基础工程学|土层锚杆设计简介

土层锚杆是实现支护桩支撑的一个重要结构体系。土层锚杆的设计工作主要包括锚杆布置、锚杆承载力的确定等。

1.锚杆构造与布置

图5-41　土层锚杆结构示意图

1—自由段；2—锚杆杆体；3—锚固段；4—腰梁；5—锚具；6—垫板；7—支挡结构

锚杆组成主要由锚头、自由段和锚固段等部分组成，如图5-41所示，锚杆承载力主要来自锚固段稳定的岩土体，并通过自由段和锚头将荷载施加于需要保护的基坑坡面。土体基坑锚固工程中，锚杆自由段的长度不应小于5m，且穿过潜在滑动面进入稳定土层的长度不应小于1.5m，锚杆锚固段长度不宜小于6m，钢绞线、钢筋杆体在自由段应设置隔离套管，以保证锚固段岩土体的稳定性，同时有利于荷载向深部传递。锚杆杆体用钢绞线或普通钢筋、螺纹钢筋（HRB335、HRB400级）制作。沿锚杆杆体全长设置定位支架，定位支架应能使相邻定位支架中点处锚杆杆体的注浆固结体保护层厚度不小于10mm。定位支架的间距宜根据锚杆杆体的组装刚度确定，对自由段宜取1.5～2.0m，对锚固段宜取1.0～1.5m。定位支架应能使各根钢绞线相互分离。

一般土层锚杆成孔直径取100～150mm。锚杆注浆应采用水泥浆或水泥砂浆，注浆固结体强度不宜低于20MPa。

对支护结构第一层锚杆，可根据支护结构的抗弯截面模量及其抗弯强度，求算出结构悬臂部分的最大允许跨度以定出锚杆所处的位置。应注意的是，当支护结构设置内支撑时，支撑可位于挡墙顶部冠梁处；而设置锚杆时，第一道锚杆不可设置在挡墙顶部，因锚杆的承载力主要来自锚固段，锚固段工作时，锚杆在具有一定倾角的情况下必然产生竖直向的分力，该分力应该小于锚杆上的覆土重量，否则会引起地面隆起使锚杆失效。所以第一层锚杆的锚头位置可设于坡顶下1.5～2.0m处，应先通过计算确定，并使锚固段上覆土层厚度不小于4.0m。

按照支护桩的多层支撑计算方法确定出锚杆上下层间距后（应使锚固体上下排间距不小于2.5m），还应进行相应的经济比较，层数愈多虽然愈安全，但工期也愈长；若层数较少，则需相应提高单根锚杆的承载力，使锚杆施工难度加大，还使各跨间弯矩值相应增加。

永久性锚杆的锚固段不应设置在有机土、淤泥质土，液限WL＞50%的土层及相对密实度Dr＜0.3的土层中。

另外，在可能产生流沙的施工区设置锚杆时，应尽可能地使锚头标高与流砂层标高的距离增大，否则会因锚头与砂层的防渗透距离过短而造成从钻孔内涌砂的现象。

支护结构所承受的荷载大小及单根锚杆的承载力大小直接影响锚杆的水平间距布置。当支护结构的荷载确定后，水平间距愈大则单根锚杆的承载力也愈容易发挥，若间距过小，锚杆之间可能会产生相互影响使应有的承载力得不到充分发挥。锚固体水平向间距一般以2.0～4.5m为宜，在有成功经验的前提下，可根据计算结果及当地的具体情况综合考虑，使各层锚杆的承载力充分发挥，并保证支护结构的受力合理及支护效果安全可靠。

支护结构承受水平向荷载时，靠锚杆提供水平向拉力来维持结构的稳定，当锚杆位置确定后，为了使锚杆提供的承载力足够大，需将锚杆的锚固段设置在较好的土层中，而不宜设置在未经处理的软弱土层、不稳定土层及不良地质地段，因此锚杆应具有一定倾角。此时，锚杆产生的水平分力是抵抗支护结构水平荷载的有效分力；而产生的竖直向分力对支护结构无效，而且相应地增加了支护结构下部的压力，特别是当支护结构的底部所处土质不好时，该竖直分力将对支护结构产生很不利的影响。

为了尽量减小锚杆的竖向分力且便于施工，锚杆倾角一般取15°～35°为宜。

在前面计算支撑力时，均按水平方向考虑，而实际锚杆与水平方向有一定角度，因此在设计计算锚固力时，需要按下式进行调整：

式中：Nk——锚杆轴向拉力标准值（kN）；

Htk——水平力标准值（kN）；

α——锚杆倾角（°）。

需注意的是，若布置的锚杆超出所施工建筑物的建筑红线时，则应将锚杆施工对红线外围可能造成的影响进行充分论证，且应取得有关部门的同意后方可施工。

锚杆一般通过腰梁向支挡结构传递荷载，腰梁可采用型钢组合腰梁或钢筋混凝土腰梁（图5-42）。锚杆腰梁按受弯构件设计。型钢组合腰梁可选用双槽钢或双工字钢，槽钢之间或工字钢之间应用缀板焊接为整体构件，焊缝连接应采用贴角焊。双槽钢或双工字钢之间的净间距应满足锚杆杆体平直穿过的要求。混凝土腰梁、冠梁宜采用斜面与锚杆轴线垂直的梯形截面；腰梁、冠梁的混凝土强度等级不宜低于C25。腰梁为梯形截面时，截面的上边水平尺寸不宜小于250mm。

图5-42　腰梁结构示意图

（a）钢筋混凝土腰梁；（b）双工字钢组合腰梁；（c）双槽钢组合腰梁1—锚杆杆体；2—锚具；3—承压板；4—腰梁；5—缀板；6—垫板

2.锚杆承载力计算

锚杆工作时处于抗拔状态，锚杆的承载力通常取决于以下几方面：拉杆的极限抗拉强度；拉杆与灌注锚固体之间的极限握裹力；锚固体与周围土体间的极限侧阻力。当锚杆承受足够大的荷载时，最显不足的应该是锚固体与周围土体的极限摩阻力（也称黏结强度），该摩阻力一旦破坏，锚杆的作用也即失效，所以锚杆的承载力主要取决于与土层摩阻力的大小。锚杆抗拔试验表明，土层锚杆位移及破坏都是由于锚固体与周围土体的摩阻力达到或超过极限而导致的，而杆体与固结体间握裹力一般满足要求。

土层锚杆的承载力主要由锚固体与土体之间的侧阻力提供，与前述的抗拔桩的承载机理基本一致。锚杆的极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定，在设计计算时，可先采用查表的方法根据经验确定锚杆极限承载力，具体应用时再进行验证。

锚杆承载力计算公式：

式中：d——锚杆的锚固体直径（m）；

li——锚杆的锚固段在第i土层中的长度（m）；

qsk，i——锚固体与第i土层之间的极限黏结强度标准值（kPa），应根据工程经验并结合表5-10取值。

计算得到的锚固力极限值与锚杆承受的轴向拉力之比即锚杆抗拔安全系数，用公式表示为：

式中：Kt——锚杆抗拔安全系数，对于安全等级为一级、二级及三级的支护结构，分别不应小于1.8、1.6和1.4。

表5-10　锚杆的极限黏结强度标准值(www.xing528.com)

注：1.采用泥浆护壁成孔工艺时，应按表取低值后再根据具体情况适当折减；
2.采用套管护壁成孔工艺时，可取表中的高值；
3.采用扩孔工艺时，可在表中数值基础上适当提高；
4.采用二次压力分段劈裂注浆工艺时，可在表中二次压力注浆数值基础上适当提高；
5.当砂土中的细粒含量超过总质量的30%时，按表取值后应乘以0.75的系数；
6.对有机质含量为5%～10%的有机质土，应按表取值后适当折减；
7.当锚杆锚固段长度大于16m时，应对表中数值适当折减。

锚杆设计过程中，在选定锚杆锚固体直径的情况下，该式主要用于校核锚杆的安全储备，或者是用于计算锚杆锚固段的长度la。

锚杆承载力除了受锚固体与土体之间的摩阻力控制外，同时与锚杆材料自身有关，这包括锚杆钢筋抗拉强度、锚杆杆体与砂浆之间的黏结强度。在计算该部分内容时，需要将前面计算的标准值转换为设计值进行计算。转换公式为：

式中：N——锚杆轴向拉力设计值（kN）；

γ0——重要性系数，安全等级为一级、二级、三级的结构，分别取1.1、1.0和0.9；

γF——综合分项系数，对于临时性基坑工程结构取1.25，对于永久性工程，建议参考前面相关内容取值。

锚杆杆体的受拉承载力应符合下式规定：

式中：fpy——预应力钢筋抗拉强度设计值（kPa）；用普通钢筋时，取钢筋抗拉强度设计值（fy）；

Ap——预应力钢筋的截面面积（m2）。

当岩土体侧阻力高、锚固段较短时，可能出现锚杆杆体从锚固段黏结体中拔出的现象，这时需要对杆体与黏结材料之间的黏结强度进行验算。建议按以下公式进行计算：

式中：la——锚杆钢筋或钢绞线与锚固砂浆间的锚固长度（m）；

n——锚杆钢筋（钢绞线）根数；

d——钢筋（钢绞线）直径（m）；

fb——钢筋或钢绞线与锚固砂浆间的黏结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验资料时可按表5-11取值。

表5-11　钢筋、钢绞线与砂浆之间的黏结强度设计值fb（MPa）

注：1.当采用二根钢筋点焊成束的作法时，黏结强度应乘以0.85的折减系数；
2.当采用三根钢筋点焊成束的作法时，黏结强度应乘以0.7的折减系数；
3.成束钢筋的根数不应超过3根，钢筋截面总面积不应超过锚孔截面积的20%。当锚固段钢筋和注浆材料采用特殊设计，并经试验验证锚固效果良好时，可适当增加锚杆钢筋用量。

这样，通过上述计算可以确定锚杆的锚固段长度及锚杆杆件的截面大小。

锚杆承载力不仅与锚杆所处土体的性状、灌浆材料的强度及钢材（拉杆）的强度有关，还与施工工艺的质量有关。若仅仅按照弹塑性理论和土力学原理进行设计计算，即使得出理论计算结果，也会与实际情况相差较大。所以，采用现场试验的方法确定锚杆承载力最可靠。若根据经验参数估算锚杆承载力，之后也应采用现场试验的方法检验其合理性。

3.锚杆自由段长度

如前所述，将锚杆根据受力划分为自由段与锚固段，锚固段需要锚入稳定的岩土体。在设计时，如何确定锚固段位置还有一定难度。一般通过如下方法简化处理：假设支挡结构绕净土压力为0的点转动，在该点以上墙后土体处于主动状态，主动区破坏下限点为净土压力为0的点，土体的破裂面与竖直面的夹角为45°-φm/2，这样可得到一假想破坏直线，该线与锚杆的交点即为锚固段的起点，如图5-43所示。

实际计算时，为确保安全，将理论自由段长度延长以确保安全。在《建设基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）中，延长了1.5m。

图5-43　锚杆自由段计算示意图

式中：lf——锚杆自由段长度（m）；

α——锚杆的倾角（°）；

a1——锚杆的锚头中点至基坑底面的距离（m）；

a2——基坑底面至挡土构件嵌固段上基坑外侧主动土压力强度与基坑内侧被动土压力强度等值点O的距离（m）。对多层土地层，当存在多个等值点时，应按其中最深处的等值点计算；

d——挡土构件的水平尺寸（m）；

φm——O点以上各土层按厚度加权的内摩擦角平均值（°）。

上述计算得到锚杆的锚固段长度、自由段长度，另外在考虑腰梁、锚头及外伸段长度后，可以计算锚杆杆体的总长度，布置定位支架，完成锚杆的设计。