構深部破裂的穩(wěn)定性驗算方法類似，只是可能出現(xiàn)的深層破裂面更多，需要進行穩(wěn)定性驗算的塊體更多，計算更復雜。例如，雙層錨桿可能有三個滑裂面，三層錨桿可能有6個滑裂面。一般設計是否要核算錨桿整體穩(wěn)定，需視錨固段是否伸入樁、墻腳下而定。加拿大有關規(guī)程對多層錨桿系統(tǒng)給出了下頁圖4-16所示的三種情況。 (a)圖錨桿全部在墻腳以上，要考慮全部核算其整體穩(wěn)定，虛線是假定的拉結墻和假定的土體滑裂面。(b)圖要對上面的兩道錨桿核算其整體抗傾覆穩(wěn)定性。(c)圖中的三道錨桿都伸入到了墻腳以下，不需作整體穩(wěn)定的核算。圖4-16不同情況下的整體抗傾覆穩(wěn)定性驗算 4.7錨桿的試驗4.7.1錨桿極限承載力4.7.2錨固體受力與變形測試及分析4.7.3錨桿張拉與預應力損失一、錨桿張拉的必要性二、預應力值損失的原因三、預應力鎖定值 4.8錨桿施工4.8.1施工機械我國現(xiàn)用的有日本礦研株式會RPD型鉆機、德國Krupp公司鉆機以及北京市機械施工公司研制的MZⅡ型鉆機等?？颂敳俱@機的外視如右圖4-17。圖4-17德國KruppDHR80A型鉆機 4.8.2施工工藝一、錨桿施工順序場地挖土后按圖4-18順序施工，并循環(huán)進行第二層、三層施工。圖4-18錨桿施工順序示意圖(a)鉆孔；(b)插放鋼筋或鋼絞線；(c)灌漿；(d)養(yǎng)護；(e)安裝錨頭，預應力張拉；(f)挖土 二、工藝流程干作業(yè)的工藝流程是：施工準備→移機就位→校正孔位調整角度→鉆孔→接螺旋鉆桿，繼續(xù)鉆孔到預定深度→退螺旋鉆桿→插放鋼筋或鋼絞線→插入注漿管→灌水泥漿→養(yǎng)護→上腰梁及錨頭（如地下連續(xù)墻或樁頂圈梁則不需腰梁）→預應力張拉→鎖緊螺栓或楔片→錨桿施工完繼續(xù)挖土。在卵石或巖石中常用濕作業(yè)法施工。濕作業(yè)的工藝流程與干作業(yè)類似，主要是在鉆孔過程中加入了水的沖洗。 4.8.3施工要點一、施工準備1.挖土至錨頭下50~60cm，并平整好錨桿施工操作范圍內的場地，以便于鉆孔作業(yè)。2.采用濕作業(yè)施工時，要挖好排水溝、沉淀地、集水坑，準備好潛水泵，使成孔時排出的泥水通過排水溝到沉淀池，再入集水坑用水泵抽出，同時準備鉆孔用水。3.其他準備，包括電源、注漿機泵、注漿管鋼索、腰梁、預應力張拉設備等。 二、鉆孔鉆孔前按設計及土層定出孔位，并作出標記。錨桿水平方向孔距誤差不大于50mm，垂直方向孔距誤差不大于100mm。鉆孔底部偏斜尺寸，不大于長度的3%，可用鉆孔測斜儀控制鉆孔方向。 三、灌漿1.灌漿材料一般要用325號以上的水泥，水灰比0.4~0.45。如用砂漿，則配合比為1:1~1:2，砂粒不大于2mm，但砂漿只能用于一次注漿。2.水泥漿或砂漿攪拌后，用0.1~12Mpa的壓力泵，以及耐高壓的塑料管，將水泥漿注入鉆孔內。3.如需在錨固段采用壓力灌漿，就要在外套管口戴上灌漿帽（壓緊器Packer）進行壓力灌漿，第一級可從0.3~0.5Mpa開始，以后逐漸加大壓力到2~3MPa。 四、預應力張拉1.錨體養(yǎng)護一般達到水泥（砂漿）強度的70%值，可以進行預應力張拉。2.正式張拉前，應取設計拉力的10%~20%，對錨桿預張1~2次，使各部位接觸緊密，3.正式張拉宜分級加載，每級加載后，保持3min，記錄伸長值。張拉到預應力設計荷載時，應保持10min，且不再有明顯伸長，方可以鎖定。4.鎖定預應力以設計軸拉力的75%為宜。 五、腰梁設計與安裝1.腰梁設計腰梁是傳力結構，將錨頭的軸拉力傳到樁上，分成水平力及垂直力。腰梁設計要充分考慮支護結構特點、材料、錨桿傾角，錨桿的垂直分力以及結構形式等。一種是用普通托板將工字鋼組合梁橫置，如圖4-7(a)所示。它的特點是垂直分力較小，由腰梁托板承受，制作簡單，拆裝方便。在錨桿傾角，較大垂直分力大時，腰梁需要承受較大的復合力矩，采用橫置直梁無法承受。為此，誕生了另一種腰梁，它是通過異形支承板，將工字鋼組合梁斜置，如圖4-7(b)所示。其特點是由工字組合梁承受軸壓力，充分發(fā)揮組合梁的特點；由異形鋼板承受垂直分力。這種結構受力合理，節(jié)約鋼材、加工簡單。 2.腰梁加工及安裝腰梁的加工安裝要保證異形支承板承壓面在一個平面內，才能使梁受力均勻。護坡樁施工過程中，各樁偏差大，不可能在同一直線上，有時甚至偏差較大，在安裝腰梁必須予以調整。方法是：測量樁的偏差，現(xiàn)場加工異形支撐板，使腰梁承壓面在同一平面上，對錨桿尾部也要同樣進行標高實測，找出最大偏差和平均值，用腰梁的兩根工字鋼間距進行調整。 腰梁安裝有直接安裝和先組裝成梁后整體吊裝兩種安裝方法。直接安裝法：把工字鋼按設計要求放置在擋土樁上，用枕木墊平，然后焊板組成箱梁，其特點是安裝方便省事。但后焊綴板不能通焊立縫，不易保證質量。組裝成梁后整體吊裝法：在現(xiàn)場基坑上面將梁分段組裝焊接，再運到坑內整體吊裝安裝。采用此法須預先測量長度，要有吊運機具，安裝時用人較多，但質量可靠。可以在基坑上面同時先行施工，與錨桿施工平行流水作業(yè)，縮短工時。