边坡锚固设计参数怎么计算？

 一、概述

岩土工程的研究对象是复杂地质体，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动、自然风化和人类活动等作用，形成了大量诸如断层、层理、节理、软弱夹层、溶沟、溶槽等地质缺陷。在一定的时间和条件下，岩土体可能处于相对稳定的平衡状态；若条件改变，原有的平衡状态就可能遭到破坏，如在岩土工程开挖与施工过程中，其原有应力场重新分布，从而导致岩土体发生变形，进而产生坍落、塌陷、岩崩、滑坡及地面沉降等地质灾害。

为预防和治理此类灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用以调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力，这种受拉杆件称为锚杆或锚索(以下统称为锚杆)，其所起的作用即为锚固。运用数学、力学和工程材料等科学知识解决岩土工程中的锚固设计、计算、施工和监测等方面问题的技术和工艺称为锚固工程。

二、锚杆类型

边坡工程中使用的锚杆是一种安设在岩土层深处的受拉杆件，其一端与工程构筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时需对其施加预应力，以承受岩土压力、水压力或风荷载等所产生的拉力，再将拉力传递到深部稳定岩土层中，达到有效承受结构荷载及防止边坡变形失稳的目的。

预应力是人为对锚杆施加的张应力，从而对边坡施加主动压力。因此，预应力锚杆不同于非预应力锚杆，后者只有当岩土体产生变形时才承受张力，且张力随位移增大而增大，故这种张力主要只对变形体起悬吊作用。所以，预应力锚杆属于主动加固措施，而非预应力锚杆属于被动加固措施。在边坡锚固工程中，前者比后者应用更为广泛。

工程上常按以下方法分类：
(1) 按应用对象划分，包括岩石锚杆、土层锚杆；
(2) 按是否预先施加应力划分，包括预应力锚杆、非预应力锚杆；
(3) 按锚固机理划分，包括黏结式锚杆(水泥砂浆锚杆、树脂锚杆)、摩擦式锚杆(缝管式、水胀式及楔缝式锚杆)、端头锚固式(机械式)锚杆和混合式锚杆；
(4) 按锚固体传力方式及荷载分布条件划分，包括压力型锚杆、拉力型锚杆、压力分散型锚杆和拉力分散型锚杆；
(5) 按锚固部分大小划分，包括全长锚固式锚杆和端部锚固式锚杆；
(6) 按锚固体形态划分，包括圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球型锚杆。

圆柱型锚杆
结构简单、制造安装方便，黏结材料通常为水泥砂浆，适用于黏性土、砂土、粉砂土等相对密度较大且含水量较小、抗剪强度相对较高的土层或设计承载力较低的岩层。

端部扩大型锚杆
在锚杆底部把孔径扩大，形如一倒埋的销钉，其不仅可提供黏结力，端头肩部还能增加岩土体对锚杆抗拔的阻力，从而提高锚杆的锚固力和极限抗拔力。该类锚杆主要适用于松软土层，并要求其具有较高承载力。

连续球型锚杆
通过分段扩张法或分段高压注浆法使锚杆锚固段形成一连串球状体，使之与周围土体有更高的嵌固强度。该类锚杆适用于淤泥、淤泥质土层，并要求较高锚固力的情况。

对于风化岩及土质边坡，拉力分散型和压力分散型锚杆(统称为荷载分散型锚杆)应用较为广泛。拉力型锚杆指受力时锚固段注浆体处于受拉状态的锚杆，其主要特点是锚杆受力时锚固段浆体受拉并通过浆体将拉力传递至周围地层，结构简单，目前使用范围最广。
压力型锚杆指受力时锚固段注浆体处于受压状态的锚杆，其主要特点是利用承载体使锚杆受力时锚固段浆体受压，并通过浆体将拉力传递至周围地层，防腐性能较好，但由于注浆体承压面积受到钻孔直径的限制，故不能得到高承载力的锚杆。

荷载分散型锚杆也称单孔复合锚杆，指在一个钻孔中，由若干拉力型或压力型单元锚杆组合而成的复合锚固体系，其能将锚固力分散作用于锚杆总锚固段的不同部位(即各单元锚杆的锚固段)上。
主要包括拉力分散型锚杆和压力分散型锚杆两种，其工作时能充分利用地层固有强度，其承载力随锚固段长度增加成比例提高。
拉力分散型锚杆适用于锚杆承载力要求较高的软岩或土体工程，压力分散型锚杆适用于锚杆承载力要求较高或防腐等级要求较高的软岩或土体工程。

拉力分散型锚杆

压力分散型锚杆

三、锚杆结构

工程上所指的锚杆，通常是对受拉杆件所处的锚固系统的总称。
锚杆一般由锚头、杆体(拉杆)及锚固体(段)三个基本部分组成。

锚头
锚头是构筑物与拉杆的连接部分，其作用是将来自构筑物的作用力有效地传递给拉杆。锚头一般由台座、承压板和锚具等部件组成。

杆体
锚杆杆体要求位于锚固结构的中心线上，其作用是将来自锚头的拉力传递给锚固体。杆体通常要承受一定的荷载，故一般采用抗拉强度较高的钢材制成。

锚固体
锚固体(段)位于锚杆尾部，与岩土层紧密相连，其作用是将来自拉杆的力通过锚固体与周围岩土层间的摩擦阻力(或支承抵抗力)传递给稳固的地层。

锚索是高承载力的锚杆，其强度、锚固深度、单锚锚固力均较大。锚杆主要处于张拉状态，剪切次之，一般不能承受弯曲作用，而锚索只存在张拉状态。
类似地，锚索结构也可分为三个主要部分，即锚头、锚索体和锚固体。其中，锚头由垫板、锚环、锚塞和混凝土墩组成，锚索体由高强度钢丝、钢丝束或钢绞线制成，锚固体主要包括定位环、止浆塞、扩张环及导向帽等。

四、锚固作用机理

边坡锚固的基本原理是依靠锚杆周围稳定地层的抗剪强度来传递结构物(被加固物)的拉力，以稳定结构物或保持边坡开挖面自身的稳定。
悬吊作用机理
锚杆支护是通过锚杆将软弱、松动、不稳定的岩土体悬吊在深部稳定的岩土体上，以防止其离层滑脱。

组合梁作用机理
把薄层状岩体视为一种梁(简支梁或悬臂梁)，在没有锚固时，其只是简单地叠合。

挤压加固作用机理
在弹性体上安装具有预应力的锚杆时，弹性体内形成以锚杆两头为顶点的锥形体压缩区，若将锚杆以适当间距排列，可使相邻锚杆的锥形体压缩区相互重叠，即形成一定厚度的连续压缩带。

五、锚固要素分析

边坡锚固通常采用水泥砂浆(或水泥浆、化学浆液、树脂等)将一组杆体(钢筋或钢丝束等)锚固在边坡地层的钻孔深处，从而达到锚固效果。实际锚固工程中，水泥砂浆锚杆占绝大多数。
锚杆基本力学参数
1) 抗拔力：锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力，即锚固力。
2) 握裹力：锚杆杆体与黏结材料间的最大抗剪力。
3) 黏结力：锚杆黏结材料与孔壁岩土间的最大抗剪力。
4) 拉断力：锚杆杆体的极限抗拉能力。
砂浆锚固传力过程
取锚固段为隔离体，当锚固段受力时，拉力首先由杆体周边砂浆的握裹力传递到砂浆中，然后通过锚固段钻孔周边的黏结力(或摩阻力)传递到锚固的地层中

若杆体受拉力作用，除杆体本身需有足够的截面积承受拉力以外，还必须同时满足以下三个条件，锚杆的抗拔作用才能有效发挥：
1) 锚固段砂浆对杆体的握裹力需能承受极限应力；
2) 锚固段砂浆对地层的黏结力需能承受极限应力；
3) 锚固段周围岩土体在最不利条件下仍能保持整体稳定性。
典型破坏形式
√沿砂浆体与杆体的接触面破坏
√沿砂浆与地层的接触面破坏
√锚杆杆体受拉断、
√锚固段砂浆体剪切破、
√锚固段地层(土层或破碎岩体)剪切破坏
锚杆受力时，沿锚固段全长的黏结应力分布极不均匀：
当锚固段较长时，初始荷载作用下，黏结应力峰值在临近自由段处，而锚固段下端的相当长度上，则不出现黏结应力；
随着荷载增大，黏结应力峰值向锚固段根部转移，但其前方的黏结应力则显著下降；
当达到极限荷载时，黏结应力峰值传递到接近锚固段根部，在锚固段前部较长的范围内，黏结应力值进一步下降，甚至趋近于零。
因此，能有效发挥锚固作用的黏结应力分布长度是有一定限度的，随锚固段长度的增加，平均黏结应力逐渐减小。

锚固段砂浆对杆体的握裹力
在较完整岩层中灌注的水泥砂浆抗压强度，一般不低于30MPa。若严格按照规定的灌浆工艺施工，岩层孔壁的黏结力通常大于砂浆的握裹力。因此，岩层锚杆的抗拔力Tu和最小锚固长度La min一般取决于砂浆的握裹力，即：

一般在岩层中所需的锚固长度仅需1~2m。当采用热轧螺纹钢筋作为锚杆杆体时，在完整硬质岩层的锚杆中，其黏结(握裹)应力传递深度通常不超过2m。
但是，使用中必须判明如下情况：锚固段岩体是否稳定、是否可能发生滑坡或塌方、节理切割的锚固段岩块在受拉条件下是否产生松动等。考虑到上述不利因素，建议灌浆锚固段达到岩层内部(不包括风化层)的长度应不小于4.5m。
锚固段砂浆对孔壁的黏结力
在强风化岩层和土层中，锚杆的极限抗拔能力取决于锚固段砂浆对地层所能产生的最大黏结力(摩阻力)，即：