錨桿施工與設計

1.錨桿(索)的結構與分類

錨桿是一種將拉力傳至穩(wěn)定巖層或土層的結構體系，主要由錨頭、自由段和錨固段組成。

(1)錨頭：錨桿外端用于錨固或鎖定錨桿拉力的部件，由墊墩、墊板、錨具、保護帽和外端錨筋組成。

(2)錨固段：錨桿遠端將拉力傳遞給穩(wěn)定地層的部分錨固深度和長度應按照實際情況計算獲取，要求能夠承受最大設計拉力。

(3)自由段：將錨頭拉力傳至錨固段的中間區(qū)段，由錨拉筋、防腐構造和注漿體組成。

(4)錨桿配件：為了保證錨桿受力合理、施工方便而設置的部件，如定位支架、導向帽、架線環(huán)、束線環(huán)、注漿塞等。

(1) 按是否預先施加應力分為預應力錨桿(索)和非預應力錨桿(索)：非預應力錨桿是指錨桿錨固后不施加外力，錨桿處于被動受載狀態(tài)；預應力錨桿是指錨桿錨固后施加一定的外力，使錨桿處于主動受載狀態(tài)。

(2)按錨固形態(tài)分為圓柱形錨桿、端部擴大型錨桿(索)和連續(xù)球型錨桿(索) 。(如圖1.1為圓柱型錨桿,圖1.3為端部擴大型錨桿.)

除此之外，按錨固機理還可分為有粘結錨桿、摩擦型錨桿、端頭錨固型錨桿和混合型錨桿。目前在邊坡加固工程中廣泛采用錨釘也是一種較短的粘結型錨桿，它是通過在邊坡中埋入段而密的粘結型錨桿使錨桿與坡體形成復合體系，增強邊坡的穩(wěn)定性；這種錨桿一般適用于土質(zhì)地層和松散的巖石地層。

錨桿（索）的作用原理就是利用錨桿(索)周圍地層巖土的抗剪強度來傳遞結構物的拉力以保持地層開挖面的自身穩(wěn)定，由于錨桿錨索的使用，可以提供作用于結構物上以承受外荷的抗力；可以使錨固地層產(chǎn)生壓應力區(qū)并對加固地層起到加筋作用；可以增強地層的強度，改善地層的力學性能；可以使結構與地層連鎖在一起，形成一種共同工作的符合體，使其能有效地承受拉力和剪力。在巖土錨固中通常將錨桿和錨索統(tǒng)稱為錨桿。

2.錨桿(索)的設計與計算

2.1設計的基本原則

在計劃使用錨桿的邊坡工程中，應充分研究錨固工程的安全性、經(jīng)濟性和施工的可行性。設計前認真調(diào)查邊坡工程的地質(zhì)條件，并進行工程地質(zhì)勘察及有關的巖土物理力學性能實驗，以提供錨固工程范圍類的巖土性狀、抗剪強度、地下水、地震等資料。對于土質(zhì)邊坡還應提供土體的物理性質(zhì)和物理狀態(tài)指標。 設計錨桿的使用壽命應不小于公路或被服務建筑物的正常使用年限，一般使用期限在兩年以內(nèi)的工程錨桿應按臨時錨桿設計，使用期限在兩年以上的錨桿應按永久性錨桿進行設計。對于永久性錨桿的錨固段不應設在有機質(zhì)土、液限大于50％或相對密度小于0.3的土層中；因有機質(zhì)土會引起錨桿的腐蝕破壞；液限大于50％的土層由于其高塑性會引起明顯的徐變而導致錨固力不能長期保持恒定；相對密度小于0.3的土層松散不能提供足夠的錨固力。

當對支護結構變形量容許值要求較高、或巖層邊坡施工期穩(wěn)定性較差、或土層錨固性能較差、或采用了鋼絞線和精軋鋼時，宜采用預應力錨桿。但預應力作用對支承結構的加載影響、對錨固地層的牽引作用以及相鄰構筑物的不利影響應控制在安全范圍之內(nèi)。

設計的錨桿必須達到所設計的錨固力要求，防止邊坡滑動剪斷錨桿，錨桿選用的鋼筋或鋼絞線必須滿足有關國家標準，特別是預應力鋼絞線，除了滿足Gl3／T 5224—95標準外，還必須獲得IS09002國際質(zhì)量認證；同時必須保障鋼筋或鋼絞線有效防腐，以避免銹蝕導致材料強度降低。

非預應力錨桿長度一般不要超過l6m，單錨設計噸位一般為l00～400kN，最大設計荷載一般不超過450 kN。預應力錨桿(索)長度一般不要超過50m，單束錨索設計噸位一般為500～2500kN，最大設計荷載一般不超過3000kN，預應力錨索的間距一般為4～10m。

進行錨桿設計時，選擇的材料必須進行材性試驗，錨桿施工完畢后必須對錨桿進行抗拔試驗，驗證錨桿是否達到設計承載力的要求；同時對于公路上遇到的大型滑坡在采用預應力錨索加固后必須進行至少一年的位移監(jiān)測。

2.2錨桿(索)錨筋的設計

按照設計程序，在確定出錨桿軸向設計荷載后，需要對錨桿進行結構設計，結構設計的第一步就是根據(jù)錨桿軸向設計荷載計算錨桿的錨筋截面，并選擇合理的鋼筋或鋼絞線配置錨筋；在配置錨筋后可由錨筋的實際面積和錨筋的抗拉強度標準值計算出錨桿承載力設計值，然后方能進行錨桿設計計算。

(1)錨桿錨筋的截面積計算： 假設錨桿軸向設計荷載為N，則可由下式初步計算出錨桿要達到設計荷載N所需的錨筋截面：

(2)錨筋的選用：

根據(jù)錨筋截面計算值Ag，對錨桿進行錨筋的配置，要求實際的錨筋配置截 。配筋的選材應根據(jù)錨固工程的作用、錨桿承載力、錨桿的長度、數(shù)量以及現(xiàn)場提供的施加應力和鎖定設備等因數(shù)綜合考慮。

對于采用棒式錨桿，都采用鋼筋做銷筋。如果是普通非預應力錨桿，由于設計軸向力一般小于450kN,長度最長不超過20m．因此錨筋一般選用普通Ⅱ、Ⅲ級熱軋鋼筋，如果是預應力錨桿可選用Ⅱ、Ⅲ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2～32mm。

對于長度較長、錨固力較大的預應力錨桿應優(yōu)先選用鋼絞線、高強鋼絲，這樣不但可以降低錨桿的用鋼量，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。

(3)按實際錨筋截面計算錨桿承載力設計值：

假設實際錨筋配置截面為Ag(Ag≥Ag′)，由下式按實際錨筋計算錨桿承載力設計值：

2.3錨桿(索)的錨固力計算與錨固體設計

錨桿(索)的錨固力也可稱為錨桿(索)承載力。錨桿極限錨固力(極限承載力)是指錨桿錨筋沿握裹砂漿或砂漿沿孔壁產(chǎn)生滑移破壞時所能承受的最大臨界拉拔力，它可以通過破壞性拉拔試驗確定。錨桿容許錨固力(容許承載力)是極限錨固力(極限承載力)除以適當?shù)陌踩禂?shù)(通常為2.0～2.5)，這種錨固力在《公路鋼筋混凝土規(guī)范》中稱為容許承載力，而在《工民建鋼筋混凝土結構規(guī)范》中又稱為錨桿錨固力(承載力)標準值；這種標準值為設計錨固力提供參考，通常錨桿容許錨固力是錨桿設計錨固力(或稱為錨固力設計值)的1.2～1.5倍。在設計時，錨桿的設計荷載必須小于錨固力設計值。

錨桿錨固力的計算方法隨錨固體形式不同而異，圓柱型錨桿的錨固力由錨固 k——安全系數(shù)，取值同前； fptk——所配錨筋(鋼絲、鋼絞線或鋼筋)的抗拉強度設計值。 體表面與周圍地層的摩擦力提供；而端頭擴大型錨桿的錨固力則由擴座端的面承力及與周圍地層的摩擦力提供。

(1)圓柱型錨桿錨固力與錨固長度計算

對于圓柱型錨桿，根據(jù)錨固機理，錨桿的極限錨固力可按下式計算：

(2)端部擴大頭型錨桿的錨固力和錨固長度計算

端部擴大頭型錨桿的極限錨固力由三部分組成：直孔段圓柱型錨固體摩阻力、擴孔段圓柱型錨固體摩阻力以及擴大頭端面承載力。前兩項摩阻力可由式(6.5)計算，而擴大頭端面承載力目前主要運用錨定板抗拔力計算公式近似計算。

極軟巖：巖石單軸飽和抗壓強度fp≤5MPa；軟質(zhì)巖：巖石單軸飽和抗壓強度 5MPa ≤fp≤30MPa硬質(zhì)巖：巖石單軸飽和抗壓強度fp≥30MPa。

(3)表中數(shù)據(jù)用作初步設計時計算，施工時宜通過試驗檢驗。

(4)巖體結構面發(fā)育時，取表中下限值。

(3)錨筋與錨固砂漿間的最小握裹長度計算

前面對于圓柱型錨桿和端頭擴大型錨桿的極限錨固力計算公式是基于錨固段錨桿體與周圍巖土問的極限摩阻力給出的，這種公式的應用條件是錨桿破壞首先從錨固體與周圍巖土之間的界面剪切滑移，一般來講對于土層或較軟的巖石滿足這種條件。對于堅硬的巖層，如果錨固體與巖層問的極限摩阻力大于錨筋與錨固砂漿之間的極限握裹力，錨桿將首先從錨筋與錨固砂漿之間開始剪切破壞，此時應根據(jù)錨筋與錨固砂漿之間的粘結強度來計算錨桿的錨固長度。極限錨固力計算公式為：

3.2 造孔

錨桿(索)施工的第一步就是按照施工圖的要求鉆孔，鉆孔是錨固工程費用最高、控制工期的作業(yè)，因而是影響錨固工程經(jīng)濟效益的主要因數(shù)。錨桿鉆孔應滿足設計要求的孔徑、長度和傾角，采用適宜的鉆孔方法確保精度，要使后續(xù)的桿體插入和注漿作業(yè)能順利地進行。一般要求如下：

1)在鉆機安放前，按照施工設計圖采用經(jīng)緯儀進行測量放線確定孔位以及錨孔方位角，并作出標記。一般要求錨孔入口點水平方向誤差不應大于50mm，垂直方向誤差不應大于100mm。

2)確定孔位后根據(jù)實際地層及鉆孔方向選取適當?shù)你@孔機具并確定機座水平定位和立軸傾角(即錨孔傾角)，鉆機立軸的傾角與鉆孔的傾角應盡量相吻合，其允許的誤差只能是巖心管傾角略大于立軸傾角，不允許有反向的偏差出現(xiàn)。開孔后，盡量保持良好的鉆進導向。在鉆進過程中根據(jù)實際地層變化情況，隨時調(diào)整鉆進參數(shù)，以防止造成孔斜偏差。

3)在邊坡錨固的鉆孔過程中應注意巖芯的拾取，并盡量提高巖芯采取率，以求不斷地準確地劃分地層、確定不穩(wěn)定巖土體厚度，判斷斷裂破碎帶、滑移面、軟弱結構面的位置和厚度，從而驗證設計所依據(jù)的地勘資料，必要時修改設計。錨孔深度應超過設計長度0.5～1.Om，同時錨孔錨固段必須進入中風化或更堅硬的巖層，深度一般不得小于5m。

3.3 錨桿制作與安裝

在錨桿制作上，棒式錨桿的制作十分簡單，一般首先按要求的長度切割鋼筋，并在外露端加工成螺紋以便安放螺母，然后在桿體上每隔2～3m安放隔離件以使桿體在孔中居中，最后對桿體按要求進行防腐處理，這樣棒式錨桿的制作便完成。而對于多股鋼絞線的錨桿(如圖6.2所示)制作較復雜，其錨固段的鋼絞線呈波浪形，自由段的鋼絞線必須進行嚴格的防護處理。對于各種形式的錨桿總的要求如下：

1)嚴格按照設計進行鋼筋(或鋼絞線)選材。對進場的鋼筋或鋼絞線必須驗明其產(chǎn)地、生日期、出廠日期、型號，并核實生產(chǎn)廠家的資質(zhì)證書及其各項力學性能指標。同時須進行抽樣檢驗，以確保其各項參數(shù)達到錨固施工要求。對于預應力錨固結構，優(yōu)先選用高應力、低松弛的鋼絞線，保證其與混凝土有足夠的粘結力(握裹力)，同時應保證預應力損失后仍能建立較高的預應力值。

2)嚴格按照設計長度進行下料。對進場鋼筋經(jīng)檢驗達到上述技術要求后，即可進行校直、出銹處理，然后，按照施工設計長度進行斷料，其長度誤差不應大于50mm。一般實際長度應大于計算長度的0.3～0.5m，但不可下得過短，以致無法鎖定或者給后續(xù)施工帶來不便。

3)錨桿組裝可在嚴格管理下由熟練人員在工地制作。對于Ⅱ、ⅢJ級鋼筋連接時宜采用對接焊或雙面搭接焊，焊接長度不應小于8倍鋼筋直徑，精軋螺紋鋼筋定型套筒連接。錨桿自由段必須按照設計作防腐處理和定位處理。

4)錨束放入鉆孔之前，應檢查孔道是否阻塞，查看孔道是否清理干凈，并檢查錨索體的質(zhì)量，確保錨束組裝滿足設計要求。安放錨束時，應防止錨束扭壓、彎曲，注漿管宜隨錨體一同放人鉆孔，注漿管端部距管底宜為50～100mm，錨束放人角度應與鉆孔角度保持一致，在人孔過程中，注意避免移動對中器，避免自由長度段無粘結護套或防腐體系出現(xiàn)損傷。錨束插入孔內(nèi)深度不應小于錨束長度的95％。

3.4 注漿施工

錨固的注漿是錨桿施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，注漿質(zhì)量的好壞將直接影響錨桿的承載能力。錨孔一般采用水泥漿或水泥沙漿灌注，漿液的拌合成分、質(zhì)量和關注方式在很大程度上決定了錨桿的粘結強度和防腐效果。因此在錨桿注漿施工應當嚴格把握漿材質(zhì)量、漿液性能、注漿工藝和注漿質(zhì)量。一般要求有：

1)按規(guī)定選擇水泥漿體材料。選用水泥標號應為灌漿漿液標號的1.5～2倍，且不宜低于425#的新鮮普通硅酸鹽水泥，對進場水泥應復查力學性能。攪拌漿液所用水中不含有影響水泥正常凝結、硬化的有害物質(zhì)。選用砂料的含泥量按重量計不得大于3％，砂中有害物質(zhì)(如云母、輕物質(zhì)、有機物、硫化物等)含量應低于1％～2％，砂的粒徑以中砂(平均粒徑0.3～0.5mm)較好，但要求含水量不應大于3％。外加劑的品種與用量由試驗確定，一般情況下加速漿體凝固的水玻璃摻量為0.5％～3％；提高漿液擴散能力和可泵性的表面活性劑(或減水劑)，如三乙醇胺等，其摻量為水泥用量的0.02～0.05％；為提高漿液的均勻性和穩(wěn)定性，防止固體顆粒離析和沉淀而摻加的膨潤土，其摻量不宜大于水泥用量的5％。

2)錨束漿液在28天齡期后要求抗壓強度達到設計標號強度；當注漿為水泥砂漿時，一般選用灰砂比為l：1～1：2，水灰比為O.38～O.48，且砂子粒徑不得大于2mm，而二次高壓注漿形成的連續(xù)球型錨桿的材料宜選用水灰比0.45～0.50的純水泥漿。對與配置好的漿液應有穩(wěn)定性好，常溫、常壓下較長時間存放，不易改變其基本性質(zhì)，不發(fā)生強烈的化學反應特點，同時漿液對注漿設備、管路、橡膠制品無腐蝕性、易清冼，漿液固化時無收縮現(xiàn)象(或收縮性小)，固化后有一定的粘結性，能牢固地與巖石、混凝土及砂子等粘結。除此之外還要求漿體配置方便操作、容易掌握、原料來源豐富，價格便宜，能夠大規(guī)模使用。

3)注漿作業(yè)應連續(xù)緊湊，中途不得中斷，使注漿工作在初始注入的漿液仍具塑性的時間內(nèi)完成；在注漿過程中，邊灌邊提注漿管，保證注漿管管頭插入漿液液面下50～80cm，嚴禁將導管拔出漿液面，以免出現(xiàn)斷桿事故。實際注漿量不得少于設計錨索的理論計算量，即注漿充盈系數(shù)不得小于l.0。

4)二次高壓注漿形成連續(xù)球型錨桿的注漿還應注意：一次常壓注漿作業(yè)應從孔底開始，直至孔口溢出漿液；對錨固體的二次高壓注漿應在一次注漿形成的水泥結石體強度達到5.0MPa時進行，注漿壓力和注漿時間可根據(jù)錨固體的體積確定，并分段依次由下至上進行。

3.5 錨桿的張拉與鎖定

錨桿的張拉，其目的就是要通過張拉設備使錨桿桿體自由段產(chǎn)生彈性變形，從而對錨固結構施加所需求的預應力值。在張拉過程中應注重張拉設備選擇、標定、安裝、張拉荷載分級、鎖定荷載以及量測精度等方面的質(zhì)量控制，一般要求如下：

1)張拉設備要根據(jù)錨桿體的材料和鎖定力的大小進行選擇。選擇時應考慮它的通用性能，從而使得它具備除可能張拉配套錨具外，還能張拉盡可能多的其他系列錨具的通用性能，做到一項多用。同時張拉設備應能使預應力筋的拉力既能從已有荷載上增加或降低，又能在中間荷載下錨固，最后張拉設備還應能拉錨以確定預應力荷載的大小。

2)張拉前對張拉設備進行標定。對于1000kN以下的千斤頂，可用2000kN的壓力機標定，標定的數(shù)據(jù)與理論出力誤差應小于2％。

3)安裝錨夾具前，要對錨具進行逐個嚴格檢查。錨具安裝必須與孔道對中，夾片安裝要整齊，裂縫要均勻，理順注漿管后依次套人錨墊板、工作錨、限位板，在限位板上用千斤頂預拉，每根預拉一定荷載后，再套入千斤頂、工具錨、工具夾片等。

4)張拉前，必須待錨固段、承壓臺(或粱)等構件的混凝土強度達到設計強度方能進行張拉，同時必須把承壓支撐構件的面整平，將臺座、錨具安裝好，并保正和錨索軸線方向垂直(誤差

5)張拉應按一定程序和設計張拉速度(一般為40kN／min)進行。正式張拉前進行二次預張拉，張拉力為設計拉力的l0％～20％。正式張拉荷載要分級逐步施加，不能一次加至鎖定荷載。