锚杆锚固灌浆技术在加固工程中应用

  作为经济有效的加固措施,锚杆锚固技术已大量用于基坑护壁、隧洞、挡土墙、水坝加固和边坡加固等工程,该技术的应用可以节省大量圬工材料和经费,本文根据这一技术在实际工程应用中的经验作一探讨。

  一、在灌浆锚杆结构中应注意的问题

  1.灌浆锚杆的抗拔力

  岩层中锚孔的深度应超过破裂面,并需在稳定地层中达到足够的长度,即有效锚固段。有效锚固段所能承受的最大拉力称为锚杆的极限抗拔力。

  当锚固段受力时,拉力首先通过钢拉杆边的砂浆握裹力而传递到砂浆中,然后通过锚固段钻周边的地层摩阴力而传递到锚固地层中,因此,钢拉杆除了钢筋本身须在足够的抗拉截面面积外,锚杆的抗拔作用还必须同时满足:

  (1)锚固段的砂浆对钢拉杆的握裹力需能承受的极限拉力。

  (2)锚固段地层对砂浆的摩擦力需能承受的极限抗力。

  (3)锚固段的土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。

  2.锚固段砂浆的握裹力

  一般在较完整的岩层中的孔壁摩阻力都大于砂浆的握裹应力(水泥砂浆强度≥30MPa),所以岩层锚杆的抗拔力和最小锚固长度一般取决于砂浆的握裹力。

  即Tμ≤πdLeμ

  式中:Tμ—锚杆的极限抗拔力(KN)

  d—钢拉杆的直径(m)

  Le—锚杆的有效锚固长度(m)

  μ—砂浆对钢筋的平均握应力(KN/m2)

  其中,μ值的确定根椐钢筋混凝土试验资料的建议:在一般情况下,钢筋与普通混凝土之间的握裹应力取砂浆标准施度的1/10。

  3.锚固段孔壁的抗剪强度

  在软岩或土层中,锚杆孔壁对砂浆的摩擦力一般低于砂浆对钢拉杆的握裹力。因此,在软岩或土层中的锚杆极限抗拔力取决于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大摩阻力。

  即Tμ≤πDLeτ

  式中:D—锚杆钻孔的直径(m)

  τ—锚固段周边的抗剪强度(MPa)

  其余同前。

  τ值除取决于地层特性外,还与施工方法、灌浆质量有关。如果工艺良好,土层锚孔壁对于砂浆的摩阻力应取决于沿接触面外围的土层抗剪强度。

  τ=C+δtgφ

  φ—土的内摩擦角

  δ—孔壁周边法向压应力。

  其中,C、φ值取决于锚固区土层性质;δ则受地层压力和藻浆工艺两方面因素的影响,一般灌浆锚杆在灌浆过程中未加特铢压力,其孔壁周围的结向压力与主要取决于地层压力,所以有τ=C+K。rhtgφ

  式中 h—锚固段以上的地层覆盖厚度

  K。—锚固段孔壁的土压系敝

  R—上覆层容重

  一般情况下,土压系敝K。可能接近1,或略小于1,如在软岩及土层中往往采用增大D值来提高抗拉拔力的试验确定

  在软岩和土层中,在计算锚固长度时,关键是决定孔壁抗剪强度值。资料表明,Tμ的计算值当实测值有相当大的离散性,因此,计算值只能作为一种估计,具体数值必须依靠现场拉拔试验验证后,才能成为可靠的依据。根据拉拔试验的极限抗拔力Tμ决定锚杆允许承载力To时,要考虑安全系数K,即To=K Tμ对临时性锚杆K=1.5∽2.0永久性锚杆K=2.5∽3.0,受长期重复荷载作用时,不应小于3.0。

  二、灌浆锚杆的设计

  1.锚杆设计拉力的确定

  单根锚杆的设计拉力主要应根据施工技术方面的可能性、可靠性及其便利与否而定。

  设计拉力过大则拉杆截面大,相应重量也大,插入孔中较困难,施工质量不易保证而且万一拉力试验和确认试验发现有问题时也不好处理;过小,则需用锚杆根数过多,伎每吨拉力单价过高。现在二般选择孔径在90—120mm之间,设计拉力限制在600KN以下好。

  2.锚杆截面设计及锚头联结设计

  设计单根拉力确定后,根据受拉钢筋设计方法确定锚杆截面,同时还应考虑施工方面的要求也应得到满足否则应重新调整;锚头联结可根据预应力铪设计原理设计。

  3.锚杆位置设计

  锚杆沿墙面或坑壁的配置应能承受墙面或坑壁的土压力。因此,当土压力分布和单根锚杆的设计拉力确定以后即可设计锚杆的配置和根数。在考虑锚杆间距时,大孔径锚杆应不小于3.0m,小孔径锚杆不小于1.0m,若需要过密地设置时应考虑组群效果问题。

  4.锚杆长度设计

  锚杆长度包括:有效锚固段和非锚固段两部分。非锚固段的长度按建筑物与稳定地层的实际距离而定,有效锚固段长度应根据锚固段地层的性质和极限抗拔力的大小来决定。由前述知,在完整硬质岩层中,Tμ=πdLeμ又含钢筋的极限拉应力δs:则

  (πd×d/4)δs=πdleμ

  Lemin=δs?d/4μ

  实践表明:采用热轧螺纹钢筋作拉杆,在完整硬质岩层的锚孔中,其应力传递深度不超过2m,影响岩层锚杆抗拔能力的主要因素是砂浆的握裹力,例如,当完整硬质岩层锚固深度超过1m时,采用φ25mm的16Mn钢筋,往往钢筋被拉断而锚固段不会从锚孔中拔出;φ32m的16Mn钢筋被拉到屈服点,岩层都未有较明显的变化,但是,为保证锚杆的可靠性,首先必须判明锚固区山体有无塌方的可能及个别节理分割的岩块受拉松动的可能。因此,应保证锚杆在岩体内的锚固深度大于3.5m为佳。

  在软岩和土层的极限抗拨力数值差异很大受许多复杂条件和地质因素的影响,如地层性质,埋藏深度,地下水,灌浆方法等,因此以软质岩、土层作为锚固层时,要求在施工前进行现场拉拨试验,在未进行拉拨试验之前,为初步设计的需要,可根据前述方法及相关资料,进行估算其有效锚固长度。最终的锚固长度应要根据现场拉拨试验的极限抗拨力进行修正。

  5.锚杆和结构物的整体稳定性验算

  在灌浆锚杆基本确定之后,还应该对结构物的整体稳定性进行验算,这是必要的。即使锚杆各部设计都非常合理,也很经济,但整个结构物的稳定性达不到要求,锚杆设计也必须重新考虑,加长锚杆,并重新检算,验算方法可参阅有关土体或岩体稳定的检算方法。