锚杆的锚固长度设计计算.docx
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锚杆的锚固长度设计计算
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(t)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:
1锚固段的砂浆对于钢拉杆的握固力需能承受极限拉力;
2锚固段地层对于砂浆的摩擦力需能承受极限拉力;
3锚固土体在最不利的条件下仍能保持整体稳定性。
以上第①、②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{韵类别
锚筋选
料
承载
力
(kN)
锚
杆长
度
应力
状态
浆式注方
固本式锚彳形
适用条
件
土层锚
筋m)冈n>级卡(
<450
<16m
非预应
力
常压灌
浆压力
灌浆
圆柱型
扩孔型
锚固性较
好的土层
杆
精轧螺纹钢筋①
25〜32
40(〜
1100
>10m
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
600^
>10m
预应力
同上
同上
同上
线
1600
岩
钢筋
<450
<16m
非预应
常压灌
圆柱型
边坡稳定
层锚
(
级)
力
浆
性较好
杆
精轧
400^
>10m
预应力
常压灌
圆柱型
边坡稳定
螺纹钢
1100
浆压力
性较差
筋①
灌浆
25〜32
钢绞
600^
>10m
预应力
常压灌
圆柱型
同上
线
2000
浆压力
灌浆
2.1锚杆(索)锚筋的截面设计
假设锚杆(索)轴向设计荷载为N,则可由下式初步计算出锚杆(索)要达到设
计荷载N所需的锚筋截面:
式中,Ag为由N计算出的锚筋截面;k为安全系数,对于临时锚杆(索)取1.6〜1.8对于永久性锚杆(索)取2.2〜2.4;fptk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Ag,对锚杆(索)进行锚筋的配置,要求实际的锚筋配置截面AAg。
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450kN,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①22〜①32。
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(1.9X105Mpa),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/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(ASTMA416-90a、英国标准(BS5896:
80、日本标准(JISG3536-88的钢绞线,表2-4所示为ASTMA416-90a7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
(mm
每
1000m
理论重
量
强度级别
(N/mrn
)
破坏
荷载
(kN)
屈服
荷载
(kN)
伸长
率
(%)
70%破断荷
载
1000h低
松弛
(kg)
(%)
9.50
54.8
432
1860
102
86.6
3.5
2.5
11.10
74.2
580
1860
138
117
3.5
25.
12.70
98.7
774
1860
184
156
3.5
2.5
15.20
139.0
1101
1860
259
220
3.5
2.5
表2-4ASTMA416-90a7丝标准型钢绞线参数表
公称
公称
每
强度
破坏
屈服
伸长
70液断荷
直径
面积
1000m
级别
荷载
荷载
率
载
(mm
(mm
理论重
(N/mrn
(kN)
(kN)
(%)
1000h低
量
)
松弛
(kg)
(%)
9.53
54.84
432
1860
102.3
92.1
3.5
2.5
11.11
74.19
582
1860
137.9
124.1
3.5
25.
12.70
98.71
775
1860
183.7
165.3
3.5
2.5
15.24
140.0
1102
1860
260.7
234.6
3.5
2.5
0
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)
250300350400450500550600650700750800850
9009501000
7“4临时
3344556677889
钢绞性
91010
线
(根
)
永久
性
44556778991010
11121313
7©5
钢绞线(根)
临时
性
2233444555666
777
永久
性
3344455667778
899
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处作用一集中力,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:
34u8(1u)2(34u)(zh)2
23
(1)
Q(1u)R1RR1
8E(1u)(34u)(zh)22hz6hz(zh)2
35
R2R2
图2-1Mindlin解的计算简图
式中:
E,卩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
Q(1u)(32u)w
2hE
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:
通过简化,式(3)可化为二阶变系数齐次常微分方程
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,t为锚杆(索)所受的剪应力。
式(4)通过变换,并利用边界条件z-X,t=0最后,可得锚杆(索)所受的剪应力沿杆体分布为
(5)
对式(5)进行积分,可得锚杆(索)轴力沿锚杆(索)杆体分布为
Ikz2
(6)
Pe
EcA
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⑸、(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(t〃=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
令丿‘=0,代入式(5)得
式中la为有效锚固长度
在有效锚固长度以外的锚杆(索)体承受的剪力为
将式(7)代入式(8)得
la
该段剪力与锚杆(索)体承受的总剪力的比值
也就是说,假定锚固长度为无穷大时,有效锚固长度的锚杆(索)体承担的剪力占总剪力的77.7%。
可见,有效锚固长度的锚杆(索)体承担了绝大部分剪力。
由公式(5)可知,有效锚固长度与锚杆(索)的极限拉拔力而只
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- 锚固 长度 设计 计算
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