3.4錨固結構設計3.4.1概述3.4.2錨固作用原理3.4.3錨固工程設計計算3滑坡防治工程設計3.4.1概述3.4.1.2巖土錨固的特點1.調用巖土自身的強度，到達提高其自穩能力的目的。2.巖土體成為工程結構的一局部。3.大大減輕了加固結構物的自重，節約工程材料。4.主動防治措施，效果明顯。◆國際上的開展

理論研究：——懸吊理論的提出〔1952，LouisPanek〕——合成梁作用理論〔Jacobio〕——拱形壓縮帶作用理論(1955，Rabcewicz;Lang等人開展)。

◆國內的開展長江三峽鏈子崖危巖錨固工程3.4.1.5錨桿的分類目前，在我國和全世界范圍內，適用于不同的地質條件，具有不同功能和用途的錨桿有數百種。錨桿分類方法按不同分類原那么和分類標志也有很多種。現在介紹一些主要的分類：1.按應用對象分巖石錨桿土層錨桿(海洋錨桿)2.按是否預先施加應力分為預應力錨桿〔主動式錨桿〕非預應力錨桿〔被動式錨桿〕3.按錨固機理分為：粘結式錨桿：水泥砂漿錨桿和樹脂錨桿摩擦式(機械式)錨桿：管縫式錨桿和水脹式管狀錨桿、脹殼式錨桿和楔縫式錨桿4.按錨桿桿體材料分為：

金屬錨桿木錨桿竹錨桿鋼筋混凝土錨桿5.按錨固體形態分為：

圓柱型錨桿端部擴大型錨桿連續球體型錨桿6.按錨固局部大小分：全長錨固式錨桿和端部錨固式錨桿3.4.2錨固作用原理3.4.2.1錨固系統1.概念在巖土加固工程中，如果以錨桿〔索〕作為加固系統的主要構件，就形成了一個錨桿〔索〕加固系統。簡稱錨固系統。2.單體錨桿組成錨固系統中通常由很多單體錨桿組成。單體錨桿有三大局部組成：桿體〔拉桿〕，錨頭，錨固體。2.單體錨桿組成2.單體錨桿組成——錨頭位于錨桿的外露端，通過它最終實現對錨桿施加預應力，并將錨固力傳給結構物或圍巖。錨頭由臺座、承壓板和緊固件等組成，必須保證：自身有足夠的強度，并能將集中力分散。——桿體連結錨頭和錨固體，作用是將來自錨頭的拉力傳遞給錨固體。通常利用其彈性變形的特性，在錨固過程中對錨桿施加預應力。桿體通常由鋼筋和鋼管等制成。受拉張作用。——錨固體位于錨桿的根部，它將拉力從桿體傳給地層。3.單體錨索組成

3.單體錨索組成

3.單體錨索組成

3.單體錨索組成

4.錨桿的根本力學參數1〕抗拔力錨桿在拉拔試驗中承受的極限拉力，即錨固力。2〕握固〔裹〕力錨桿桿體與粘結材料間的最大抗剪力。3〕粘結力錨桿粘結材料與孔壁巖土之間的最大抗剪力。4〕拉斷力錨桿極限抗拉強度。◆巖土錨固的根本原理就是依靠錨桿周圍穩定地層的抗剪強度來傳遞結構物(被加固物)的拉力，以穩定被加固體或保持地層開挖面自身的穩定。◆由于巖土體的復雜性，目前錨固作用的原理研究還不夠深入。

◆懸吊作用原理3.4.2.2錨固的根本原理

◆組合梁作用原理提高地層承載能力3.4.2.2錨固的根本原理◆擠壓加固作用原理

光彈實驗證實◆復合作用◆巖土錨固的主要功能1〕提供作用于結構物上，用來承受外荷的抗力，其方向朝著與巖土相接觸的點。2〕使被錨固地層產生壓應力區或對通過的巖石起加筋作用〔非預應力錨桿〕3〕加固并增加地層強度，也相應的改善了地層的其它力學性能。4〕當錨桿通過被錨固結構時，能使結構本身產生預應力。5〕通過錨桿，使結構與巖石連鎖在一起，形成一種共同工作的復合結構，使巖石能更有效的承受拉力和剪力。3.4.2.2錨固的根本原理1.灌漿錨固的根本概念用水泥砂漿〔或水泥漿、化學漿液、樹脂等〕將一組鋼拉桿〔粗鋼筋或鋼絲束等〕錨固在伸向地層內部的鉆孔中。實際錨固工程中，水泥砂漿灌漿錨桿占絕大多數！2.砂漿錨固的傳力過程取錨固段為隔離體，當錨固段受力時，拉力〔T〕首先通過鋼拉桿周邊砂漿的握裹力〔u〕傳遞到砂漿中，然后，再通過錨固段鉆孔周邊的地層粘結力〔摩阻力〕〔τ〕傳遞到錨固的地層中。由此可見，鋼拉桿如受到拉力的作用，除了鋼筋本身要有足夠的截面積〔A〕承受拉力外，錨桿的抗拔作用還必須同時滿足以下三個條件：3.4.2.3灌漿錨固作用原理◆錨固段的砂漿對于鋼拉桿的握裹力需能承受極限應力；◆錨固段的地層對于砂漿的粘結力〔摩阻力〕需能承受極限應力；◆錨固土體在最不利的條件下仍能保持整體穩定性。其中前兩條是影響灌漿錨桿抗拔力的主要因素。3.錨固段的砂漿對于鋼筋的握裹力在一般較完整的巖層中灌注的水泥砂漿抗壓強度應不低于30MPa。如果嚴格按照規定的灌漿工藝施工，巖層孔壁的粘結力一般大于砂漿的握裹力。因此，巖層錨桿的抗拔力Tu和最小錨固長度一般取決于砂漿的握裹力。為此：Tu≤πdLeu式中：Tu－錨桿的極限抗拔力〔KN〕d－剛拉桿的直徑〔m〕Le－錨桿的有效錨固長度〔m〕u－砂漿對于鋼筋的平均握裹應力〔KN/m2〕上式中砂漿的平均握裹應力u是一個關鍵的數值。dD砂漿anchorTiTi+1PiPi+1ui如圖，Ti、Ti+1分別為錨桿在i、i+1斷面上所受的拉力；Pi、Pi+1為i、i+1斷面鋼筋的應力；ui為這一段砂漿對于鋼筋的單位面積握裹力，那么有：Li可見，只要將孔口內的鋼筋分成不同的區段，就可以根據各區段兩端截面上的鋼筋應力〔P〕的數值，按上式計算求得各個區段中砂漿對于鋼筋的握裹力〔u〕。很多資料說明，砂漿對于鋼筋的握裹力，取決于砂漿與其周邊以外砂漿之間的抗剪力，也就是砂漿本身的抗剪強度。然而，錨孔內砂漿握裹應力的分布情況相當復雜，在實際工作中，只考慮平均握裹應力的數值，并研究其所需的錨固長度。某些鋼筋混凝土試驗資料建議鋼筋與混凝土之間的握裹應力大約為其標準抗壓強度的10－20％，據此計算一根錨桿所需的最小錨固長度Lemin,并令錨桿鋼筋的極限拉應力為σs，那么：按上式計算，在巖層中一般所需的錨固長度僅1－2m就夠了，這已被鐵道部科學研究院在屢次巖層拉拔試驗中得到證實。試驗資料說明：當采用熱軋螺紋鋼筋作為拉桿時，在完整硬質巖層的錨孔中其應力傳遞深度不超過2m。影響巖層錨桿拉拔能力的主要因素是砂漿的握裹能力。例如，當巖層錨固深度大于1.0m，采用φ25的20MnSi鋼筋時，往往鋼筋被拉斷而錨固段不會從錨孔中拔出；φ32的16MnSi鋼筋被拉到屈服點〔290KN〕；2φ32的20MnSi鋼筋被拉到屈服點〔550KN〕都未發現巖層有較明顯的變化。上述試驗說明，一般鋼拉桿在完整堅硬巖層中的錨固深度只要超過2m就足夠了。但是，在使用中，必須判明以下情況：——錨固區巖體是否穩定，是否有滑坡、塌方的可能。——節理分割的錨固區巖塊，在受拉力后是否會產生松動。考慮到上述因素，建議灌漿錨固段到達巖層內部〔除去外表風化層〕的深部不小于4m。必須指出:〔1〕上述平均握裹應力和最小錨固長度只適用于錨固在巖層中的錨桿。如果錨孔灌漿是在土層中，那么土層對于錨孔砂漿的單位粘結力〔摩阻力〕小于砂漿對鋼筋的單位握裹力。因此，土層錨桿的最小錨固深度將受土層性質的影響。〔2〕風化層中鋼筋應力和砂漿握裹力的分布都和新鮮巖層的情況有所不同〔注意除去外表風化層〕4.錨固段孔壁的抗剪強度〔粘結力〕在風化巖層和土層中，錨桿的極限抗拔能力取決于錨固段地層對于錨固段砂漿所能產生的最大粘結力〔摩阻力〕。應為：

Tu≤πDLeτ上式中：Tu－柱狀錨體的極限抗拔力〔KN〕D－錨桿鉆孔的直徑〔m〕Le－錨桿的有效錨固長度〔m〕τ－錨固段周邊的抗剪強度〔KPa〕錨固段周邊抗剪強度〔τ〕的數值受地層性質、錨桿的埋藏深度、錨桿類型和施工灌漿等許多復雜因素的影響。即便在相同深度處τ值也可能由于錨桿類型和施工灌漿方法的類別而有較大變化。錨桿孔壁與砂漿接觸面的抗剪破壞，可能有三種：1)砂漿接觸面外圍的地層剪切破壞2)沿砂漿和孔壁的接觸面剪切破壞3)沿砂漿內的剪切破壞一般而言，土層的強度是低于砂漿強度，所以上述3)通常不可能發生。如果施工灌漿工藝好，那么2)也不可能發生，因此，土層錨桿孔壁對于砂漿的粘結力取決于接觸面外圍的土層抗剪強度。即為：τ=σtgφ+c式中c－－錨固區土層的粘聚力φ－－土的內摩擦角σ－－孔壁周邊法向壓應力3.4.3錨固工程設計計算3.4.3.1一般要求在方案使用巖土錨桿時，應充分研究錨固工程的平安性、經濟性和施工的可行性。1.設計前有關資料的調查和收集1)場地地形條件2)周邊已有建筑物情況3)地下埋設物4)道路交通5)氣象等2.工程地質勘察了解巖土體結構及有關物理力學參數、地下水特征等資料。必須強調：

◆有機質土層作為永久錨固的錨固地層，會引起錨固體的腐蝕破壞；◆液限WL大于50％的土層，由于其高塑性會引起明顯蠕變，不能長久的保持恒定的錨固力；◆相對密度Dr小于0.3的松散地層，錨固體單位面積上的粘結力極低。以上三種未經處理的地層均不得作為永久錨桿的錨固地層。3.有關臨時和永久性錨桿臨時性錨桿：使用期限在2年以內的工程錨桿永久性錨桿：使用期限在2年以上的工程錨桿3.4.3.2錨桿設計流程錨桿設計的內容包括：

◆計算外荷載〔斜坡、擋墻、錨拉樁〕◆決定錨桿布置和安設角度◆錨桿錨固體尺寸設計◆預應力鋼筋確定◆穩定性驗算◆錨頭設計〔流程圖如下頁〕調查與勘察計算作用在結構上的外力決定錨桿布置與安設角度錨固體設計決定錨桿設計的錨固力錨桿長度確實定錨桿預應力筋的設計錨固體尺寸是否滿足設計要求錨桿穩定性驗算是否滿足要求巖體結構巖土性質臨近的狀況錨固地層位置錨固體形式平安系數錨固體直徑錨固地層力學性質錨桿預應力值的決定錨桿錨頭的設計否否3.4.3.3錨桿布置和安設角度錨桿的布設應滿足以下要求：1〕錨桿上覆地層厚不應小于4m，以防止車輛行駛等反復荷載的影響，也是為了不致由于較高注漿壓力而使上覆巖體隆起。2)錨桿的水平和垂直間距一般不宜大于4m，以防止壓力集中，也不得小于1.5m，以免“群錨效應〞而降低錨固力；3)錨桿的安設角度，對基坑或近于直立的邊坡而言，需考慮臨近狀況、錨固地層位置及施工方法。一般錨桿的俯角不小于13°，不大于45°，以15-35°為好。俯角愈大，那么有利于抵抗側壓力的水平分力愈小，而由于垂直分力加大，會引起護壁樁向下壓力增大等不良影響。此外，在可能條件下，錨桿錨固體應錨定于較好的地層中。3.4.3.3錨桿布置和安設角度4)必須充分了解斜坡的地質狀況，確定斜坡變形破壞的模式后，才能決定錨桿布置位置。總原那么是：錨桿布置對斜坡產生最大抗力。5)錨固體〔段〕應布置于較完整和堅硬的地層中，并通過比較選出與此地層相適應的內錨頭。6〕錨桿數量m應根據錨固工程所需加固力T和錨桿設計錨固力Nt確定，即：m=T/Nt3.4.3.4邊坡〔滑坡〕加固力計算◆平面破壞模式假設錨桿加固力T以θ角穿過邊坡的破壞面，那么加固后邊坡平安系數Fs為：式中：T－錨桿加固力C，φ－巖土的粘聚力和內摩擦角W－滑體的自重L－破壞面長度U1－破壞面上的靜力上托力U2－滿水時后緣拉裂縫中的靜水壓力Fs－邊坡的平安系數a，β－分別為邊坡坡角和破壞面傾角θ－錨桿方向與水平面的夾角◆多滑塊平面破壞模式多滑塊平面破壞模式中最常見的是雙滑塊破壞模式。如不考慮所施加的加固力T，假定主動滑塊處于極限平衡狀態，那么可求得邊坡穩定系數為：式中：◆多滑塊平面破壞模式如考慮作用于邊坡上的加固力T，那么平安系數Fs計算公式為：◆圓弧形破壞模式式中：Wi——第i條塊自重；

αi——第i條塊破壞面傾角Ui——第i條塊破壞面水壓力邊坡穩定系數：當加固力T作用于剪切面時，其法向分力Pn和切向分力Pt有助于斜坡穩定。錨固后邊坡的平安系數Fs為：式中：θ為錨桿軸線與破壞面法線的夾角值得注意的是：平面破壞模式的上述加固力計算公式所得到的是單位厚度邊坡所需的加固力。3.4.3.5錨桿結構設計1.錨桿極限錨固力及錨固體設計錨桿的極限錨固力隨錨固形式不同，計算方法也有所不同，圓柱型錨桿的錨固力由錨固體外表與周圍地層的摩擦力或砂漿的握固力提供。端部擴大型錨桿的錨固力除此之外還有擴大局部的面承力。◆圓柱型錨桿的錨固力P和錨固段長度Lm式中：P－錨桿極限錨固力Lm－錨固段長度Nt－錨桿的設計錨固力qs－錨固體外表與周圍巖土體間的粘結強度d－錨固體直徑，一般為80-150mm〔土層中〕K－錨桿平安系數[注]：〔1〕錨固體外表與周圍地層間的粘結強度qs與許多因素有關，如：鉆孔方法、巖土性質、滲透性、抗剪強度、錨桿上覆地層厚度、灌漿壓力等。它一般不能精確確定，應由試驗確定。結合國內外實測結果，給出下表所示的粘結強度推薦值。但它僅用于初步設計時估算錨桿錨固力。巖土種類巖土狀態qs值（Kpa）淤泥質土－20－25粘性土堅硬60－70硬塑50－60可塑40－50軟塑30－40粉土中密100－150砂土松散90－140稍密160－200中密220－250密實270－400巖石泥巖600－1200風化巖600－1000軟質巖1000－1500硬質巖1500－2500〔2〕關于錨桿的平安系數K未形成統一標準，?土層錨桿設計與施工標準?規定為：錨桿破壞后危害程度安全系數臨時錨桿永久錨桿危害輕微、不構成公共安全問題1.41.8危害較大、但公共安全無問題1.62.0危害大、會出現公共安全問題1.82.2◆端部擴大型錨桿的錨固力和錨固段長度〔1〕砂土中錨桿極限錨固力計算：那么在外力作用下所需錨固段的長度由下式求得：式中：Nt－錨桿設計軸向拉力值K－錨桿平安系數qs－粘結強度βc－錨固力因素h－擴大頭上覆土層厚度r－土體重度◆端部擴大型錨桿的錨固力和錨固段長度實際工作中，假設擴孔段長度L2較小，擴孔直徑變化不大，那么忽略錨孔直徑變化帶來的摩阻力差異，那么錨固段長度Lm可按下式近似計算：〔2〕粘土中錨桿極限錨固力計算同樣，錨固段長度可由下式求得：式中：τ－土體不排水抗剪強度，βc——錨固力因素，可取9其它符號同前與砂土中類似：近似計算公式為：◆完整巖體中錨桿錨固力和錨固段長度以上是按錨桿錨固體與地層粘結強度確定錨固力和錨固長度。在較完整巖體中〔灌注的水泥砂漿抗壓強度不低于30MPa〕，如果嚴格按照規定的灌漿工藝施工，巖層孔壁的粘結力一般大于砂漿的握裹力。因此，完整巖層錨桿的錨固力和錨固長度一般取決于砂漿的握裹力，即：式中：ds——錨桿直徑；Lsm——完整巖層中錨固段長度；τs——砂漿對錨桿的平均握裹力，一般由試驗確定。◆完整巖體中錨桿錨固力和錨固段長度為平安起見，對極限錨固力作一定折減：在實際設計計算中，應分別按錨固體與地層以及錨桿與水泥砂漿計算出錨固長度Lm和Lsm，然后，以大者作為錨固長度設計值。2.錨桿自由段長度確實定

一般錨桿自由段長度不宜小于5.0m，以防止由于錨具的缺陷或移動使施加的預應力出現顯著的衰減。同時，自由段一般應超過破裂面1.0m，以利于被錨固地層的穩定性和錨固的可靠性。3.錨桿拉桿設計◆錨桿的拉桿盡可能的采用抗拉強度高的材料，如鋼鉸線、高強鋼絲或高強精軋螺紋鋼筋等，最大限度的減少鉆孔和施加預應力的工作量。◆設計軸向力小于500KN〔小預應力〕，長度小于20m的錨桿，通常采用普通Ⅱ、Ⅲ級鋼筋。◆大預應力〔500KN〕、長錨桿〔20m〕或具有徐變的地層，錨桿采用鋼絞線。其預應力損失量僅僅為普通鋼筋的1/7。◆錨桿拉桿的截面面積按下式確定：A=K·Nt/fptk式中：A—錨桿拉桿截面積；Nt—錨桿設計軸向力；K—錨桿平安系數；fptk—鋼絲、鋼絞線、鋼筋強度標準值。◆對有腐蝕性地層的永久性錨桿，其鋼筋直徑應增大2-3mm，以增大錨桿的耐腐蝕性。3.錨桿拉桿設計◆目的：使拉桿處在砂漿的中央，能均勻受力；使砂漿呈等厚度包裹拉桿，滿足防腐要求〔砂漿保護層厚度不得小于10mm〕。◆對中器設計要求：滿足功能要求；安裝順利◆設計范例〔可因地制宜自行設計〕4.錨桿拉桿對中器設計3.4.3.6錨頭設計及錨桿的鎖定荷載

1.錨頭設計◆錨頭設計考慮的因素：錨桿設計荷載、巖土體條件、支擋結構和施工條件。◆設計要求：1〕錨頭的傳力臺座的尺寸和結構構造應使臺座具有足夠的強度和剛度，不得產生有害的變形，并符合鋼筋混凝土設計標準要求。2〕錨具型號、尺寸的選取應保持錨桿預應力值的恒定，并滿足機械零件設計要求。

3.4.3.6錨頭設計及錨桿的鎖定荷載

1.錨頭設計◆錨頭的組成：臺座〔支墩〕、承壓板〔墊板〕、緊固器〔錨具〕◆臺座通常由鋼筋混凝土組成，其中放置承壓板的外外表必須設計成與錨桿垂直。按受壓構件設計。◆承壓板采用高強度鋼板，起應力擴散作用，要求變形小。◆緊固器：鋼筋螺母或鋼絞線錨具1〕螺母的尺寸和規格根據鋼筋直徑、螺紋規格和預應力大小確定；2〕鋼絞線錨具根據可分為：4孔、7孔、9孔、12孔、15孔等不同型式，可根據設計要求到廠家訂做。國內常用的有OVM、JM、QM錨具系列。3.4.3.6錨頭設計及錨桿的鎖定荷載2.鎖定荷載對于錨桿，原那么上可按錨桿設計軸向拉力值〔工作荷載〕作為預應力值而加以鎖定。但具體工程中，鎖定荷載應視錨桿的使用目的和地層性狀而加以調整。◆巖體加固和邊坡抗滑的錨固加固松動巖體、滑移邊坡時，以設計拉力值為鎖定荷載為好。◆結構物反面地層為松散土質一般鎖定荷載為設計拉力值的0.6－0.8。◆允許變形的結構物的錨固，可取設計拉力值的0.5-0.7倍作為鎖定荷載。◆預計地層有明顯的徐變情況可先將錨桿張拉到設計拉力值的1.2－1.3倍，然后再退到設計拉力值鎖定。3.4.3.7錨桿穩定性驗算

錨桿有多種破壞形式，設計時必須仔細校核各種可能的破壞形式。因此，除了要求每根錨桿必須能夠有足夠的承載力之外，還必須考慮包括錨桿和巖土體在內的整體穩定性。一般是針對土層錨桿而言。錨桿穩定性驗算包括：外部穩定性驗算和內部穩定性驗算。1)外部穩定性是驗算在錨固系統外的整體失穩按土坡穩定性圓弧滑動驗算；2)內部穩定性是驗算在錨固系統邊緣的整體失穩按Kranz簡化法計算。1.單排錨