土層錨桿支護PPT課件

1、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(nèi)支撐相比，挖土施工空間大。2）錨桿施工機械設(shè)備作業(yè)空間不大，適用于各種場地條件。3）錨桿的設(shè)計拉力可由抗拔試驗獲得，從而可以保證可靠的設(shè)計安全度。4）可以對錨桿施加預(yù)拉力，基坑變形容易控制。5）施工時的噪聲很小。第1頁/共44頁 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

2、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(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、施工機具和理論研究等還在不斷發(fā)展之中。第2頁/共44頁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第3頁/共44頁圖4-3鋼筋錨桿錨頭裝置圖4-4多根鋼束錨桿錨頭裝置 第4頁/共44頁圖4-5 鋼絞線及鋼絲索錨夾具示

3、意圖4-6 定位分隔器第5頁/共44頁圖4-7 腰梁第6頁/共44頁圖4-8 錨固體的基本類型第7頁/共44頁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，就會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，摩擦力又進一步增大，直到極限摩阻力。第8頁/共44頁4.3.2 錨桿的承載能力 錨桿承載力的確定是錨桿支護設(shè)計的重要內(nèi)容。 普通灌漿錨桿（注

4、漿壓力0.30.5MPa）的承載能力（抗拔力）可以用下式確定：Nt = LmD (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）； 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)。第9頁/共44頁 在設(shè)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(shè)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(shè)計中都至關(guān)重要。 = tan + c = K h K 土層系數(shù)，通常砂土K = 1，粘土K = 0.5；h 覆蓋土層的高度

5、，一般取錨固段中心到地面的高度（m）。 第10頁/共44頁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(guān)。但除了錨固體的這兩個幾何參數(shù)外，還有土層性質(zhì)，注漿壓力以及錨桿的形式三個因素。即：一、土層性質(zhì)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(zhì)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(shè)計時應(yīng)給予重視。第11頁/共44頁二、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

6、入到周圍深部的土層中去，改善了原狀土體的力學(xué)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(dāng)施工用的灌漿壓力為1Mpa時其極限抗拔力為300kN，當(dāng)灌漿壓力增加到2.5Mpa時，其極限抗拔力達(dá)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(jié)論是：當(dāng)注漿壓力超過4Mpa后，抗拔力增長就很小了。第12頁/共44頁三、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。第13頁/共44頁4.5 錨桿設(shè)計4.5.1

7、設(shè)計步驟1. 調(diào)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(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。 作為錨桿支護設(shè)計的第一步，必須詳細(xì)調(diào)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(gòu)筑物、道路、管線、地下埋設(shè)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(jié)構(gòu)的安全系數(shù)等。2. 進行工程地質(zhì)與水文地質(zhì)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。第14頁/共44頁3. 設(shè)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

8、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。第15頁/共44頁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(yù)應(yīng)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(yīng)盡量減少布置錨桿的層數(shù)。如在粘土、砂土地區(qū)，1213m深的基坑，一般用一層錨桿即可（即使擋土樁懸臂56m）。第16頁/共44頁二、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

9、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(chǎn)生所謂的“群錨效應(yīng)”。第17頁/共44頁三、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(guān)，與地層土質(zhì)有關(guān)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= 0 0）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(shè)計成斜土錨，傾角在150350之間。有時使用較大的傾角是為了將錨固段安設(shè)到較深的優(yōu)質(zhì)土層中，或者是為了將錨頭安設(shè)在地下水位以上

10、，防止孔口涌砂。第18頁/共44頁四、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(rèn)為不宜小于56m。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(yīng)而降低錨固力。3. 錨桿傾角一般不應(yīng)小于100，不應(yīng)大于450，以150350為好。第19頁/共44頁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(shè)計容許抗拔力比值?，F(xiàn)將有關(guān)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

11、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2.002.003.00第20頁/共44頁二、我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會行業(yè)規(guī)范的規(guī)定 我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會行業(yè)規(guī)范土層錨桿設(shè)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(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，會出現(xiàn)公共安全問題1.82.2第21頁/共44頁4.5.4 錨固段長度計算 根據(jù)公式Nt = Lm D，并考慮抗拔力安全系數(shù)K，容易得到

12、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(yīng)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L m也不應(yīng)小于4m。tmNLKD0(tan)tKND Khc第22頁/共44頁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 - /2， ABO =EBD =ACB +CAB = 450 +/2 + 按正弦定律：AB : sinAOB = AO : sinABO 所

13、以自由端長度：Lf = AOsin(450 / 2)/sin(450 +/2+ ) 設(shè)計時取Lf = Lf+15m圖4-11 錨桿自由端長度計簡圖第23頁/共44頁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 = Kmj Nt / fyk 式中：As 鋼筋截面積（mm2）；K mj 安全系數(shù)；N t 土層錨桿（索）的設(shè)計軸向拉力（kN）； fyk 錨桿（索）材料的強度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）。第24頁/共44頁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(jié)構(gòu)，有可能出現(xiàn)整體性破壞。一種是：包括錨桿、支護樁墻在

14、內(nèi)的整個體系，從樁腳沿著某個曲面向基坑內(nèi)滑動，造成土體破壞，如圖4-12所示；圖4-12 整體下滑第25頁/共44頁另一種是：由于錨桿長度不足，錨桿設(shè)計拉力過大，導(dǎo)致從樁墻底部到錨固段中點附件產(chǎn)生一條深層剪切滑縫，使圍護結(jié)構(gòu)傾覆，如圖4-13所示。圖4-13 深層破裂、整體傾覆第26頁/共44頁4.6.2 整體穩(wěn)定性驗算 整體下滑的穩(wěn)定性驗算應(yīng)當(dāng)按土坡穩(wěn)定性分析的方法用圓弧條分法進行驗算，同學(xué)們參看有關(guān)土力學(xué)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。第27頁/共44頁 聯(lián)結(jié)樁腳C

15、點與錨固體中心點O，假設(shè)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4-14 Kranz假設(shè)的傾覆楔體第28頁/共44頁 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(rèn)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

16、們?nèi)ミM一步研究。圖4-15 Kranz法的力多邊形第29頁/共44頁 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(shè)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(shè)計的軸向拉力；Tt 錨桿軸向拉力的水平分力。 )tan(tan1)tan(tan)(1hah1hahhmaxEEGEER5 . 1maxmaxthtSOTRNRK第30頁/共44頁 兩層以上土層錨桿的支護體系因深部破裂產(chǎn)生的抗傾覆穩(wěn)定性計算方法與以上單層錨桿圍護結(jié)構(gòu)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(fù)雜。例如

17、，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(shè)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(guān)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。第31頁/共44頁(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(jié)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)定性驗算第32頁/共44頁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(yù)應(yīng)力損失一、錨桿張

18、拉的必要性二、預(yù)應(yīng)力值損失的原因三、預(yù)應(yīng)力鎖定值第33頁/共44頁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MZ型鉆機等?？颂敳俱@機的外視如右圖4-17。圖4-17 德國Krupp DHR80A型鉆機第34頁/共44頁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(yù)應(yīng)力張拉；(f ) 挖土第35頁/共44頁二、工藝流程干作業(yè)的工藝流程是：

19、 施工準(zhǔn)備移機就位校正孔位調(diào)整角度鉆孔接螺旋鉆桿，繼續(xù)鉆孔到預(yù)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(yù)應(yīng)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。第36頁/共44頁4.8.3 施工要點一、施工準(zhǔn)備1. 挖土至錨頭下5060cm，并平整好錨桿施工操作范圍內(nèi)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(zhǔn)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(zhǔn)備鉆孔用水。3. 其他準(zhǔn)備，

20、包括電源、注漿機泵、注漿管鋼索、腰梁、預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備等。第37頁/共44頁二、鉆孔 鉆孔前按設(shè)計及土層定出孔位，并作出標(biāo)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。第38頁/共44頁三、灌漿1. 灌漿材料一般要用325號以上的水泥，水灰比0.40.45。如用砂漿，則配合比為1:11:2，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0.112Mpa的壓力泵，以及耐高壓的塑料管，將水泥漿注入鉆孔內(nèi)。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23MPa。第39頁/共44頁四、預(yù)應(yīng)力張拉1. 錨體養(yǎng)護一般達(dá)到水泥（砂漿）強度的70%值，可以進行預(yù)應(yīng)力張拉。2. 正式張拉前，應(yīng)取設(shè)計拉力的10%20%，對錨桿預(yù)張12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(yù)應(yīng)力設(shè)計荷載時，應(yīng)保持10min，且不再有明顯伸長，方可以鎖定。4. 鎖定預(yù)應(yīng)力以設(shè)計軸拉力的75%為宜。第40頁/共44頁五、腰梁設(shè)計與安