《锚杆的锚固长度设计计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锚杆的锚固长度设计计算（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、锚杆（索）1. 锚杆（索）的作用机理立柱在荷载的作用下，有绕着基地转动的趋势，此时可以利用灌浆锚杆（索）的抗拔作用力来进行抵抗。灌浆锚杆（索）指用水泥砂浆(或水泥浆、化学浆液等)将一组钢拉杆(粗钢筋或钢丝束、钢轨、小钢筋笼等)锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚固体。它的中心受拉部分是拉杆。其受拉杆件有粗钢筋，高强钢丝束，和钢绞线等三种不同类型。而且施工工艺有简易灌浆、预压灌浆以及化学灌浆。锚固的形式应根据锚固段所处的岩土层类型、工程特征、锚杆（索）承载力大小、锚杆（索）材料和长度、施工工艺等条件，按表1-1进行具体选择。同时，为了更好地对锚杆（索）进行设计，以下将对锚杆（索）的抗拔
2、作用力机理进行介绍。 锚杆（索）的抗拔作用力又称锚杆（索）的锚固力，是指锚杆（索）的锚固体与岩土体紧密结合后抵抗外力的能力，或称抗拔力，它除了跟锚固体与孔壁的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关外，还与地层岩土的结构、强度、应力状态和含水情况以及锚固体的强度、外形、补偿能力和耐腐蚀能力有关。许多资料表明，锚杆（索）孔壁周边的抗剪强度由于地层土质不同，埋深不同以及灌桨方法不同而有很大的变化和差异。对于锚杆（索）抗拔的作用机理可从其受力状态进行分析，由图1-1表示一个灌浆锚杆（索）中的砂浆锚固段，如将锚固段的砂浆作为自由体，其作用力受力机理为： 锚杆选型 表1-1当锚固段受力时，拉力T。首先通过钢拉杆
3、周边的握固力(u)传递到砂浆中，然后再通过锚固段钻孔周边的地层摩阻力()传递到锚固的地层中。因此，钢拉杆如受到拉力作用，除了钢筋本身需要有足够的截面积(A)承受拉力外，锚杆（索）的抗拔作用还必须同时满足以下三个条件： 锚固段的砂浆对于钢拉杆的握固力需能承受极限拉力； 锚固段地层对于砂浆的摩擦力需能承受极限拉力； 锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。 以上第、个条件是影响灌浆锚杆（索）抗拔力的主要因素。 图1-1 灌浆锚杆（索）锚固段的受力状态2. 锚杆（索）的设计计算锚杆（索）的设计原则: (1)锚杆（索）设计前应进行充分调查，综合分析其安全性、经济性与可操作性，避免其对路堤周围构筑物
4、和埋设物产生不利影响。 (2)设计锚杆（索）时应考虑竣工后荷载作用对路堤的影响，要保证它们在载荷作用下不产生有害变形。 (3)设计锚杆（索）时，应对各种设计条件和参数进行充分的计算和试验来确定，只有少数有成熟的试验资料及工程经验的可以借用。锚杆（索）的设计要素:锚杆（索）的设计要素包括：锚杆（索）长度、锚固长度、相邻结构物的影响、锚杆（索）的倾角和锚固体设置间距、锚杆（索）的抗拔力计算等等。这些都是通过计算和试验得来的。进行锚杆（索）设计时，选择的材料必须进行材性试验，锚杆（索）施工完毕后必须对锚杆（索）进行抗拔试验，验证锚杆（索）是否达到设计承载力的要求。锚杆（索）型式选择应根据锚固段所处的
5、地层类型、工程特征、锚杆（索）承载力的大小、锚杆（索）材料、长度、施工工艺等条件综合考虑进行选择。表2-1给出了土层、岩层中的预应力和非预应力常用锚杆（索）类型的有关参数。表2-1 常用锚杆（索）型式锚杆（索）类别锚筋选料承载力(kN)锚 杆长 度应 力状 态注 浆方 式锚 固 体形 式适 用 条 件土层锚杆钢 筋(、级)45010m预应力压力灌浆二次高压灌浆连续球型、扩孔型土层锚固性较差；边坡允许变形值较小。钢 绞 线600 160010m预应力同 上同 上同 上岩层锚杆钢 筋 (、级)45010m预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型边坡稳定性较差钢 绞 线600200010m预应力常压灌浆压力灌浆
6、圆柱型同 上 2.1锚杆（索）锚筋的截面设计 假设锚杆（索）轴向设计荷载为，则可由下式初步计算出锚杆（索）要达到设计荷载所需的锚筋截面： 式中,为由计算出的锚筋截面；为安全系数，对于临时锚杆（索）取1.61.8 对于永久性锚杆（索）取2.22.4；为锚筋（钢丝、钢绞线、钢筋）抗拉强度设计值。(2)锚筋的选用：根据锚筋截面计算值，对锚杆（索）进行锚筋的配置，要求实际的锚筋配置截面。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆（索）承载力、锚杆（索）的长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因数综合考虑。对于采用棒式锚杆（索），都采用钢筋做锚筋。如果是普通非预应力锚杆（索），由于设计轴向力一般小于45
7、0kN，长度最长不超过20米，因此锚筋一般选用普通、级热轧钢筋；如果是预应力锚杆（索）可选用、级冷拉热轧钢筋或其他等级的高强精轧螺纹钢筋。钢筋的直径一般选用2232。对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆（索）应优先选用钢绞线、高强钢丝，这样不但可以降低锚杆（索）的用钢量，最大限度地减少钻孔和施加预应力的工作量，而且可以减少预应力的损失。因为钢绞线的屈服应力一般是普通钢筋的近7倍，如果假定钢材的弹性模量相同（1.9105Mpa）,它们达到屈服点的延伸率钢绞线是钢筋的7倍，反过来讲，在同等地层徐变量的条件下，采用钢绞线的锚杆（索）的预应力损失仅为普通钢筋的1/7。在选用钢绞线时应当符合国标（GB/
8、T5223-95、GB/T5224-95）要求，7丝标准型钢绞线参数如表2-3所示。除此之外，也可选用美国标准（ASTM A416-90a）、英国标准（BS5896:80）、日本标准（JIS G3536-88）的钢绞线，表2-4所示为ASTM A416-90a 7丝标准型钢绞线（270级）参数。为了便于选用，表2-5给出了按国标计算的出的不同锚杆（索）设计拉力值所需的钢绞线根数。表2-3 国标7丝标准型钢绞线参数表公称直径（mm）公称面积(mm2)每1000m理论重量(kg)强度级别(N/mm2)破坏荷载(kN)屈服荷载(kN)伸长率(%)70%破断荷载1000h低松弛(%)9.5054.84
9、32186010286.63.52.511.1074.258018601381173.525.12.7098.777418601841563.52.515.20139.0110118602592203.52.5表2-4 ASTM A416-90a 7丝标准型钢绞线参数表公称直径（mm）公称面积(mm2)每1000m理论重量(kg)强度级别(N/mm2)破坏荷载(kN)屈服荷载(kN)伸长率(%)70%破断荷载1000h低松弛(%)9.5354.844321860102.392.13.52.511.1174.195821860137.9124.13.525.12.7098.71775186018
10、3.7165.33.52.515.24140.0011021860260.7234.63.52.5表2-5 锚杆（索）设计轴向力与钢绞线使用根数对照表锚杆（索）设计轴向力(kN)250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 100074钢绞线（根）临时性3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10永久性4 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 10 11 12 13 1375钢绞线（根）临时性2 2 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7永久性3 3 4 4 4 5 5 6 6
11、7 7 7 8 8 9 9 2.2锚杆（索）受力分析的理论解 锚杆（索）深入岩石中,其端部承受拉拔力,假设水泥浆材与岩体为性质相同的弹性材料,锚杆（索）所作用的岩体可视为半空间,深度z处作用集中力,如图2-1所示,在任意点C(x,y,z)处的垂直位移分量W可由Mindlin位移解确定: （1）图2-1 Mindlin 解的计算简图式中:E,分别为岩体的弹性模量和泊松比; 在孔口处,x=y=z=0,则式(1)可简化为 （2）假设埋入岩体中的锚杆（索）为半无限长,锚杆（索）、水泥浆体与岩体之间处于弹性状态,满足变形协调条件,则孔口处,岩体的位移与锚杆（索）体的总伸长量相等,从而可以建立以下方程:
12、（3）通过简化,式(3)可化为二阶变系数齐次常微分方程: （4） 式(3),(4)中:r为锚杆（索）体半径Ec为锚杆（索）体的弹性模量,A为锚杆（索）体的截面积,G为岩体的剪切模量,为锚杆（索）所受的剪应力。式(4)通过变换,并利用边界条件z,=0最后,可得锚杆（索）所受的剪应力沿杆体分布为 （5）式中：，P为锚杆（索）受的拉拔力。 对式(5)进行积分,可得锚杆（索）轴力沿锚杆（索）杆体分布为 （6） 2.3锚杆（索）的锚固长度计算及影响因素 2.3.1预应力锚杆（索）有效锚固长度的确定由式(5)、(6)可得锚杆（索）体剪应力及轴向应力分布示意图,如图2-2、2-3所示,从图中可以看出,从锚固段始端零点至曲线拐点(=0,=0)的锚杆（索）体长度范围内承担了绝大部分的剪应力和轴向应力,可将该段长度称为锚杆（索）体的有效锚固长度。 图2-2 锚杆（索）剪应力分布曲线示意图图2-3 锚杆（索）轴向应力分布曲线示意图令=0,代入式(5)得 （7）式中la为有效锚固长度 在有效锚固长度以外的锚杆（索）体承受
