第三章3.8锚固工程设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,锚固工程设计,1,锚固的基本概念,1,岩土锚固：是一种把受拉杆件埋入地层，达到有效的调用和调高岩土的自身强度和自稳能力 的技术,2,斜坡锚固：是岩土锚固中的一种，即它是一种将受拉杆件埋入斜坡中，达到有效的调用和提高斜坡自身强度和自稳能力的技术。,一、概述,2,锚固工程技术的发展,世界上,最早使用,锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。,美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪,30,年代初，,1943,年开始,有计划有系统地,使用锚杆。,1947,年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到,2,年的时间内，锚杆在,采矿工业中得到普及,。,美国,60,年代末,发明树脂锚固剂,，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式,。,在,70,年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的,高预拉力,可以达到杆体本身强度的,50%,75%,。,1952,年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差。但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。,到,60,年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。,1987,年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。,英国,主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。,其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的设计方法。,澳大利亚,自,1932,年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到,90%,以上。,自,80,年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。,80,年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。,德国,国内锚固支护发展,2,个阶段：以,1995,年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。（之前机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆）,锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。,美国、澳大利亚接近,100%,，英国,80%,，美国锚杆支护为巷道顶板的唯一支护方式。,我国,1995,年时约,15.15%,，目前约,50%,。,3,锚固工程技术特点和应用范围,边坡稳定工程,深基础工程,结构抗倾覆工程,隧洞加固工程,各种构筑物稳定与锚固,其他用途,锚杆在滑坡治理工程中的应用,秭归马槽岭滑坡预应力锚索抗滑桩,秭归邓家坡滑坡滑坡预应力锚索格构,深圳梧桐山大道辅道边坡锚杆挡墙,二、锚杆类型和结构,适用于不同地质条件，具有不同功能和用途的锚杆有数百种。锚杆分类方法按按不同分类原则由很多种。主要的分类有：,1,、按应用对象分,岩石锚杆,土层锚杆,海洋锚杆,2,、按预应力分,预应力锚杆（主动式锚杆）,非预应力锚杆（被动式锚杆）,锚杆类型,3,、按锚固机理分：,4,、按锚固体形态分：,机械式锚杆,摩擦式锚杆,粘结式锚杆,水泥砂浆锚杆、树脂锚杆,管缝式锚杆、水胀式管状锚杆,胀壳式锚杆、楔缝式锚杆,圆柱形锚杆,端部扩大型锚杆,连续球体型锚杆,5,、按锚固长度分：,全长锚固式,端部锚固式,加长锚固式,粘结式锚杆有三大部分组成：杆体，锚头，锚固体,锚杆结构图,二、锚杆类型和结构,锚杆结构,锚头,锚头位于锚杆的外露端，也称外锚段，通过它最终实现对锚杆施加荷载，并将锚固力传递给结构物或围岩。,螺母和垫板,是锚头部分的重要部件。,锚杆结构图,杆体,锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加,预应力,；锚固段是指将杆体与岩土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。,组成锚杆必须具备几个因素：,一个抗拉强度高于岩土体的杆体,杆体一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力,杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力,自旋树脂锚杆,玻璃钢锚杆,自钻锚杆,管缝锚杆,胀壳锚杆,无粘结钢绞线,锚固体,锚固体将拉力从杆体传递到地层。粘结型锚固体主要有水泥质粘结材料和树枝类粘结材料。,1,、水泥浆或水泥砂浆,2,、快硬水泥药卷,3,、树脂,二、锚杆类型和结构,锚索结构,锚索也是锚杆的一种，具有高承载力。三部分组成：杆体，锚头，锚固体,1-,锚墩；,2-,锚具；,3-,承压板；,4-,支挡结构；,5-,自由隔离层；,6-,锚孔；,7-,对中支架；,8-,隔离架；,9-,钢绞线；,10-,束紧环；,11-,锚固体（注浆体）；,12-,导向帽；,Lf-,自由段长度；,La-,锚固段长度,二、锚杆类型和结构,预应力锚索类型,锚固设计就是针对特定的地层条件和锚固型式，确定锚杆,(,索,),承载能力和锚固长度。为了使锚索的应力能传人稳定的地层，通常采用下列方法来达到目的：,用极限装置（例如涨壳式内锚头）把锚索固定在坚硬稳定的地层中,;,用注浆体（例如砂浆、素水泥浆或树脂类注浆体）把锚固段锚索体与孔壁粘结在一起；,用扩大锚头钻孔（例如高压注浆，扩孔）等手段把锚固段固定在稳定地层中。,由于地层条件千变万化，锚杆（索）的锚固性能对地层性质的变化极其敏感，所以不能用一个简单的公式来准确计算其锚固力。通常需要通过现场试验来确定锚杆（索）在特定地层的锚固力和锚固性能。,三、锚固设计,三、锚固设计,锚杆（索）锚固设计的主要内容：,根据地层情况合理选择锚杆（索）锚固类型及结构尺寸；,确定锚杆（索）的锚固力设计值及预应力量值；,确定锚杆（索）体材料及截面面积；,计算锚杆（索）注浆体与地层之间的粘结长度；,计算锚杆（索）注浆体与锚索体之间的粘结长度；,确定锚杆（索）锚固段长度、张拉段长度及锚固深度；,选择张拉设备及锚具；,确定锚杆（索）的结构形式及防腐措施；,确定锚头的锚固形式及防护措施。,锚杆在破坏时，常表现为以下几种破坏形式：,（,1,）沿着锚杆体与注浆体接合处破坏；,（,2,）沿着注浆体与地层接合处破坏；,（,3,）由于埋入稳定地层中的深度不够而使地层；,（,4,）由于锚杆体强度不足而出现断裂；,（,5,）锚固段注浆体被压碎或破裂；,（,6,）整体支护力不够而出现锚杆群的破坏,极限锚固力：锚杆的极限抗拔力，通常由破坏性拉拔试验确定。极限锚固力由锚杆（索）体与注浆体界面的锚固力；注浆体与地层界面的锚固力；锚固体强度；地层的抵抗力决定。,容许锚固力：能满足长期受力，控制锚固体及地层的塑性破坏区，满足变形要求的锚固力。通过极限锚固力除以适当安全系数确定。,设计锚固力：能满足被加固岩土体稳定性要求的锚固力。,工作锚固力：工作期间所实际受的锚固力。,预应力锁定值：锁定值就是锚索的预加力值，即锚索的初始预应力荷载。,预应力张拉值：预应力锚索施工期间张拉时的最大荷载,滑坡防治工程设计与施工技术规范,DZT0219-2006,锚杆（索）锚固设计，锚固力应满足的条件,-,锚索容许锚固力，,kN,-,锚索极限锚固力，,kN,-,安全系数,-,锚索设计锚固力,-,锚索工作锚固力,1,、设计锚固力的确定,2,、锚筋设计,3,、锚固段设计,4,、锚杆的布置,5,、锚筋的选用,6,、构造要求,三、锚固设计,1,、设计锚固力确定,锚杆（索）的,设计锚固力,应根据边坡的推力大小和支护结构类型综合考虑确定。,首先应当计算滑坡的推力或侧压力，然后根据支挡结构的形式计算该滑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、布置便可确定单根锚杆（索）所需的锚固力,设计锚固力,，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,1,、设计锚固力确定,后缘裂隙静水压力,沿滑面扬压力,A,地震加速度（,g,）,岩质滑坡锚固力计算,滑坡防治工程设计与施工技术规范,DZT0219-2006,滑坡防治工程设计与施工技术规范,DZT0219-2006,岩质滑坡锚固力计算,1,、设计锚固力确定,土质滑坡锚固力计算,滑坡防治工程设计与施工技术规范,DZT0219-2006,1,、设计锚固力确定,1,、设计锚固力确定,建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,1,、设计锚固力确定,建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,1,、设计锚固力确定,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,1,、设计锚固力确定,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,2,、锚杆钢筋截面面积计算,2,、锚杆钢筋截面面积计算,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,2,、锚杆钢筋截面面积计算,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,2,、锚杆钢筋截面面积计算,铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),2,、锚杆钢筋截面面积计算,铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),2,、锚杆钢筋截面面积计算,二级边坡，设计单根锚索锚固力为,1000kN,，地层岩土体和地下水对钢筋混凝土的腐蚀等级微，采用,1860,级,15.24,钢绞线，单根锚索需要多少根钢绞线？,例题,3.8.1,取,n=7,，单根锚索需要,7,根钢绞线,按,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,（铁路路基支挡结构设计规范）,按,建筑边坡工程技术规程,取,n=10.8,，单根锚索需要,11,根钢绞线,岩石边坡高,12m,，边坡等级二级，侧向压力水平分力标准值,150kN/m,，设置锚杆排距间距均为,2m,，水平下倾角,15,，锚筋采用,HRB400,螺纹钢，试确定锚筋截面积。,例题,3.8.2,=150/12=12.5kPa,=12.522=50kN,=50/cos15=51.8kN,按,三峡库区地质灾害防治工程设计技术要求,=1.351.8=67.3kN,=67.31000/(0.69360,）,=271mm,2,按,建筑边坡技术规程,锚固段形式,在不同的地层中的锚固段型式有较大的差别，工程中常用的锚索的锚固段型式可归为,AD,四种,3,、锚固段长度确定,1.A,型锚固段,主要用于岩体或硬质粘性土地层。其锚固段钻孔为直筒状，采用较小的压力（,Pg1MPa,）或无压注浆。注浆后锚固段钻孔无扩孔现象发生，其锚固力主要受注浆体与地层界面控制。,2.B,型锚固段,适用于软弱裂隙岩体或非粘性土。采用压力注浆，注浆压力一般大于,1MPa,。在软弱裂隙岩体和粗粒状非粘性土层中，由于注浆液渗人地层孔隙或自然裂隙，使锚固段有效直径增加，在细粒状无粘性土中，注浆体虽然不易渗人地层细小的孔隙，但由于在注浆压力作用下可以局部挤压地层使锚固段有效直径增加，从而可提高锚固力。锚固力取决于锚固段部分地层的周边抗剪力。,3.C,型锚固段,通常是施工方法是，预先像,B,型锚固段那样先进行第一次注浆，待注浆体初凝之后通过设置在锚固段的袖阀管进行第二次高压注浆，当发生浆液压力突然降低时，表明劈裂现象已经形成。理论上,C,型锚固段适用于从软岩到各类土层，但对于较硬的地层，要使用较高的注浆压力才可实现，对于土层中的锚索，无控制的注浆压力可能导致地层的隆起和损坏相邻建筑物。国际预应力学院建议注浆压力不大于锚固段每米埋深的,0.02MPa,C,型锚固采用高压注浆，注浆压力一般大于,2MPa,，锚固段地层由于受注浆体的水力劈裂作用二形成了大于原钻孔直径的树根状注浆体，从而可增加锚固力。,4.D,型锚固段,D,型锚固段适用于粘土地层。施工时，首先在粘土中钻一圆柱形的锚索孔，然后把锚固段部分的钻孔使用一种带有铰刀的钻具钻成一系列哑铃状的扩大孔，扩孔后的直径一般为原直径的,24,倍，因而可提高锚索的锚固力。,D,型锚固段的锚固力主要取决于钻孔地层的周边抗剪力和端承载力。,3,、锚固段长度确定,锚固段的长度可根据理论计算、类比法和拉拔试验确定。,锚索在注浆体与地层界面的锚固力受诸多因素的制约，岩石的强度、锚索类型、锚固段形式及施工工艺对注浆体与地层界面的锚固力都会产生影响，此外，还存在许多未了解的因素。这些因素设计到注浆体与地层界面结合的力学问题和锚索与地层互相作用问题。所有计算锚固力的公式都是在一定的假设条件下得到的，然而这些假定条件很难和现场条件相一致。所以，确定锚索锚固力最可靠的方法是在特定的地层条件下进行严格的拉拔试验。,3,、锚固段长度确定,3,、锚固段长度确定,A,型锚固段锚固力的计算公式是基于以下假设而得到的：,1,）锚固段传递给岩体的应力沿锚固段全长均匀分布,2,）钻孔直径和锚固段注浆体直径相同，即在注浆时地层无被压缩现象；,3,）岩石与注浆体界面产生滑移（硬岩，孔壁光滑）或剪切（软岩，孔壁粗糙）破坏,滑坡防治工程设计与施工技术规范,DZT0219-2006,铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,3,、锚固段长度确定,锚固段长度构造要求,建筑边坡工程技术规范,GB50330-2013,铁路路基支挡结构设计规范,（,TB10025-2006),确定锚索的锚固段长度，应符合下列要求：,1,）在确定锚固段长度时，应分别对锚固体与围岩结合长度和握裹长度进行计算，实际锚固段长度取较大值。,2,）锚杆锚固长度满足构造要求（土质锚杆不小于,4m,，不大于,10,；岩质锚杆不小于,3m,，不大于,6.5m,；预应力锚索不大于,8.5m,。,3,）计算锚固段大于构造要求时，采取措施（改善岩土体质量、适当的施工方法、合理的锚固段结构）提高锚固力,例题,3.8.3,某二级砂岩地层边坡，砂岩抗压强度,25MPa,，采用预应力锚索加固，内锚固段采用枣核状结构，单根锚索的设计锚固力,T=1500kN,，注浆体采用,M30,水泥砂浆，经计算采用,9,根,75,钢绞线（公称直径,15mm,），钻孔直径为,D=150mm,，试确定其锚固长度。,按,建筑边坡工程计算规范,1,、按锚固体与地层锚固力确定的长度,2,、按锚固体与钢绞线锚固力确定的长度,由以上计算分析可知，该锚索的锚固力受注浆体与地层界面控制，取锚固段长度,8.0m,按,三峡库区地质灾害防治技术要求,（,铁路路基支挡结构设计规范,）,1,、按锚固体与地层锚固力确定的长度,2,、按锚固体与钢绞线锚固力确定的长度,由以上计算分析可知，该锚索的锚固力受注浆体与地层界面控制，取锚固段长度,10m,4,、锚杆锚固段深度,锚固深度是指稳定地层表面至锚固段中点的地层厚度。锚索能否成功的锚固于地层之中，锚索能否达到预计的锚固力，除了取决于锚索体材料、注浆体与地层界面的粘结力，注浆体与锚索体界面的握裹力外，也取决于地层抵抗锚索被拉出的抗力。这种抗力只有在大于或等于锚索的锚固力时才能保证结构稳定。否则将出现如图所示的地层破坏。在均质材料中，地层倒锥形破坏的角度为,90,，然而在其他情况下该角度可能会降至,60,。所以设计时应对地层的稳定性进行验算,锚固与注浆技术手册,锚固与注浆技术手册,例题,3.8.4,某二级砂岩地层边坡，砂岩抗压强度,25MPa,，抗剪采用预应力锚索加固，单根锚索的设计锚固力,T=1500kN,，锚索间距,4m,。试求锚固深度,锚固段岩体完整均匀时：,锚固段为不规则断裂岩体时：,5,、锚杆（索）构造要求,6,、锚杆（索）防腐设计,工程结构或构件的使用寿命受三个主要因素控制，即腐蚀、疲劳和磨损。对于锚索，寿命主要受腐蚀控制。,防腐设计的目的是确保在工程有效服务年限内锚索不被腐蚀和破坏。锚索在高应力状态下长时间工作，所处的工作环境可能十分恶劣，在在这种条件下，锚索的腐蚀速率是十分惊人的。,防腐方法主要有碱性环境防护、物理防护和电力防护。碱性环境防护是依靠水泥质注浆体对锚杆（索）提供的碱性环境，达到对锚杆（索）保护的目的；物理防护是在锚杆（索）体材料上直接覆盖塑料凳材料，从而阻止外部腐蚀性物质与锚杆（索）的接触；电力防护是使锚杆（索）体形成一个电路，并使锚索体表面极化成阴极的保护方法，又称为阴极保护。由于造价等方面的原因，目前的防腐蚀主要是前两种方法。,采用,、,级钢筋制作锚杆的非锚固段（位于土层区段）防腐处理可采用出锈、刷沥青船底漆二度，沥青玻纤布缠裹二层。,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除锈、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，自由段套管内用黄油充填,锚固于无腐蚀条件地层内的锚固段，经除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,锚固段防腐,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。,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,锚头防腐,于,C30,，厚度不小于,100mm,，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,对中支架设置,对中支架是保证张拉段的锚索体在孔中居中。从而使锚索体可以被一定厚度的注浆体覆盖。,隔离支架设置,隔离支架的作用是使锚固段的各根钢绞线相互分离，并使锚索体居中。,7,、锚杆（索）施工,机械、设备、材料进场,搭设脚手架、清理坡面,钻机就位,钻孔,压水试验,安装锚索,浇筑混凝土垫墩,锚索注浆,补充注浆,补充张拉,锚头防护处理,锚索编制,锚索尺寸质量检查,垫墩立模配筋,压力传感器安装,传感器量测,钻孔位置、角度、孔径、倾角的确认,钻孔质量检查,固结灌浆,二次钻孔,混凝土试件强度确认,注浆体强度确认,张拉系统率定,预应力量值确认,不合格,张拉,结束,安装锚具和限位板,安装锚具和限位板,安装锚具（含锁片）和限位板后,完成安装，张拉前调整垫板,张拉,完成锁定后卸除千斤,8,、试验,