高層施工網(wǎng)上輔導(dǎo)材料2

1、高層建筑施工網(wǎng)上輔導(dǎo)材料 2：第三章 土層錨桿【教學(xué)基本要求 】通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生：1 掌握土層錨桿的構(gòu)造和類型以及應(yīng)用背景；2 掌握土層錨桿的設(shè)計內(nèi)容和計算方法；3 掌握土層錨桿施工的施工方法?！緦W(xué) 習(xí) 重 點】土層錨桿的構(gòu)造和土層錨桿的施工工藝?！緝?nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo) 】1.1. 土層錨桿的發(fā)展與應(yīng)用土層錨桿 （亦稱土錨 ）是一種新型的受拉桿件，它的一端與支護結(jié)構(gòu)等聯(lián)結(jié)，另一端錨 固在土體中，將支護結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)所承受的荷載（側(cè)向的土壓力、水壓力以及水上浮力 和風(fēng)力帶來的傾覆力等）通過拉桿傳遞到處于穩(wěn)定土層中的錨固體上，再由錨固體將傳來 的荷載分散到周圍穩(wěn)定的土層中去。錨桿打入地下后，為

2、了發(fā)揮錨桿鋼索應(yīng)力、減少變形，可采用預(yù)加應(yīng)力的方法，同時 打入地下的錨桿通過早期張拉，對地基錨桿預(yù)加應(yīng)力也是對錨桿在土層中或巖層中的一次 荷載試驗。土層錨桿是在巖石錨桿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 1958 年原聯(lián)邦德國的 KarlBauer 公司在 深基坑開挖中，為固定擋土墻首次在非粘性土層中采用了土層錨桿。土層錨桿技術(shù)近三十 年來得到迅猛的發(fā)展，目前它已成為現(xiàn)代建筑技術(shù)的重要組成部分?，F(xiàn)代的土層錨桿技術(shù) 已能施工長達(dá) 50m 的錨桿，在粘性土中最大錨固力可達(dá) 1000kN ，在非粘性土中可達(dá) 2500kN 。隨著我國工程建設(shè)的不斷發(fā)展，深基礎(chǔ)工程日漸增多。尤其是當(dāng)深基坑鄰近已有建筑 物和構(gòu)筑物、交

3、通干線或地下管線時，深基坑難以放坡開挖，或基坑寬度較大、較深，對 支護結(jié)構(gòu)采用內(nèi)支撐的方法不經(jīng)濟或不可能。 在這種情況下采用土層錨桿支承支護結(jié)構(gòu)（鋼板樁、地下連續(xù)墻、灌注樁等 ），維護深基坑的穩(wěn)定，對簡化支撐、改善施工條件和加快施 工進(jìn)度能起很大的作用。我國除了在湘黔鐵路和北京、天津的地下鐵道施工中應(yīng)用過土層 錨桿外，在高層建筑等深基礎(chǔ)工程施工中的應(yīng)用日漸增多，取得了較好的效果，曾被我國 建設(shè)部列為“八五”科技成果推廣計劃重點項目。土層錨桿的應(yīng)用由非粘性土層發(fā)展到粘 性土層。在高含水量、高壓縮性的松散粘土層中是否能夠應(yīng)用，一直是大家關(guān)心的問題。 我國沿海一帶多為沖積性平原，土層以淤泥質(zhì)粘土和粉

4、質(zhì)粘土為主，含水量往往高達(dá) 40%60%以上，呈軟塑甚至流塑狀態(tài)，在這樣的土層中可否應(yīng)用土層錨桿，過去沒有先 例。近年來，我國經(jīng)過試驗研究，已初步掌握了在這種軟粘土中的土層錨桿的承載能力和 施工工藝，并成功地應(yīng)用于工程建設(shè)中，對發(fā)展土層錨桿技術(shù)做出于貢獻(xiàn)。12 土層錨桿的構(gòu)造1.2.1.錨桿的類型錨桿用于地基有三種基本類型。第一種類型錨桿由圓柱形注漿體和鋼筋或鋼索構(gòu)成， 如圖1(a)所示，孔內(nèi)注水泥漿，水泥砂漿或其他化學(xué)注液。適用于拉力不高，臨時性錨桿 以及巖石性錨桿。圖1三種錨桿類型第二種錨桿類型為擴大的圓柱體，注入壓力灌漿液而形成，適用于粘性土和無粘性土，當(dāng)拉力要求較大時采取較高的壓力進(jìn)行

5、注漿。在粘性土中形成較小擴大區(qū)，在無粘性土中，可得到較大擴大區(qū)。如圖1(b)所示。第三種錨桿類型是采用特殊的擴孔裝置在孔眼內(nèi)長度方向擴1個或幾個擴孔圓柱體如圖1(c)所示。這類錨桿要有特制機械擴孔裝置，通過中心桿壓力將擴張式刀具緩緩張開 刮土。在粘性土和砂土中都適用，可以達(dá)到較高的拉攏力。1.2.2. 錨桿構(gòu)造1錨桿的組成錨桿由錨頭、鋼拉桿（鋼索）、塑料套管定位分隔器（鋼鉸線用）以及水泥砂漿等組成， 它 與擋土樁墻聯(lián)結(jié)構(gòu)成支護結(jié)構(gòu)，圖2為錨桿與地下墻聯(lián)結(jié)構(gòu)造圖。圖2錨桿構(gòu)造圖2 錨桿的錨頭，鋼材及附件錨桿的鋼材分粗鋼筋，鋼管及鋼鉸線，統(tǒng)稱鋼索，一般要求材料強度高。在鋼索全長 分自由段與錨固段，

6、自由段的鋼索套塑料管以保證張拉時鋼索能自由伸長。錨固段內(nèi)要求 灌漿或壓力灌漿密實，與鋼索有足夠的握裹力。粗鋼筋的錨頭如圖3所示，鋼鉸線的錨頭如圖4所示。用于鋼鉸線的定位分隔器如圖5。圖3鋼筋錨桿頭裝置;圖4多根鋼束錨桿頭裝置;圖5定位分隔器。1.3. 土層錨桿設(shè)計土層錨桿由于涉及鋼材、水泥和土體三種材料，其承載能力與施工因素密切有關(guān)，因 此按照彈塑性理論和土力學(xué)原理進(jìn)行精確的設(shè)計計算是十分復(fù)雜的，且與實際情況有出 入，所以一般還是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，然后通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行檢驗。土層錨桿設(shè)計要考慮的問題包括：錨桿布置；錨桿承載能力；錨桿的整體穩(wěn)定性；錨桿尺寸確定等。1.3.1. 錨桿布置錨桿布置

7、包括錨桿埋置深度、 錨桿層數(shù)， 錨桿的垂直間距和水平間距， 錨桿的傾斜角， 錨桿的長度等。(1) 錨桿的埋置深度 應(yīng)保證不使錨桿引起地面隆起和地面不出現(xiàn)地基的剪切破壞，最上層錨桿的上面需要 有一定的覆土厚度，一般覆土厚度不小于45m。25m，錨桿的水平間距多為14.5m，或控制在12.5 ，一般與水平成 1525傾斜角。通常長度為 1525m，(2) 錨桿的層數(shù) 應(yīng)通過計算確定，一般上下層間距為 錨固體直徑的 10 倍。(3) 錨桿的傾角 為了受力和灌漿施工方便，不宜小于(4) 錨桿的長度般要求錨固體置于滑動土體以外的好土層內(nèi)，30m，錨固體長度一般為 57m。根據(jù)需要而定， 一 單桿錨桿最大

8、長度不超過錨桿設(shè)置時應(yīng)注意以下幾點：(1) 土層錨桿的允許拉力與土層好壞關(guān)系很大，在硬土層內(nèi)最大拉力可達(dá)1500kN，在一般粘性土或非粘性土中，單錨拉力約為 300600kN ， 因此錨桿的錨固層應(yīng)盡量設(shè)置在 良好的土層內(nèi)。設(shè)置前，應(yīng)對地基土的土層構(gòu)成，土的性質(zhì)，地下水情況進(jìn)行詳細(xì)勘察， 不允許將錨固層設(shè)置在有機土層或液性指數(shù)Il50 %的粘土地基，或相對密度 Dr0.3 的松散地層內(nèi)；(2) 在允許情況下盡量采用群錨，避免用單根錨桿；(3) 各個部分的錨桿都不得密接或交叉設(shè)置；(4) 錨桿要避開鄰近的地下構(gòu)筑物和管道；(5) 土層錨桿非錨固段部分，要保證不與周圍土體粘結(jié)，以便當(dāng)土滑動時，能夠

9、自由伸 長，而不影響錨桿的承載能力；(6) 在有腐蝕性介質(zhì)作用的土層內(nèi)，錨桿應(yīng)進(jìn)行防腐。1.3.2.錨桿的承載能力錨桿的承載能力即極限抗拔力。根據(jù)錨桿拉力的傳遞方式，錨桿的承載能力通常取決 于：拉桿的極限抗拉強度；拉桿與錨固體之間的極限握裹力；錨固體與土體間的極限側(cè)阻 力。由于拉桿與錨固體之間的極限握裹力遠(yuǎn)大于錨固體與土體之間的極限側(cè)阻力，所以在 拉桿選擇適當(dāng)?shù)那疤嵯?，錨桿的承載能力主要取決于后者。1.3.3.錨桿的整體穩(wěn)定性進(jìn)行土層錨桿設(shè)計時，不僅要研究土層錨桿的承載能力，而且要研究支護結(jié)構(gòu)與土層 錨桿所支護土體的穩(wěn)定性，以保證在使用期間土體不產(chǎn)生滑動失穩(wěn)。土層錨桿的穩(wěn)定性，分為整體穩(wěn)定性和

10、深部破裂面穩(wěn)定性兩種，其破壞形式如圖6所示，需分別予以驗算。（a）整體失穩(wěn)：（b）深部破裂面破壞整體失穩(wěn)時，土層滑動面在支護結(jié)構(gòu)的下面，由于土體的滑動，使支護結(jié)構(gòu)和土層錨 桿失效而整體失穩(wěn)。對于此種情況可按土坡穩(wěn)定的驗算方法進(jìn)行驗算。深部破裂面在基坑支護結(jié)構(gòu)的下端處，這種破壞形式是前聯(lián)邦德國的E.Kranz于1953年提出的，可利用 Kranz的簡易計算法進(jìn)行驗算。1.3.4.土層錨桿的蠕變與松弛（一）土層錨桿的蠕變用于錨固支護結(jié)構(gòu)的土層錨桿，始終承受接近恒載的拉力，土層錨桿的變形一直在發(fā)展，這就是土層錨桿的蠕變。在實際工程中，需要了解土層錨桿的蠕變性能，因為土層錨 桿的蠕變是收斂還是發(fā)散，決

11、定了支護結(jié)構(gòu)的安危。尤其是對于軟土地基，土的蠕變大， 土層錨桿的蠕變就成為突出的問題。土層錨桿的蠕變主要由下述四部分組成：自由段鋼拉桿的伸長 鴿一般為彈性變形，可由胡克定律求得；錨固體的伸長L荷載較小時表現(xiàn)為彈性變形，當(dāng)荷載較大時，錨固體產(chǎn)生細(xì)微裂縫，即表現(xiàn)為塑性變形。錨固體由鋼拉桿與砂漿（水泥漿 ）組成，要考慮兩種材料的共同作用；錨固體周圍土體在一定范圍內(nèi)的剪切變形P,荷載很小時為彈性變形，荷載較大時為塑性變形并伴隨有粘性流變；錨固體與土體之間的相對滑動S,該滑動變形只有當(dāng)土層錨桿接近破壞時才產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生就表現(xiàn)為塑性變形，這種變形一般不 允許產(chǎn)生。因此土層錨桿的蠕變，表現(xiàn)為彈性、塑性和粘性

12、流變之和，是一個較為復(fù)雜的 理論問題。（二）土層錨桿的松弛 土層錨桿的松弛也是應(yīng)該研究的一個問題，它有很大的實用性，特別是對于需要施加預(yù)應(yīng)力的土層錨桿，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力張拉到一定荷載后將其錨固，隨著時間的推移，土層錨 桿錨頭的變形保持不變，而錨桿內(nèi)的內(nèi)力卻隨時間面遞減。對土層錨桿施加預(yù)應(yīng)力一般有三個目的：通過張拉使自由段的鋼拉桿產(chǎn)生彈性伸 長，對錨固體產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，以限制錨固土層的變形；通過施加預(yù)應(yīng)力對土層錨桿進(jìn)行試 驗，可以揭示設(shè)計和施工中的差錯；證實土層錨桿的適用性，預(yù)測其工作狀況，檢驗土 層錨桿與板樁等支護結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的情況。因此，在我國使用的土層錨桿中，施加預(yù)應(yīng)力 的占較大的比重。對土層錨桿

13、宜施加多大的預(yù)應(yīng)力值，是應(yīng)該研究的一個問題，因為它與松弛損失的大 小有關(guān)。試驗證明，施加的預(yù)應(yīng)力值愈高，松弛引起的荷載損失也愈大，穩(wěn)定荷載占原荷載的百分 數(shù)也愈低。1.4. 土層錨桿施工土層錨桿施工，包括鉆孔、安放拉桿、灌漿和張拉錨固。在正式開工之前還需進(jìn)行必 要的準(zhǔn)備工作。1.4.1. 施工準(zhǔn)備工作在土層錨桿正式施工之前，一般需進(jìn)行下列準(zhǔn)備工作：（1）土層錨桿施工必須清楚施工地區(qū)的土層分布和各土層的物理力學(xué)特性。(2) 要查明土層錨桿施工地區(qū)的地下管線、構(gòu)筑物等的位置和情況，慎重研究土層錨 桿施工對它們產(chǎn)生的影響。(3) 要研究土層錨桿施工對鄰近建筑物等的影響。(4) 要編制土層錨桿施工組織

14、設(shè)計。 一些特殊的土層錨桿，施工前還可能另有其他的要求，都應(yīng)詳盡地做好準(zhǔn)備工作。1.4.2. 鉆孔土層錨桿的鉆孔工藝，直接影響土層錨桿的承載能力、施工效率和整個支護工程的成 本。鉆孔的費用一般占成本的 30以上，有時甚至超過 50。鉆孔時注意盡量不要擾動 土體，盡量減少土的液化，要減少原來應(yīng)力場的變化，盡量不使自重應(yīng)力釋放。土層錨桿 的成孔設(shè)備，國外一般 采用履帶行走全液壓萬 能鉆孔機，孔徑范 圍 50320mm ，具有體積小，使用方便，適應(yīng)多種土層，成孔效率高等優(yōu)點。國內(nèi)使用的有 螺旋式鉆孔機、 沖擊式鉆孔機和旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆孔機， 亦有的采用改裝的普通地質(zhì)鉆機成孔。 在黃土地區(qū)亦可采用洛陽鏟形

15、成錨桿孔穴，孔徑7080mm 。1.4.3. 安放拉桿土層錨桿用的拉桿，常用的有鋼管 (鉆桿用作拉桿 ) 、粗鋼筋、鋼絲束和鋼絞線。主要根 據(jù)土層錨桿的承載能力和現(xiàn)有材料的情況來選擇。承載能力較小時，多用粗鋼筋；承載能 力較大時，我國多用鋼絞線。1.4.4. 壓力灌漿壓力灌漿是土層錨桿施工中的一個重要工序。施工時，應(yīng)將有關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來，以備 將來查用。灌漿的作用是；形成錨固段，將錨桿錨固在土層中；防止鋼拉桿腐蝕； 充填土層中的孔隙和裂縫。灌漿的漿液為水泥砂漿 (細(xì)砂 )或水泥漿。水泥一般不宜用高鋁水泥，由于氯化物會引 起鋼拉桿腐蝕， 因此其含量不應(yīng)超過水泥重的 0.1。由于水泥水化時會生成 S

16、O3 ，所以硫 酸鹽的含量不應(yīng)超過水泥重的 4。我國多用普通硅酸鹽水泥。拌合水泥漿或水泥砂漿所用的水，一般應(yīng)避免采用含高濃度氯化物的水，因為它會加 速鋼拉桿的腐蝕。若對水質(zhì)有疑問，應(yīng)事先進(jìn)行化驗。 選定最佳水灰比亦很重要，要使水泥漿有足夠的流動性，以便用壓力泵將其順利注入 鉆孔和鋼拉桿周圍。同時還應(yīng)使灌漿材料收縮小和耐久性好，所以一般常用的水灰比為0.4 0.45。灌漿方法有一次灌漿法和二次灌漿法兩種。一次灌漿法只用一根灌漿管，利用泥漿泵 進(jìn)行灌漿，灌漿管端距孔底 20cm 左右，待漿液流出孔口時，用水泥袋紙等搗塞人孔口， 并用濕粘土封堵孔口，嚴(yán)密搗實，再以2 4MPa 的壓力進(jìn)行補灌，要穩(wěn)壓

17、數(shù)分鐘灌漿才告結(jié)束。二次灌漿法要用兩根灌漿管 （直徑 3 4in 鍍鋅鐵管 ），第一次灌漿用灌漿管的管端距離 錨桿末端 50cm 左右，管底出口處用黑膠布等封住，以防沉放時土進(jìn)入管口。第二次灌漿 用灌漿管的管端距離錨桿末端 100cm 左右，管底出口處亦用黑膠布封位，且從管端 50cm 處開始向上每隔2m左右作出Im長的花管，花管的孔眼為 松mm，花管做幾段視錨固段長 度而定。第一次灌漿是灌注水泥砂漿，其壓力為0.30.5MPa，流量為100L / min。水泥砂漿在上述壓力作用下沖出封口的黑膠布流向鉆孔。鉆孔后曾用清水洗孔，孔內(nèi)可能殘留有部 分水和泥漿， 但由于灌人的水泥砂漿相對密度較大，

18、能夠?qū)埩粼诳變?nèi)的泥漿等置換出來。 第一次灌漿量根據(jù)孔徑和錨固段的長度而定。 第一次灌漿后把灌漿管拔出， 可以重復(fù)使用。待第一次灌注的漿液初凝后， 進(jìn)行第二次灌漿， 控制壓力為 2MPa 左右， 要穩(wěn)壓 2min， 漿液沖破第一次灌漿體，向錨固體與土的接觸面之間擴散，使錨固體直徑擴大，增加徑向 壓應(yīng)力。由于擠壓作用，使錨固體周圍的土受到壓縮，孔隙比減小，含水量減少，也提高 了土的內(nèi)摩擦角。因此，二次灌漿法可以顯著提高土層錨桿的承載能力。國外對土層錨桿進(jìn)行二次灌漿多采用堵漿器。我國是采用上述方法進(jìn)行二次灌漿， 由于第一次灌入的水泥砂漿已初凝，在鉆孔內(nèi)形成“塞子” ，借助這個“塞子”的堵漿作 用，

19、就可以提高第二次灌漿的壓力。對于二次灌漿，國內(nèi)外都試用過化學(xué)漿液（如聚胺酯漿液等 ）代替水泥漿，這些化學(xué)漿液滲透能力強，且遇水后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，體積可膨脹數(shù)倍，這樣既可提高土的抗剪能力， 又形成如樹根那樣的脈狀滲透。1.4.5. 張拉和錨固土層錨桿灌漿后， 待錨固體強度達(dá)到 80設(shè)計強度以上， 便可對錨桿進(jìn)行張拉和錨固。 張拉前先在支護結(jié)構(gòu)上安裝圍檁。張拉用設(shè)備與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)張拉所用者相同。從我國目前情況看，若鋼拉桿為變形鋼筋，其端部加焊一螺絲端桿，用螺母錨固。若 鋼拉桿為光圓鋼筋，可直接在其端部攻絲，用螺母錨固。如用精軋鋼紋鋼筋，可直接用螺 母錨固。張拉粗鋼筋用一般單作用千斤頂。鋼拉桿為鋼絲束，

20、錨具多為鐓頭錨，亦用單作用千斤頂張拉。 預(yù)加應(yīng)力的錨桿，要正確估算預(yù)應(yīng)力損失。由于土層錨桿與一般預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo) 致預(yù)應(yīng)力損失的因素主要有：(1) 張拉時由于摩擦造成的預(yù)應(yīng)力損失；(2) 錨固時由于錨具滑移造成的預(yù)應(yīng)力損失；(3) 鋼材松弛產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失；(4) 相鄰錨桿施工引起的預(yù)應(yīng)力損失；(5) 支護結(jié)構(gòu) (板樁墻等 )變形引起的預(yù)應(yīng)力損失；(6) 土體蠕變引起的預(yù)應(yīng)力損失；(7) 溫度變化造成的預(yù)應(yīng)力損失。 上述七項預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)結(jié)合工程具體情況進(jìn)行計算。1.5. 土層錨桿的試驗和檢驗土層錨桿的承載力尚無完善的計算方法，主要根據(jù)經(jīng)驗或通過試驗確定，試驗項目包 括極限抗拔試驗，性能試驗和驗收試驗。1極限抗拔試驗 應(yīng)在有代表性的土層中進(jìn)行，所用錨桿的材料，幾何尺寸，施工工藝，土的條件等應(yīng) 與工程實際使用的錨桿條件相同。荷載加到錨桿