单孔复合锚固及实验曲线以及算例

单孔复合锚固及实验曲线在岩土体中埋设锚杆,由于围绕杆体的灌浆体与岩土体的弹性特征同杆体的弹性特征难以协调一致,因此岩土锚杆受荷时,不能将荷载均匀分布于固定长度上,会出现严重的应力集中现象。

在多数情况下,随着锚杆上荷载的增大,在荷载传至固定长度最远端之前,在杆体与灌浆体或灌浆体与地层界面上就会发生粘结效应逐步弱化或脱开的现象。

这是与固定长度上粘结应力分布的不均匀性紧密相关的。

锚杆固定段粘结效应逐步弱化或“脱开”,会大大降低地层强度的利用率。

如图1a 所示,当处于固定长度深部的地层强度被利用的条件下,固定段前端的地层已超出其极限强度值,该处锚杆与岩土体界面上只具有某些残余强度。

然而能有这样一种锚固方法,它可将荷载分散地传递到钻孔内几个较短的固定长度上,而不会发生粘结效应逐步弱化或“脱开”,因而可以有效地调用天然地层强度,同时能显著地提高锚杆承载力(图1b) ,这就是本文要论述的单孔复合锚固体系(SBMA 法) 。

一单孔复合锚固法的基本概念单孔复合锚固系统是在同一个钻孔中安装几个单元锚杆,而每个单元锚杆有自己的杆体、自由长度和固定长度,而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的,并通过预先的补偿张拉(补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由段长度不等而引起的位移差) 而使所有单元锚杆始终承受相同的荷载。

当单元锚杆的固定长度很小,而不会发生粘结效应逐步弱化或“脱开”的情况下,能最大限度地调用锚杆整个固定长度范围内的地层强度。

此外,使用这种锚固系统的整个固定长度理论上是没有限制的,锚杆承载能力可随固定长度的增长而提高。

而对普通集中拉力型锚杆而言,当固定长度大于8～10 m 时,其承载能力增量很小或无任何增加。

当锚杆的固定段位于非均质地层中时,可以合理调整单元锚杆的固定长度,即比较软弱的地层中单元锚杆的固定长度应大于比较坚硬的地层中的单元锚杆的固定长度。

而这样就能使不同的地层强度都得到充分的利用。

如果需要,单孔复合型锚杆可采用全长涂塑的无粘结钢绞线,并绕承载体弯曲呈“U”型的单元锚杆复合而成。

这种锚杆完全处于多层防腐的环境中,既可用作高耐久性的永久性锚杆;也可用作可拆除芯体(钢绞线) 的临时性锚杆。

二单孔复合锚固的构造压力分散型锚杆是单孔复合锚固体系(SBMA法) 中最具实用价值的一种岩土锚固形式, 在处理地质病害、维护边坡稳定中能够起到非常重要的作用,现正在被日益广泛地应用到实际工程当中，本文重点介绍一下压力分散型锚杆的特性。

压力分散型锚杆由无粘结钢绞线(预应力筋) 、承载体、灌浆体及锚头组成。

绕过承载体弯曲成“U”型的无粘结钢绞线构成一个独立的单元锚杆。

在同一钻孔中,可安放多个单元锚杆(图2) 。

目前，冶金部建筑研究总院等单位开发的压力分散型锚杆的结构构造主要有两种。

一种是无粘结钢绞线绕承载体弯曲成“U”型，构成单元锚杆，再由若干个单元锚杆组成总体锚杆（图2）。

承载体是聚酯与纤维的复合体，具有高强高韧性的特点（见下表）。

这种结构构造适用于承载力设计值不大于1000kN的压力分散型锚杆。

另一种结构构造的主要区别在于承载体由钢板制成，钢板上开有若干个直径为20mm的圆孔，与承载板相固定的无粘结钢绞线穿过圆孔借助挤压簧与挤压套相压接（图3）。

这种结构构造可用于承载力设计值大于1000kN的压力分散型锚杆。

表：承载体材料的主要技术性能图3钢板承载体与钢绞线连接图 (单位：mm)(a) 钢板承载体 (b)钢绞线挤压头连接构造(一) 压力分散型锚杆的试验曲线冶金部建筑研究总院与长江科学院曾测得了压力分散型锚杆固定段灌浆体的轴向与径向应变，试验锚杆在砂性土中。

图4为试验141号锚杆的第2个单元锚杆在不同张拉荷载时灌浆体轴向应变分布曲线。

该图表明，随着荷载的增大，轴向应力峰值逐渐向固定段下端转移，但在222kN荷载时，轴向应力仅分布在2.0m 长的固定段上，荷载传递长度是很有限的。

图4 141号锚杆第2个单元锚杆不同张拉荷载时灌浆体轴向应变分布曲线图5 141号锚杆整体加荷(620kN)后轴向应变分布曲线图5为141号锚杆各单元锚杆的灌浆体的轴向应变分布曲线。

从该图上可看到，在620kN荷载作用下，尽管每一个单元锚杆灌浆体的轴向应变不尽相等，但其基本分布形态是相似的。

这反映了它与单孔单一锚固型锚杆不同，轴向应变能分布于锚杆的整个固定长度上，应力集中现象得到明显地改善。

图6和图7为测得的141号锚杆第2和第3个单元锚杆固定段灌浆体的径向应变。

由图6和图7可知：各单元锚杆固定段灌浆体的径向应变为压应变，它随着荷载的增加而增加，集中分布在固定段前端2.0m范围内；在荷载为222kN时，固定段的最大压应变为61με，相当于作用于钻孔孔壁的径向压力为1.7MPa，无疑这对于提高灌浆体与土体界面上的摩阻强度是十分有利的。

图6 141号锚杆A2单元锚杆固定段的径向应变图7 141号锚杆A3单元锚杆固定段的径向应变（二）压力分散型锚杆的耐久性压力分散型锚杆的杆体由油脂、涂塑层及灌浆体构成多层防腐，且灌浆体受压，不易开裂，因而可大大提高锚杆的耐久性。

图2-13为压力分散型锚杆与拉力型锚杆防腐性能的比较。

图10 压力分散型锚杆与拉力型锚杆防腐状态的比较（a）拉力型锚杆的锚固体；（b）压力分散型锚杆的锚固体三锚杆固定长度灌浆体轴向应力的测定在中银大厦基坑工程中,曾测得了单孔复合(压力分散) 型锚杆各单元锚杆固定段注浆体的轴向应力,结果表明:(1) 固定于中细砂层中的单元锚杆,其固定长度为510 m ,测得的灌浆体轴向应力随锚杆荷载的增加而增加(见下图) 。

当荷载为220 kN 时,轴向应力分布主要集中在2 m 范围以内。

图 9 锚杆锚固体应力分布曲线(2) 对单孔复合锚杆的各单元锚杆施加荷载时,各单元锚杆固定段注浆体的轴向应力数值有一定差异,但分布形态是相似的。

这说明,与普通锚杆不同,单孔复合锚固型锚杆可以大幅度降低固定段灌浆体的应力峰值,并使轴向应力分布在整个锚固长度上,同时还说明,在砂质土中,在充分发挥单元锚杆预应力筋(2 根直径为< 1217 mm 钢绞线) 的抗拉强度的条件下,单元锚杆的固定长度可比510 m 短得多,可能210～310 m 是较为适宜的。

四单孔复合锚杆轴力及粘结应力分布的有限元分析冶金部建筑研究总院进行的压力分散型锚杆有限元计算分析时，取钻孔直径为130mm，注浆体强度等级为M25，压力分散型锚杆由3个单元锚杆组成，各单元锚杆的固定长度均为5m，锚杆的总固定长度为15m。

普通（压力型）锚杆的固定长度也为15m，并假定：注浆体为弹性各向同性材料；地层介质为符合Drucker-Prager屈服准则的各向同性的弹塑性材料；不考虑地层覆盖层压力的作用。

按该假定条件，问题的求解可归结为平面轴对称问题，计算分析时采用8节点等参元。

图8（a）是取单位荷载（N）作用时压力型与压力分散型锚杆的轴力曲线。

图8（b）为取单位荷载（N）作用时压力型与压力分散型锚杆的注浆——地层界面上的粘结应力分布曲线。

计算时土的弹性模量为注浆体的1/400，泊松比为0.3。

图8压力型与压力分散型锚杆的轴力曲线与粘结应力分布曲线（a）轴力曲线；（b）粘结应力曲线从图8可得出：（1）单孔复合（压力分散）型锚杆固定长度上的轴力及注浆体——地层界面上的粘结应力峰值远小于普通（压力型）锚杆，仅为普通锚杆的0.33和0.43，大大改善了锚杆固定长度上轴力和粘结应力分布的不均匀性。

（2）单孔复合型锚杆的轴力和注浆体——地层界面上的粘结应力分布在15m 长的整个固定长度范围内，普通锚杆的轴力和注浆体——地层界面上的粘结应力分布范围远比压力分散型为小，轴力主要集中分布在约8.0m长度范围内，粘结应力主要分布在约6.0m长度范围内。

从锚杆的有限元分析资料可以看出，单孔复合锚杆可大大降低注浆体——地层界面上的粘结应力，并能较均匀地分布于整个锚固长度上。

五单孔复合锚固的工作特性通过锚杆的抗拔试验,有限元分析及应力测试,从不同的侧面揭示了单孔复合锚固型锚杆独特的荷载传递机制,在外力作用下这种新型锚杆的应力能较均匀地分布在整个固定长度上,因而能充分利用土层的抗剪强度,显著地提高锚杆的承载力。

同时,这种新型的单孔复合锚固还可大大提高锚杆的耐久性,需要时还可方便地将锚杆的芯体拆除,具有极为优越的工作特性(表1)六单孔复合锚固法的工程应用(1) 中国银行总行基坑支挡工程该基坑深度- 2015 ～ - 2415 m。

基坑面积13 100 m2 ,基坑东侧因特殊的地理位置,不允许锚杆滞留在红线以外,支挡结构采用四排压力分散(单孔复合锚固型锚杆,背拉厚80 cm 的地下连续墙。

每根压力分散锚杆均由4 根单元锚杆组成。

单元锚杆的固定长度为410 m 和510 m ,即总固定长度为16m和20 m。

放置于粉质粘土和细、中砂层中。

单根锚杆的承载力达1500 kN 时,无异常变化。

锚杆使用功能完成后,基坑东侧337 根锚杆(即1 348 根单元锚杆) 芯体(钢绞线) 全部被拆除,为日后顺利建设地下空间创造了有利条件。

(2) 首都机场(扩建) 地下车库抗浮工程首都机场扩建工程的地下车库,采用1 300 余根压力分散型锚杆以抵抗地下水浮力。

锚杆的锚孔直径为200 mm ,锚杆设计承载力为230 kN ,由3 根单元锚杆组成,单元锚杆的杆体分别由5、5、4 根15124 mm 无粘结钢绞线组成。

它们的固定长度分别为3、3、2 m 。

固定段所处地层为用旋喷桩加固的砂与砂卵石层。

该工程采用预应力锚杆抗浮,可取代厚610 m 的地下室底板压重式结构,经济效益十分显著。

(3) 北京虎峰山庄边坡加固工程为满足建设北京市某培训中心的需要,在虎峰山庄一侧开挖高15～25 m 、坡度为70°～85°的边坡。

其中北侧和西侧主要分布有杂填土、粉质粘土和碎石土,而南侧主要系强风化砂岩和片岩。

根据边坡不同的地质条件,采用了不同的支护结构。

对土质边坡,采用了压力分散型锚杆背拉框架的结构形式,对岩质边坡则采用长15～18 m 的压力分散型锚杆、长310 m 的砂浆锚杆与厚10 cm 的喷射混凝土支护。

压力分散型锚杆直径为110 mm 由二根单元锚杆组成。

单元锚杆固定长度为510 m ,锚杆设计承载力为500 kN 。

该工程采用以压力分散型锚杆为主的加固结构后,有效地维护了边坡的稳定性。

七 锚杆承载力的计算目前关于锚杆的设计,认为锚杆的极限承载力与锚杆的固定长度成正比。

计算锚杆极限承载力的方程式为:s q L D ⋅⋅⋅=πu T式中 u T ———锚杆的极限承载力;D ———钻孔直径; L ———固定段长度;s q ———灌浆体与土体界面上的粘结强度。