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1、高层建筑施工网上辅导材料2：第三章土层锚杆【教学基本要求】通过本章的学习，使学生：1掌握土层锚杆的构造和类型以及应用背景；2掌握土层锚杆的设计内容和计算方法；3掌握土层锚杆施工的施工方法。【学习重点】土层锚杆的构造和土层锚杆的施工工艺。【内容提要和学习指导】1.1. 土层锚杆的发展与应用层锚杆（亦称土锚）是一种新型的受拉杆件，它的一端与支护结构等联结，另一端锚固在土体中，将支护结构和其他结构所承受的荷载（侧向的土压力、水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等）通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。锚杆打入地下后，为了发挥锚杆钢索应力、减少变形，可
2、采用预加应力的方法，同时打入地下的锚杆通过早期张拉，对地基锚杆预加应力也是对锚杆在土层中或岩层中的一次荷载试验。土层锚杆是在岩石锚杆的基础上发展起来的，1958年原联邦德国的KarIBauer公司在深基坑开挖中，为固定挡土墙首次在非粘性土层中采用了土层锚杆。土层锚杆技术近三十年来得到迅猛的发展，目前它已成为现代建筑技术的重要组成部分。现代的土层锚杆技术已能施工长达50m的锚杆，在粘性土中最大锚固力可达100OkN,在非粘性土中可达2500kNo随着我国工程建设的不断发展，深基础工程渐增多。尤其是当深基坑邻近已有建筑物和构筑物、交通干线或地下管线时，深基坑难以放坡开挖，或基坑宽度较大、较深，对支
3、护结构采用内支撑的方法不经济或不可能。在这种情况下采用土层锚杆支承支护结构（钢板桩、地下连续墙、灌注桩等），维护深基坑的稳定，对简化支撑、改善施工条件和加快施工进度能起很大的作用。我国除了在湘黔铁路和北京、天津的地下铁道施工中应用过土层锚杆外，在高层建筑等深基础工程施工中的应用日渐增多，取得了较好的效果，曾被我国建设部列为“八五”科技成果推广计划重点项目。土层锚杆的应用由非粘性土层发展到粘性土层。在高含水量、高压缩性的松散粘土层中是否能够应用，一直是大家关心的问题。我国沿海一带多为冲积性平原，土层以淤泥质粘土和粉质粘土为主，含水量往往高达40%60%以上，呈软塑甚至流塑状态，在这样的土层中可否
4、应用土层锚杆，过去没有先例。近年来，我国经过试验研究，已初步掌握了在这种软粘土中的土层锚杆的承载能力和施工工艺，并成功地应用于工程建设中，对发展土层锚杆技术做出于贡献。1.2. 土层锚杆的构造1.2.1. 锚杆的类型锚杆用于地基有三种基本类型。第一种类型锚杆由圆柱形注浆体和钢筋或钢索构成，如图1(a)所示，孔内注水泥浆，水泥砂浆或其他化学注液。适用于拉力不高，临时性锚杆以及岩石性锚杆。图1三种锚杆类型第二种锚杆类型为扩大的圆柱体，注入压力灌浆液而形成，适用于粘性土和无粘性土,当拉力要求较大时采取较高的压力进行注浆。在粘性土中形成较小扩大区，在无粘性土中，可得到较大扩大区。如图1(b)所示。第三
5、种锚杆类型是采用特殊的扩孔装置在孔眼内长度方向扩1个或几个扩孔圆柱体如图I(C)所示。这类锚杆要有特制机械扩孔装置，通过中心杆压力将扩张式刀具缓缓张开刮土。在粘性土和砂土中都适用，可以达到较高的拉拢力。1.2.2. 锚杆构造1 .锚杆的组成锚杆由锚头、钢拉杆（钢索）、塑料套管定位分隔器（钢较线用）以及水泥砂浆等组成，它与挡土桩墙联结构成支护结构，图2为锚杆与地下墙联结构造图。图2锚杆构造图2 .锚杆的锚头，钢材及附件锚杆的钢材分粗钢筋，钢管及钢较线，统称钢索，一般要求材料强度高。在钢索全长分自由段与锚固段，自由段的钢索套塑料管以保证张拉时钢索能自由伸长。锚固段内要求灌浆或压力灌浆密实，与钢索有
6、足够的握裹力。粗钢筋的锚头如图3所示，钢钱线的锚头如图4所示。用于钢较线的定位分隔器如图5。图3钢筋锚杆头装置；图4多根钢束锚杆头装置；图5定位分隔器。1.3. 土层锚杆设计土层锚杆由于涉及钢材、水泥和土体三种材料，其承载能力与施工因素密切有关，因此按照弹塑性理论和土力学原理进行精确的设计计算是十分复杂的，且与实际情况有出入，所以一般还是根据经验数据进行设计，然后通过现场试验进行检验。土层锚杆设计要考虑的问题包括：锚杆布置；锚杆承载能力；锚杆的整体稳定性；锚杆尺寸确定等。1.3.1. 锚杆布置锚杆布置包括锚杆埋置深度、锚杆层数，锚杆的垂直间距和水平间距，锚杆的倾斜角，锚杆的长度等。(1)锚杆的
7、埋置深度应保证不使锚杆引起地面隆起和地面不出现地基的剪切破坏，最上层锚杆的上面需要有一定的覆土厚度，一般覆土厚度不小于45m。(2)锚杆的层数应通过计算确定，一般上下层间距为25m,锚杆的水平间距多为l45m,或控制在锚固体直径的10倍。(3)锚杆的倾角为了受力和灌浆施工方便，不宜小于12.5。，一般与水平成15。25。倾斜角。(4)锚杆的长度根据需要而定，一般要求锚固体置于滑动土体以外的好土层内，通常长度为1525m,单杆锚杆最大长度不超过30m,锚固体长度一般为57m。锚杆设置时应注意以下几点：(1)土层锚杆的允许拉力与土层好坏关系很大，在硬土层内最大拉力可达1500kN,在一般粘性土或非
8、粘性土中，单锚拉力约为300600kN,因此锚杆的锚固层应尽量设置在良好的土层内。设置前，应对地基土的土层构成，土的性质，地下水情况进行详细勘察，不允许将锚固层设置在有机土层或液性指数/50%的粘土地基，或相对密度OXo.3的松散地层内；(2)在允许情况下尽量采用群锚，避免用单根锚杆；(3)各个部分的锚杆都不得密接或交叉设置；(4)锚杆要避开邻近的地下构筑物和管道；(5)土层锚杆非锚固段部分，要保证不与周围土体粘结，以便当土滑动时，能够自由伸长，而不影响锚杆的承载能力；(6)在有腐蚀性介质作用的土层内，锚杆应进行防腐。1.3.2. 锚杆的承载能力锚杆的承载能力即极限抗拔力。根据锚杆拉力的传递方
9、式，锚杆的承载能力通常取决于：拉杆的极限抗拉强度；拉杆与锚固体之间的极限握裹力；锚固体与土体间的极限侧阻力。由于拉杆与锚固体之间的极限握裹力远大于锚固体与土体之间的极限侧阻力，所以在拉杆选择适当的前提下，锚杆的承载能力主要取决于后者。1.3.3. 锚杆的整体稳定性进行土层锚杆设计时，不仅要研究土层锚杆的承载能力，而且要研究支护结构与土层锚杆所支护土体的稳定性，以保证在使用期间土体不产生滑动失稳。土层锚杆的稳定性，分为整体稳定性和深部破裂面稳定性两种，其破坏形式如图6所示，需分别予以验算。图6土层锚杆的失稳（a）整体失稳：（b）深部破裂面破坏整体失稳时，土层滑动面在支护结构的下面，由于土体的滑动
10、，使支护结构和土层锚杆失效而整体失稳。对于此种情况可按土坡稳定的验算方法进行验算。深部破裂面在基坑支护结构的下端处，这种破坏形式是前联邦德国的EKranz于1953年提出的，可利用KranZ的简易计算法进行验算。1.3.4. 土层锚杆的蠕变与松弛（一）土层锚杆的蠕变用于锚固支护结构的土层锚杆，始终承受接近恒载的拉力，土层锚杆的变形一直在发展，这就是土层锚杆的蠕变。在实际工程中，需要了解土层锚杆的端变性能，因为土层锚杆的蠕变是收敛还是发散，决定了支护结构的安危。尤其是对于软土地基，土的蠕变大，土层锚杆的蠕变就成为突出的问题。土层锚杆的蠕变主要由下述四部分组成：自由段钢拉杆的伸长一般为弹性变形,可
11、由胡克定律求得；锚固体的伸长孔,荷载较小时表现为弹性变形，当荷载较大时，锚固体产生细微裂缝，即表现为塑性变形。锚固体由钢拉杆与砂浆（水泥浆）组成，要考虑两种材料的共同作用；锚固体周围土体在一定范围内的剪切变形P，荷载很小时为弹性变形，荷载较大时为塑性变形并伴随有粘性流变；锚固体与土体之间的相对滑动S，该滑动变形只有当土层锚杆接近破坏时才产生，一旦产生就表现为塑性变形，这种变形一般不允许产生。因此土层锚杆的蠕变，表现为弹性、塑性和粘性流变之和，是一个较为复杂的理论问题。（二）土层锚杆的松弛土层锚杆的松弛也是应该研究的一个问题，它有很大的实用性，特别是对于需要施加预应力的土层锚杆，当施加预应力张拉
12、到一定荷载后将其锚固，随着时间的推移，土层锚杆锚头的变形保持不变，而锚杆内的内力却随时间面递减。对土层锚杆施加预应力一般有三个目的：通过张拉使自由段的钢拉杆产生弹性伸长，对锚固体产生预应力，以限制锚固土层的变形；通过施加预应力对土层锚杆进行试验，可以揭示设计和施工中的差错；证实土层锚杆的适用性，预测其工作状况，检验土层锚杆与板桩等支护结构协同工作的情况。因此，在我国使用的土层锚杆中，施加预应力的占较大的比重。对土层锚杆宜施加多大的预应力值，是应该研究的一个问题，因为它与松弛损失的大小有关。试验证明，施加的预应力值愈高，松弛引起的荷载损失也愈大，稳定荷载占原荷载的百分数也愈低。1.4. 土层锚杆
13、施工土层锚杆施工，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。在正式开工之前还需进行必要的准备工作。1.4.1. 施工准备工作在土层锚杆正式施工之前，一般需进行下列准备工作：（1） 土层锚杆施工必须清楚施工地区的土层分布和各土层的物理力学特性。(2)要查明土层锚杆施工地区的地下管线、构筑物等的位置和情况，慎重研究土层锚杆施工对它们产生的影响。(3)要研究土层锚杆施工对邻近建筑物等的影响。(4)要编制土层锚杆施工组织设计。一些特殊的土层锚杆，施工前还可能另有其他的要求，都应详尽地做好准备工作。1.4.2. 钻孔土层锚杆的钻孔工艺，直接影响土层锚杆的承载能力、施工效率和整个支护工程的成本。钻孔的费用一般占
14、成本的30%以上，有时甚至超过50%o钻孔时注意尽量不要扰动土体，尽量减少土的液化，要减少原来应力场的变化，尽量不使自重应力释放。土层锚杆的成孔设备，国外一般采用履带行走全液压万能钻孔机，孔径范围50320mm,具有体积小，使用方便，适应多种土层，成孔效率高等优点。国内使用的有螺旋式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机，亦有的采用改装的普通地质钻机成孔。在黄土地区亦可采用洛阳铲形成锚杆孔穴，孔径7080mm.1.4.3. 安放拉杆土层锚杆用的拉杆，常用的有钢管(钻杆用作拉杆)、粗钢筋、钢丝束和钢绞线。主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择。承载能力较小时，多用粗钢筋；承载能力较大时
15、，我国多用钢绞线。1.4.4. 压力灌浆压力灌浆是土层锚杆施工中的一个重要工序。施工时，应将有关数据记录下来，以备将来查用。灌浆的作用是；形成锚固段，将锚杆锚固在土层中；防止钢拉杆腐蚀；充填土层中的孔隙和裂缝。灌浆的浆液为水泥砂浆(细砂)或水泥浆。水泥一般不宜用高铝水泥，由于氯化物会引起钢拉杆腐蚀，因此其含量不应超过水泥重的0.1%。由于水泥水化时会生成S03,所以硫酸盐的含量不应超过水泥重的4%。我国多用普通硅酸盐水泥。拌合水泥浆或水泥砂浆所用的水，一般应避免采用含高浓度氯化物的水，因为它会加速钢拉杆的腐蚀。若对水质有疑问，应事先进行化验。选定最佳水灰比亦很重要，要使水泥浆有足够的流动性，以
16、便用压力泵将其顺利注入钻孔和钢拉杆周围。同时还应使灌浆材料收缩小和耐久性好，所以一般常用的水灰比为0.40.45。灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种。一次灌浆法只用一根灌浆管，利用泥浆泵进行灌浆，灌浆管端距孔底20Cm左右，待浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞人孔口，并用湿粘土封堵孔口，严密捣实，再以24MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才告结束。二次灌浆法要用两根灌浆管（直径3/4in镀锌铁管），第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50Cm左右，管底出口处用黑胶布等封住，以防沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100Cm左右，管底出口处亦用黑胶布封位，且从管端50Cm处
17、开始向上每隔2m左右作出Im长的花管，花管的孔眼为8mm,花管做几段视锚固段长度而定。第一次灌浆是灌注水泥砂浆，其压力为0.30.5MPa,流量为IooL/min。水泥砂浆在上述压力作用下冲出封口的黑胶布流向钻孔。钻孔后曾用清水洗孔，孔内可能残留有部分水和泥浆，但由于灌人的水泥砂浆相对密度较大，能够将残留在孔内的泥浆等置换出来。第一次灌浆量根据孔径和锚固段的长度而定。第一次灌浆后把灌浆管拔出，可以重复使用。待第一次灌注的浆液初凝后，进行第二次灌浆，控制压力为2MPa左右，要稳压2min,浆液冲破第一次灌浆体，向锚固体与土的接触面之间扩散，使锚固体直径扩大，增加径向压应力。由于挤压作用，使锚固体
18、周围的土受到压缩，孔隙比减小，含水量减少，也提高了土的内摩擦角。因此，二次灌浆法可以显著提高土层锚杆的承载能力。国外对土层锚杆进行二次灌浆多采用堵浆器。我国是采用上述方法进行二次灌浆，由于第一次灌入的水泥砂浆已初凝，在钻孔内形成“塞子”，借助这个“塞子”的堵浆作用，就可以提高第二次灌浆的压力。对于二次灌浆，国内外都试用过化学浆液（如聚胺酯浆液等）代替水泥浆，这些化学浆液渗透能力强，且遇水后产生化学反应，体积可膨胀数倍，这样既可提高土的抗剪能力，又形成如树根那样的脉状渗透。1.4.5. 张拉和锚固土层锚杆灌浆后，待锚固体强度达到80%设计强度以上，便可对锚杆进行张拉和锚固。张拉前先在支护结构上安
19、装围楝。张拉用设备与预应力结构张拉所用者相同。从我国目前情况看，若钢拉杆为变形钢筋，其端部加焊一螺丝端杆，用螺母锚固。若钢拉杆为光圆钢筋，可直接在其端部攻丝，用螺母锚固。如用精轧钢纹钢筋，可直接用螺母锚固。张拉粗钢筋用一般单作用千斤顶。钢拉杆为钢丝束，锚具多为徽头锚，亦用单作用千斤顶张拉。预加应力的锚杆，要正确估算预应力损失。由于土层锚杆与一般预应力结构不同，导致预应力损失的因素主要有：(1)张拉时由于摩擦造成的预应力损失；(2)锚固时由于锚具滑移造成的预应力损失；(3)钢材松弛产生的预应力损失；(4)相邻锚杆施工引起的预应力损失；(5)支护结构(板桩墙等)变形引起的预应力损失；(6) 土体蠕
20、变引起的预应力损失；(7)温度变化造成的预应力损失。上述七项预应力损失，应结合工程具体情况进行计算。1.5. 土层锚杆的试验和检验土层锚杆的承载力尚无完善的计算方法，主要根据经验或通过试验确定，试验项目包括极限抗拔试验，性能试验和验收试验。1 .极限抗拔试验应在有代表性的土层中进行，所用锚杆的材料，几何尺寸，施工工艺，土的条件等应与工程实际使用的锚杆条件相同。荷载加到锚杆破坏为止，以求得极限承载能力，极限承载能力再除以安全系数K,即为土层锚杆的允许使用荷载，对于临时性锚杆，当外荷按主动土压力计算时，取K=1.5,当外荷按静止土压力计算时，K=I.33。试验设备多采用穿心式千斤顶，每次加荷值为设
21、计荷载的2025%,试验数量为23根。对垂直的土层锚杆极限抗拔力，可用千斤顶按一般锚桩抗拔荷载试验方法作顶拔试验求得。2,性能试验又称抗拉试验，目的是求出锚杆的荷载变位曲线，以确定锚杆验收的标准。试验一般在锚杆验收之前进行。试验数量一般为3根，所用锚杆的材料，几何尺寸，构造，施工工艺应与施工的锚杆相同。但荷载不加到锚杆破坏。锚杆的加荷方式，依次为设计荷载的O.25、0.50、0.75,1.00,1.20和1.33倍。3.验收试验是检验现场施工的锚杆的承载能力是否达到设计要求，并对锚杆的拉杆施加一定的预应力。加荷设备亦用穿心式千斤顶在原位进行。检验时的加荷方式，对临时性锚杆，依次为设计荷载的0.25、0.50、0.75、1.00和1.20倍（对永久性锚杆加到1.5倍），然后卸载至某一荷载值（由设计定），接着将锚头的螺帽紧固，此时即对锚杆施加了预应力。每次加荷后要测量锚头的变位值，将结果绘成荷载一变位图（图7）,以此与性能试验的结果对照，如果验收试验的锚杆的总变位置不超过性能试验的总变位量，即认为该锚杆合格，否则为不合格，其承载能力要降低或采取补救措施。【思考题】1土层锚杆杆广泛应用于土木工程中那几种类型？2锚杆有那几部分组成？3土层锚干设计包括那几部分内容？
