第三章土层锚杆一、土层锚杆的发展与应用土层锚杆(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KarlBauer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1000kN，在非粘性土中可达2500kN。

随着我国工程建设的不断发展，深基础工程日渐增多。

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。

二、土层锚杆的构造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。

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1(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。

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(钢铰线用)以及水泥砂浆等组成，它与挡土桩墙联结构成支护结构。

2．锚杆的锚头，钢材及附件锚杆的钢材分粗钢筋，钢管及钢铰线，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，与钢索有足够的握裹力。

三、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。

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4~5m。

(2)锚杆的层数应通过计算确定，一般上下层间距为2~5m，锚杆的水平间距多为1~4.5m，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15~25m，单杆锚杆最大长度不超过30m，锚固体长度一般为5~7m。

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，在一般粘性土或非粘性土中，单锚拉力约为300~600kN，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I L<0.9或液限w L>50％的粘土地基，或相对密度Dr<0.3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。

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。

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。

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，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E.Kranz于1953年提出的，可利用Kranz的简易计算法进行验算。

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蠕变性能，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：①自由段钢拉杆的伸长δs，一般为弹性变形，可由胡克定律求得；②锚固体的伸长δa，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；③锚固体周围土体在一定范围内的剪切变形ρ，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；④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：①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；②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，③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。

四、土层锚杆施工土层锚杆施工，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。

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。

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。

钻孔的费用一般占成本的30％以上，有时甚至超过50％。

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50~320mm，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70~80mm。

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，我国多用钢绞线。

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；①形成锚固段，将锚杆锚固在土层中；②防止钢拉杆腐蚀；③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SO3，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0.4～0.45。

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2～4MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才告结束。