1、第四章 基坑支护技术4.1 无支护开挖设计4.2 土钉墙支护4.3 锚杆支护4.4 水泥土重力式挡墙4.5 桩墙式围护结构4.6 内支撑体系4.7 逆作法工程4.3 锚杆支护地下连续墙灌注桩各种板桩锚固段自由段锚头和垫块4.3.1 锚杆支护原理与特点 岩体和土层的锚固是一种把受拉杆件埋入地层使其得以稳定的技术。岩土锚杆能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，从而大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都在开发利用这门技术。岩土锚固技术几乎遍及土木建筑领域的各个方面，包括：边坡、基坑、隧洞、地下工程、坝体、码头、海岸、
2、桥梁、高耸结构及悬索建筑的拉力型基础。作用力来源：作用力来源：支挡结构后方土体的侧向压力是造成基坑破坏的主要原因。假定滑移面：假定滑移面：假定土体沿倾角为(45-/2)的平面滑动，锚杆拉力、滑移面摩擦力和滑动土体自重构成极限平衡。锚杆的支护机理：锚杆的支护机理：锚杆的技术优点：锚杆的技术优点：在天然土层中，锚固方法以钻孔灌浆为主，一般称为灌浆锚杆；受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝及钢绞线等不同的类型。1.用锚杆代替内支撑，它设置在围护墙背后，因而在基坑内有较大的空间，有利于土方施工；2.锚杆施工机械及设备的作用空间不大，因此可为各种地形及场地选用；3.锚杆的设计拉力可由抗拔试验来获得，因此可保证设计
3、有足够的安全度；4.预应力锚杆可采用预加拉力，以控制结构的变形量；5.施工时的噪声和振动均很小；凡是以锚杆为主体、控制围岩的变形与破坏、维护围岩稳定的，统称为锚杆支护。锚杆支护形式单体锚杆支护锚杆+喷射混凝土支护锚杆+钢筋网支护锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护锚杆+钢带支护锚杆+钢筋网+钢带支护锚杆+桁架支护锚杆+钢筋网+桁架支护锚索支护锚杆支护形式：锚杆支护形式：锚固技术分类按应用对象按是否施加预应力按锚固机理按传力方式按锚固体形态岩石锚固土层锚固海洋锚固预应力锚固非预应力锚固黏结型锚杆摩擦型锚杆端头锚固型锚杆混合型锚杆压力型锚杆拉力型锚杆剪力型锚杆圆柱型锚杆端部扩大型锚杆连续球体型锚杆锚固技术
4、分类：锚固技术分类：1-锚具；2-承压板；3-台座；4-支挡结构；5-钻孔；6-注浆防腐处理；7-预应力筋；8-锚固体；9-端部扩大头；10-连续球体；lf-自由段长度；la-锚固段长度圆柱型锚固圆柱型锚固扩大端部锚固扩大端部锚固连续球型锚固连续球型锚固锚固体形态：锚固体形态：4.3.2 锚杆的设计锚杆的应用应符合下列规定：锚杆的应用应符合下列规定：1.锚拉结构宜采用钢绞线锚杆；承载力要求较低时，也可采用钢筋锚杆；当环境保护不允许在支护结构使用功能完成后锚杆杆体滞留在地层内时，应采用可拆芯钢绞线锚杆；2.在易塌孔的松散或稍密的砂土、碎石土粉土、填土层，高液性指数的饱和黏性土层，高水压力的各类土
5、层中，钢绞线锚杆、钢筋锚杆宜采用套管护壁成孔工艺；3.锚杆注浆宜采用二次压力注浆工艺；4.锚杆锚固段不宜设置在淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土及松散填土层内；5.在复杂地质条件下，应通过现场试验确定锚杆的适用性。锚固体单元锚固体单元锚固体受力状态锚固体受力状态 当锚固段锚固受力Ti时，首先通过锚杆与周边水泥砂浆锚杆与周边水泥砂浆的握裹力握裹力u传到砂浆中，然后通过砂浆传到周围土体。随着拉力的增加，当锚固段内发挥最大粘结力时，就发生与土体的相对位移，随即发生土与锚杆土与锚杆的摩阻力摩阻力，直到极限摩阻力。锚杆的抗拔作用：锚杆的抗拔作用：影响锚杆抗拔力的因素：影响锚杆抗拔力的因素：1.土层对抗拔力的
6、影响；锚杆孔壁对砂浆的摩阻力取决于土层的抗剪强度 2.灌浆对抗拔力的影响；增大灌浆压力后，水泥浆会更多地渗入到周围土层中去，增加了锚固体与土层的摩阻力；3.锚杆形式对抗拔力的影响；锚固段形式不同，其极限抗拔力差别很大。锚杆的极限抗拔承载力应符合下式要求：锚杆的极限抗拔承载力应符合下式要求：ktkRKN锚杆抗拔安全系数，安全等级为一级、二级、三级的支护结构，分别不小于1.8、1.6和1.4锚杆轴向拉力标准值；锚杆极限抗拔承载力标准值；,k jR,k jNtK锚杆的承载力设计：锚杆的承载力设计：锚杆的轴向拉力标准值应按下式计算：锚杆的轴向拉力标准值应按下式计算：锚杆倾角锚杆水平间距coshkaF
7、sNb挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力hFs挡土结构计算宽度ab锚杆轴向拉力标准值kN锚杆的轴向拉力标准值锚杆的轴向拉力标准值锚杆和内支撑对挡土结构作用力锚杆和内支撑对挡土结构作用力Fh应按下式确定应按下式确定挡土构件在支点处的水平位移值；挡土结构计算宽度内的法向预加力；采用锚杆时，宜取0.75Nk0.9Nk0()hRRRhFkvvPhPRv挡土结构计算宽度内弹性支点刚度系数；Rk设置锚杆或支撑时，支点的初始水平位移值；0Rv锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数kR应按下列规定确定应按下列规定确定(Q-s)曲线上对应于荷载为Q1、Q2的锚头位移值；2121()(
8、)aRQQ bkss s12ss、锚杆循环加荷或逐级加荷试验中（Q-s）曲线上对应锚杆锁定值与轴向拉力标准值的荷载值12QQ、锚杆水平间距；s根据锚杆拉拔试验按下式计算：锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数kR应按下列规定确定应按下列规定确定注浆固结体的截面面积33()()scpaRcfspfspmpcE E A AbkE AlE A llsE AEAAEAA锚杆杆体的弹性模量sE锚杆水平间距；mE缺少锚杆拉拔试验数据时，可按下式计算：锚杆的复合弹性模量cE锚杆杆体的截面面积pA锚杆长度l锚杆的自由段长度fl当锚杆腰梁或冠梁的挠度不可忽略不计时，应考虑梁的挠度对弹性
9、支点刚度系数的影响锚杆的极限抗拔承载力应按下列规定确定：锚杆的极限抗拔承载力应按下列规定确定：,ksk i iRdql锚杆的锚固体直径锚固体与第i土层的极限粘结强度标准值,sk iqd锚杆的锚固段在第i土层中的长度，锚固段长度为锚杆在理论直线滑动面以外的长度il1.锚杆极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定；2.锚杆极限抗拔承载力也可按下式估算，但应通过抗拔试验验证；3.当锚杆锚固段主要位于黏土层、淤泥质土层、填土层时，应考虑土的蠕变对锚杆预应力损失的影响，并应根据蠕变实验确定锚杆的极限抗拔承载力。锚杆的极限抗拔承载力锚杆的极限抗拔承载力锚杆的非锚固段长度应按下式确定，且不应小于锚杆的非锚固段长度应
10、按下式确定，且不应小于5m。12(tan)sin(45)21.5cossin(45)2omfomaaddl锚杆倾角锚杆的锚头中点至基坑底面的距离挡土构件的水平尺寸d1aO点以上各土层按厚度加权的等效内摩擦角m锚杆非锚固段长度fl基坑底面至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；锚杆的锚头中点至基坑底面的距离；对成层土，当存在多个等值点时应按其中最深的等值点计算；2a锚杆杆体的受拉承载力应满足下式要求：锚杆杆体的受拉承载力应满足下式要求：pypNfA锚杆轴向拉力设计值预应力筋抗拉强度设计值；当锚杆杆体采用普通钢筋时，取普通钢筋的抗拉强度设计值pyfN预应力筋的截面面积pA例
11、题：例题：在一均质土层中开挖基坑，基坑安全等级为一级，深度为8m，拟采用桩锚支护形式，已知桩径0.8m，桩间距1.5m，采用一桩一锚设计。土的重度=18KN/m3，内聚力c=10KPa，内摩擦角=20。锚杆设置在地面下3m的位置，锚杆直径160mm，倾角15，计算得到挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力为260KN，若土体与锚杆杆体极限摩阻力标准值为50KPa，要满足锚杆抗拔安全系数要求，该层锚杆长度至少应为多少？4.3.3 腰梁的设计腰梁是锚杆与支挡结构之间的传力构件，可采用钢筋混凝土梁或型钢组合梁。1-锚具；2-承压板；3-腰梁；4-围护结构；5-锚杆杆体；6-缀板；7-垫块钢筋混凝土腰梁
12、钢筋混凝土腰梁双工字钢组合腰梁双工字钢组合腰梁双槽钢组合腰梁双槽钢组合腰梁4.3.4 稳定性计算基坑的稳定性验算主要是计算基坑在外荷载外荷载的作用下是否丧失稳定。基坑失稳主要有两种形态两种形态：1.因基坑强度不足、地下水渗流作用而造成的基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土因承载力不足而隆起；地层因承压水作用发生管涌、渗流等现象，导致基坑工程破坏。2.因桩（墙）、支撑（锚杆）体系的强度、刚度和稳定性不足而引起的支护结构体系的破坏，引起基坑倒塌。4.3.5 锚杆支护的施工工艺锚杆施工过程，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。锚杆制作注浆管制作成束钻孔清孔安放锚杆注浆管束第一次注浆第二次注浆安装横梁
13、支座预张检验锚定水泥砂浆拌制水泥砂浆拌制1.施工前准备工作 做好锚杆施工分项组织设计；与挖土方作业配合，使挖方作业面低于锚杆头标高5060cm，并平整好锚杆操作范围内的场地，以便于钻孔机施工；采用湿作业施工时，要挖好排水沟、沉淀池、集水坑，准备好水泵，使成孔时排出的泥水通过排水沟到沉淀池，再入集水坑用水泵抽出，同时准备好钻孔用水；其他准备，包括：电源、注浆机泵、注浆管钢索、腰梁、预应力张拉设备等。2.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。钻孔的成本一般占总成本的30%以上，有时甚至超过50%。钻机就位后，先调整钻杆的倾斜角度，钻孔时注意尽量不要扰动
14、土体，尽量减少土的液化，减少原来应力场的变化，尽量不使自重应力释放。2.1 钻孔机械选择对土层锚杆钻孔用钻机的具体要求为：对土层锚杆钻孔用钻机的具体要求为：通过回转、冲击钻具等钻进方式将动力传给钻头，使钻头具有适宜的转速（或冲击频率）及一定的调节范围，以便有效地破碎土体或岩石；能通过钻具向钻头传递足够的轴向压力，并有相当的调节范围，使钻头能有效地切入或压碎土体或岩石；能调整和控制钻头的给进速度，保证连续钻进；能变换钻进角度和按一定的技术经济指标钻进设计规定的直径和深度；能完成升降钻具的工作，具备完成纠斜、处理孔内事故等的技术性能。土质钻孔深度地下水旋转式钻孔机冲击式钻孔机旋转冲击式钻孔机根据可
15、选2.2 钻孔方法选择钻孔方法选择主要取决于土质土质和钻孔机械钻孔机械螺旋钻孔干作业法螺旋钻孔干作业法：当土层锚杆处于地下水位以上，呈非浸水状态时，宜选用不护壁的螺旋钻孔干作业法来成孔，该法对黏土黏土、粉质黏土粉质黏土、密实性和稳定性密实性和稳定性较好的砂土砂土等土层都使用。钻孔与插入钢拉杆合为一道工序钻孔与安放钢拉杆分为两道工序螺旋钻孔干作业施工方法压水钻进成孔法压水钻进成孔法：该法是土层锚杆施工应用较多的一种钻孔工艺。它可以把钻孔过程中的钻进、出渣、固壁、清孔等工序一次完成，可以防止坍孔，不留残土，软、硬土都能适用。潜钻成孔法潜钻成孔法：利用风动冲击式潜孔冲击器成孔，宜用于孔隙率打、含水量
16、较低的土层中。该法成孔速度快，孔壁光滑而坚实，由于不出土，孔壁无坍落和堵塞现象。2.2 钻孔方法选择土层锚杆的钻孔应注意的特点和应达到的要求如下：孔壁要求平直，以便安放钢拉杆和灌注水泥浆；孔壁不得坍塌和松动，否则影响钢拉杆安放和土层锚杆的承载能力；钻孔时不得使用膨润土循环泥浆护壁，以免在孔壁上形成泥皮，降低锚固体与土壁间的摩阻力；土层锚杆的钻孔多数有一定的倾角，因此孔壁的稳定性较差；由于土层锚杆的长细比很大，孔洞很长，保证钻孔的准确方向和直线性较苦难，容易偏斜和弯曲。2.3 钻孔的容许偏差锚杆的施工偏差应符合下列要求（JGJ120-2012）：钻孔空位的允许偏差应为50mm；钻孔倾角的允许偏差
17、应为3；杆体长度不应小于设计长度；自由端的套管长度允许偏差应为50mm。2.4 钻孔的扩孔机械扩孔爆炸扩孔水力扩孔压浆扩孔2.5 钢拉杆的制作 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，多用钢绞线。为了将拉杆安置在钻孔的中心，防止自由段产生过大的挠度和插入钻孔时不搅动土壁；对锚固段为了增加拉杆与锚固体的握裹力，在拉杆表面需设置定位器。三角支撑三角支撑撑筋环撑筋环钢管支架钢管支架船形支架船形支架2.6 灌浆压力灌浆时土层锚杆施工中的一个重要工序。灌浆的作用是：形成锚固段，将
18、锚杆锚固在土层中；防止钢拉杆腐蚀；充填土层中的空隙和裂缝。灌浆浆液灌浆方法水泥砂浆（细砂）水泥浆一次灌浆法二次灌浆法一根灌浆管两根灌浆管第一次灌注水泥砂浆第二次灌注水泥浆（或化学浆液）1-钢丝束；钢丝束；2-灌浆管；灌浆管；3-第一次灌浆体；第一次灌浆体；4-第二次灌浆体；第二次灌浆体；5-土体土体2.7 预应力张拉 土层锚杆灌浆后，待锚固体强度达到80%设计强度以上，便可对锚杆进行张拉和锚固。预应力损失的因素主要有：张拉时由于摩擦造成的预应力损失；锚固时由于锚具滑移造成的预应力损失；钢材松弛产生的预应力损失；相邻锚杆施工引起的预应力损失；支护结构变形引起的预应力损失；土体蠕变引起的预应力损失
19、；温度变化造成的预应力损失。4.3.5 锚杆的检测锚杆检测锚杆拉拔试验锚杆轴向力量测锚杆安装质量的检测必做选做锚杆蠕变试验1.锚杆抗拔试验试验设备：试验设备：锚杆抗拔试验的试验设备主要由加载装置加载装置、量测装置量测装置及反力装置反力装置三部分。加载装置一般采用穿心式液压千斤顶；拉力量测课用压力表或荷载传感器；位移量测可用百分表或位移传感器。试验许可条件试验许可条件 现场钻孔、灌浆后的锚杆，待砂浆强度达到15MPa或达到设计强度的75%后才能进行抗拔试验。试验数量试验数量 同一条件下的极限抗拔承载力试验的锚杆数量不应少于3根。试验方法试验方法 锚杆极限抗拔承载力试验宜采用多循环加载法。锚杆极限
20、抗拔承载力试验，其锚头位移测度和加卸载应符合下列规定锚杆极限抗拔承载力试验，其锚头位移测度和加卸载应符合下列规定 1）初始荷载下，应测度锚头位移基准值3次，当每间隔5min的读数相同时，方可作为锚头位移基准值；2）每级加卸载稳定后，在观测时间内测度锚头位移不应少于3次；3）在每级荷载的观测时间内，当锚头位移增量不大于0.1mm时，可施加下一级荷载；否则应延长观测时间，并应每隔30min测度锚头位移1次，当连续两次出现1h内的锚头位移增量小于0.1mm，可施加下一级荷载；终止加载条件终止加载条件 1）从第二级加载开始，后一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载产生的单位荷载下的锚杆位
21、移增量的5倍；2）锚头位移不收敛；3）锚杆杆体破坏。锚杆极限抗拔承载力标准值应按下列方法确定锚杆极限抗拔承载力标准值应按下列方法确定 1）锚杆的极限抗拔承载力，在某及试验荷载下因出现满足终止加载条件的现象而终止继续加载情况时，应取终止加载时的前一级荷载值；未出现时，应取终止加载时的荷载值；2）参加统计的试验锚杆，当极限抗拔承载力的极差不超过其平均值的30%时，锚杆极限抗拔承载力标准值可取平均值；当极差超过平均值的30%时，宜增加试验锚杆数量，并应根据极差过大的原因，按实际情况重新进行统计后确定锚杆极限抗拔承载力标准值。2.锚杆蠕变试验试验设备：试验设备：需用能自动调整压力的油泵系统，使作用于锚
22、杆上的荷载保持衡量，不因变形而降低。试验方法与步骤试验方法与步骤 蠕变试验采用分级加载，每级荷载按时间间隔1min、5min、10min、15min、30min、45min、60min、90min、120min记录蠕变量。蠕变率按下式计算蠕变率按下式计算2121lglgcssktt锚杆蠕变率t1时间测得的蠕变量1sckt2时间测得的蠕变量2s3.锚杆轴向力量测端头锚固锚杆轴向力量测端头锚固锚杆轴向力量测 通常采用有中心孔的锚杆测力计来量测端头锚固锚杆的轴向力。在使用过程中，先把锚杆测力计套在锚杆垫板和外锚头的螺母之间，然后对锚杆施加预应力，记下初始压力值，此后，定时量测锚杆轴向力与时间的变化关
23、系。全长锚固锚杆轴向力量测全长锚固锚杆轴向力量测 1）沿待测量锚杆长度以间距500700mm对称粘贴电阻式应变片；2）采用测力锚杆。4.锚杆安装质量检测锚杆安装质量的检测主要检测锚杆的安装质量是否符合有关规范是否符合有关规范要求，包括：1）检测锚杆杆体、垫板、螺母、锚固剂等是否符合要求。若不符合要求，应及时更换、补打或采取其他补救措施；2）检测忙那间排距是否符合要求。若不符合要求应及时补打；3）在安装锚杆前，应检测锚杆孔的角度和深度是否符合要求。对于不符合要求的废孔要用砂浆封堵，以保持围岩的整体性，并重新补打锚杆孔；4）检测锚杆安装后的外露长度是否符合要求。无喷射混凝土或不衬砌封闭的单一锚杆支护，其外露长度一般不大于50mm，采用喷射混凝土支护后，锚杆不允许外露。
