土层锚杆施工关键要点及验证方法

土层锚杆是土木建筑工程施工中的一项实用新技术，近年来国外已大量将其用于地下结构施工时护墙（钢板桩、地下连续墙等的支撑），它不仅用于临时支护，而且在永久性建筑工程中也得到了广泛应用。锚杆应用示意如图1-47所示。

图1-47　锚杆应用示意

（a）水坝；（b）电视塔；（c）悬索桥；（d）公路一侧；（e）水池；（f）栈桥；（g）房屋建筑；（h）高架电缆铁塔；（i）烟囱；（j）飞机库大跨结构；（k）隧道孔壁

（一）土层锚杆的构造

锚固支护结构的土层锚杆，通常由锚头、锚头垫座、支护结构、钻孔、防护套管、拉杆（拉索）、锚固体、锚底板（有时无）等组成（图1-48）。

土层锚杆根据主动滑动面，分为自由段lf（非锚固段）和锚固段la。土层锚杆的自由段处于不稳定土层中，要使它与土层尽量脱离，一旦土层有滑动，它可以伸缩，其作用是将锚头所承受的荷载传递到锚固段。

图1-48　土层锚杆的构造

1—锚头；2—锚头垫座；3—支护结构；4—钻孔；5—防护套管；6—拉杆（拉索）；7—锚固体；8—锚底板

锚固段处于稳定土层中，要使它与周围土层结合牢固，通过与土层的紧密接触将锚杆所受荷载分布到周围土层中。锚固段是承载力的主要来源。锚杆锚头的位移主要取决于自由段。

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（二）土层锚杆支护结构的设计分析

支护结构与刚性挡土墙不同，顶端不能自由变位。因此，土层锚杆支护结构上的土压力分布不同于刚性挡土墙上的土压力分布，而与带支撑的钢板桩上的土压力分布相似，土层锚杆支护结构上的土压力分布实际上还与锚杆的数量和分布有关。

在确定土层锚杆支护结构上的荷载时，要充分考虑雨期和地下水水位上升的影响。此外，还要注意土冻胀的影响，特别是对于对冻胀敏感的土更应注意。有时仅土冻胀所增加的土压力值，就有可能超过正常的土压力。

1.土层锚杆承载能力的影响因素

（1）土层锚杆的承载能力随土层的物理力学性能、力学强度的提高而增加，单位荷载的变形量随土层的力学强度的提高而减小。

（2）在同类土层条件下，土层锚杆的锚固能力随埋置深度的增加而提高。

（3）成孔方式对土层锚杆的承载能力也有一定影响。

（4）灌浆压力对土层锚杆的承载能力有影响，承载能力随着土的渗透性能的增大而增加。灌浆压力对非黏性土中土层锚杆承载能力的影响比黏性土中要显著。

由于影响土层锚杆承载能力的因素众多，用公式计算得出的结果只能作为参考，必须通过现场实地试验，才能较精确地确定土层锚杆的极限承载能力。

2.土层锚杆的稳定性

锚杆的稳定性分为整体稳定性和深部破裂面稳定性两种，需分别予以考虑。土层锚杆的失稳情况如图1-49所示。

图1-49　土层锚杆的失稳情况

（a）整体失稳；（b）深部破裂面破坏

3.土层锚杆的徐变和沉降

徐变不但对永久性土层锚杆是一个重要问题，对用于基坑支护的临时性土层锚杆也是一个应考虑的问题。土层锚杆的徐变会降低其承载能力，而当土层锚杆破坏时，一般都有较大的徐变产生。

土层锚杆的徐变，由钢拉杆伸长、土的变形、锚固体伸长、拉杆与锚固体砂浆之间的徐变四个部分组成。对于土层锚杆，土变形和拉杆伸长占主要地位。如土层锚杆过于细长，则锚固体的伸长也不能忽视，而拉杆与锚固体砂浆间的徐变则是微小的。

此外，土层锚杆还存在沉降问题，沉降也会影响土层锚杆的承载能力。实践证明，对土层锚杆施加预应力是减小沉降值的有效方法，土层锚杆预加应力的数值为其设计荷载的70%～80%，与土的性质、开挖深度等有关。

（三）土层锚杆施工准备工作

土层锚杆施工的主要工作内容有钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。在开工之前还需进行必要的准备工作。

在土层锚杆施工前，应根据设计要求、土层条件和环境条件，合理选择施工设备、器具和工艺方法。做好砂浆的配合比及强度试验、土层锚杆焊接的强度试验，验证能否满足设计要求。

（1）土层锚杆施工必须清楚施工地区的土层分布和各土层的物理力学特性（天然重度、含水量、孔隙比、渗透系数、压缩模量、凝聚力、内摩擦角等），还需了解地下水水位及其随时间的变化情况，以及地下水中化学物质的成分和含量，以便研究对土层锚杆腐蚀的可能性和应采取的防腐措施。

（2）查明土层锚杆施工地区的地下管线、构筑物等的位置和情况，研究土层锚杆施工对邻近建筑物等的影响，同时，也应研究附近的施工对土层锚杆施工带来的影响。

（3）编制土层锚杆施工组织设计，确定施工顺序；保证供水、排水和动力的需要；合理选用施工机具设备，制定机械进场、正常使用和保养维修制度；安排好劳动组织和施工进度计划；施工前应进行技术交底。

（四）钻孔

为了确保从开钻到灌浆完成全过程保持成孔形状，不发生塌孔事故，应根据地质条件、设计要求、现场情况等选择合适的成孔方法和相应的钻孔机具。钻孔机具分为三大类：

（1）冲击式钻机——靠气动冲凿成孔，适用于砂卵石、砾石地层；

（2）旋转式钻机——靠钻具旋转切削钻进成孔，有地下水时可用泥浆护壁或加套管成孔，无地下水时则可用螺旋钻杆直接排土成孔，可用于各种地层，是用得较多的钻机，但钻进速度较慢；

（3）旋转冲击式钻机——兼有旋转切削和冲击粉碎的优点，效率高、速度快，配上各种钻具套管等装置，可适用于各种软/硬土层。

成孔方法主要如下：

（1）螺旋钻孔干作业法。当土层锚杆处于地下水水位以上，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、粉质黏土、密实性和稳定性较好的砂土等土层都适用。但是当孔洞较长时，孔洞易向上弯曲，导致土层锚杆张拉时摩擦损失过大，影响以后锚固力的正常传递。

螺旋钻孔干作业法成孔有两种施工方法：一种方法是钻孔与插入钢拉杆合为一道工序，即钻孔时将钢拉杆插入空心的螺旋钻杆内，随着钻孔的深入，钢拉杆与螺旋钻杆一同到达设计规定的深度，然后边灌浆边退出钻杆，而钢拉杆即锚固在钻孔内；另一种方法是钻孔与安放钢拉杆分为两道工序，即钻孔后，在螺旋钻杆退出孔洞后再插入钢拉杆。后一种方法设备简单，简便易行，采用较多。为加快钻孔施工，可以采用平行作业法进行钻孔和插入钢拉杆。

（2）压水钻进成孔法。压水钻进成孔法是土层锚杆施工中应用较多的一种钻孔工艺。这种钻孔方法的优点是可以把钻孔过程中的钻进、出渣、固壁、清孔等工序一次完成，可以防止塌孔，不留残土，软、硬土都适用。但用此法施工，工地如无良好的排水系统，会产生较多积水，有时会给施工带来麻烦。钻进时冲洗液（压力水）从钻杆中心流向孔底，在一定水头压力（0.15～0.30MPa）下，水流携带钻削下来的土屑从钻杆与孔壁之间的孔隙处排出孔外。钻进时要不断供水冲洗（包括接长钻杆和暂停机时），而且要始终保持孔口的水位。待钻到规定深度（一般钻孔深度要大于土层锚杆长0.5～1.5m）后，继续用压力水冲洗残留在钻孔中的土屑，直至水流不浑浊为止。

钻进时，如遇到流砂层，应适当加快钻进速度，降低冲孔水压，保持孔内水头压力。对于杂填土地层，应设置护壁套管钻进。

（3）潜钻成孔法。潜钻成孔法是利用风动冲击式潜孔冲击器成孔，这种工具原来是用来穿越地下电缆的，它长不足1m，直径为78～135mm，由压缩空气驱动，内部装有配气阀、汽缸和活塞等机械。它利用活塞往复运动作定向冲击，使潜孔冲击器挤压土层向前钻进。由于它始终潜入孔底工作，冲击功在传递过程中损失小，具有成孔效率高、噪声小等特点，因此，潜钻成孔法宜用于孔隙率大、含水量较低的土层中。

为了控制冲击器，使其在钻进到预定深度时能将其退出孔外，还需配备一台钻机，将钻杆连接在冲击器尾部，待达到预定深度后，由钻杆沿钻机导向架后退，将冲击器带出钻孔。导向架还能控制成孔器成孔的角度。

（五）安放拉杆

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。其主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择。

1.钢筋拉杆

钢筋拉杆由一根或数根粗钢筋组合而成，其长度应为土层锚杆设计长度加上张拉长度。钢筋拉杆防腐蚀性能好，易于安装，当土层锚杆承载能力不是很大时应优先考虑选用。

对有自由段的土层锚杆，钢筋拉杆的自由段要做好防腐和隔离处理。防腐层施工时，宜先清除拉杆上的铁锈，再涂一度环氧防腐漆冷底子油，待其干燥后，再涂一度环氧玻璃钢（或玻璃聚氨酯预聚体等），待其固化后，再缠绕两层聚乙烯塑料薄膜。

土层锚杆的长度一般都在10m以上，有的达30m甚至更长。为了将拉杆安置在钻孔的中心，在拉杆表面需设置定位器（或撑筋环）。钢筋拉杆的定位器用细钢筋制作，在钢筋拉杆轴心按120°夹角布置（图1-50），间距一般为2～2.5m。

图1-50　钢筋拉杆所用的定位器

（a）中国国际信托投资公司大厦用的定位器；（b）北京地下铁道用的定位器
1—挡土板；2—支承滑条；3—拉杆；4—半圆环；5—2φ32钢筋；6—φ65钢管，l＝60mm，间距为1～1.2m；7—灌浆胶管

2.钢丝束拉杆

图1-51　钢丝束拉杆的撑筋环

1—锚头；2—自由段及防腐层；3—锚固体砂浆；4—撑筋环；5—钢丝束结；6—锚固段的外层钢丝；7—小竹筒

钢丝束拉杆可以制成通长一根，它的柔性较好，往钻孔中沉放较方便。但施工时应将灌浆管与钢丝束绑扎在一起同时沉放，否则放置灌浆管有困难。

钢丝束拉杆的自由段需理顺扎紧，然后进行防腐处理。钢丝束拉杆的锚固段也需要用定位器，该定位器为撑筋环，如图1-51所示。钢丝束拉杆的锚头要能保证各根钢丝受力均匀，常用者有镦头锚具等，可按预应力结构锚具选用。

3.钢绞线拉杆

钢绞线拉杆的柔性更好，向钻孔中沉放更容易。锚固段的钢绞线要仔细清除其表面的油脂，以保证与锚固体砂浆有良好的黏结。自由段的钢绞线要套以聚丙烯防护套等进行防腐处理。

钢绞线拉杆需用特制的定位架。

（六）压力灌浆

土层锚杆插到孔内预定位置后，即可灌浆。灌浆是使土层锚杆和浆液、浆液和土层紧密结合成一体，从而抗拒拉力的最重要工序。在施工时，应将有关数据记录下来，以备将来查用。灌浆的作用是：形成锚固段，将土层锚杆锚固在土层中；防止钢筋拉杆腐蚀；填充土层中的孔隙和裂缝。浆液根据不同的土层设计选用。目前用得最多的是水泥浆和水泥砂浆。灌浆管为钢管或胶管，随拉杆入孔。灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种。

（1）一次灌浆法只用一根灌浆管，利用泥浆泵进行灌浆，灌浆管端距孔底20cm左右，待浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞入孔口，并用湿黏土封堵孔口，严密捣实，再以2～4MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才结束。

（2）二次灌浆法要用两根灌浆管（φ20镀锌钢管），第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50cm左右，将管底出口处用黑胶布等封住，以防沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100cm左右，管底出口处也用黑胶布封住，且从管端50cm处开始向上每隔2m左右做出1m长的花管，花管的孔眼为φ8，花管做几段视锚固段长度而定。

第一次灌浆是灌注水泥砂浆，利用普通的单缸活塞式压浆机，其压力为0.3～0.5MPa，流量为100L/min。水泥砂浆在上述压力作用下冲出封口的黑胶布流向钻孔。因钻孔后曾用清水洗孔，孔内可能残留部分水和泥浆，但由于灌入的水泥砂浆相对密度较大，能够将残留在孔内的泥浆等置换出来。第一次灌浆量根据孔径和锚固段的长度而定。第一次灌浆后把灌浆管拔出，可以重复使用。

待第一次灌注的浆液初凝后，进行第二次灌浆，利用BW200-40/50型等泥浆泵，控制压力为2MPa左右，要稳压2min，浆液冲破第一次灌浆体，向锚固体与土的接触面之间扩散，锚固体直径扩大（图1-52），增加径向压应力。由于挤压作用，锚固体周围的土受到压缩，孔隙比减小，含水量减小，内摩擦角增加。因此，二次灌浆法可以显著提高土层锚杆的承载能力。

图1-52　第二次灌浆后锚固体的截面

1—钢丝束；2—灌浆管；3—第一次灌浆体；4—第二次灌浆体；5—土体

（七）张拉与锚固

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。张拉前，应在施工现场选两根或总根数的2%进行抗拉拔试验，以确定对土层锚杆施加张力的数值，并在支护结构上安装围檩。张拉用设备与预应力结构张拉所用设备相同。

预加应力的土层锚杆，要正确估算预应力损失。由于土层锚杆与一般预应力结构不同，导致预应力损失的因素主要有以下几项：

（1）张拉时由摩擦造成的预应力损失。

（2）锚固时由锚具滑移造成的预应力损失。

（3）钢材松弛产生的预应力损失。

（4）相邻锚杆施工引起的预应力损失。

（5）支护结构（板、桩、墙等）变形引起的预应力损失。

（6）土体蠕变引起的预应力损失。

（7）温度变化造成的预应力损失。

上述几项预应力损失，应结合工程具体情况进行计算。

（八）锚杆试验

锚杆由锚头、拉杆和锚固体三个部分组成。因此，锚杆的承载能力是由锚头传递荷载的能力、拉杆的抗拉能力和锚固体的锚固能力决定的，其承载能力取决于上述三种能力中的最小值。

拉杆的抗拉能力易于确定，锚头可用预应力混凝土构件的锚具，其传递荷载的能力也易于确定，所以，锚杆试验的主要内容是确定锚固体的锚固能力。

我国对锚杆试验有如下规定。

1.一般规定

（1）锚杆锚固段的浆体强度压到15MPa或达到设计强度等级的75%时，方可进行锚杆试验。

（2）加载装置（千斤顶、油泵）的额定拉力必须大于试验拉力，且试验前应进行标定。

（3）加荷反力装置的承载力和刚度应满足最大试验荷载要求。

（4）计量仪表（测力计、位移计等）应满足测试要求的精度。

（5）基本试验和蠕变试验的锚杆数量不应少于3根，且试验锚杆的材料、尺寸及施工工艺应与工程锚杆相同。

（6）验收试验锚杆的数量应取锚杆总数的5%，且不得少于3根。

2.基本试验

（1）基本试验最大的试验荷载，不宜超过锚杆承载力标准值的0.9倍。

（2）锚杆基本试验应采用循环加、卸荷载法，加荷等级与锚头位移测读间隔时间应按表1-4确定。

表1-4　锚杆基本试验循环加、卸荷载等级与位移观测间隔时间

（3）锚杆破坏标准。

1）后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2倍时；

2）锚头位移不稳定；

3）锚杆杆体拉断。

（4）试验结果应按循环荷载与对应的锚头位移读数列表整理，并绘制锚杆荷载-位移（Q-S）曲线、锚杆荷载-弹性位移（Q-Se）曲线和锚杆荷载-塑性位移（Q-Sp）曲线。

（5）锚杆弹性变形不应小于自由段长度变形计算值的80%，且不应大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值。

（6）锚杆极限承载力取破坏荷载的前一级荷载，在最大试验荷载下未达到上述第3）条规定的锚杆破坏标准时，锚杆极限荷载取最大荷载。

3.验收试验

（1）最大试验荷载取锚杆轴向受拉承载力设计值Nu。

（2）锚杆验收试验加荷等级及锚头位移测读间隔时间应符合下列规定：

1）初始荷载宜取锚杆轴向拉力设计值的0.1倍；

2）加荷等级与观测时间宜按表1-5所示的规定进行；

表1-5　锚杆验收试验加荷等级及观测时间

3）在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次；

4）达到最大试验荷载后观测时间15min，然后卸荷至0.1Nu并测读锚头位移。

（3）试验结果宜按每级荷载对应的锚头位移列表整理，并绘制锚杆荷载-位移（Q-S）曲线。

（4）锚杆验收标准：

1）在最大试验荷载作用下，锚头位移相对稳定；

2）应符合上述基本试验中第（5）条的规定。