本文是地质工程专业工程硕士论文，主要研究锚杆支护技术在深基坑工程中的应用。

第1章 绪论

1.1研究背景

通过模拟可知，当预应力锚杆预应力增加时，滑移区域会减小，潜在滑动面的剪切变形也会减小。在土钉支护情况下，基坑位移变形较大，破坏形态为：上部岩土开裂，下部剪切滑移，这样很难保证基坑的稳定性（贾金青，2005）。深基坑工程周围环境比较复杂，既有建筑，又有地下设施、市政设施，甚至还有河流、道路等，因此要将基坑位移作为首先要考虑的控制因素，而传统的极限平衡方法分析基坑的稳定性很难得出关于基坑变形的信息，以变形控制的设计方法取代以强度控制的设计方法，将是基坑设计理论发展的重要趋势（李守德，2000）。按变形控制设计并不是要控制基坑周围土体的位移必须小于某一值，更不是越小越好，而是根据周围建筑物、构筑物、市政管线道路的情况而定（龚晓南，2006）。因此，在设计与施工中，既要保证相邻建筑物和地下设施的安全，保证人们的生命财产安全，同时又要控制好基坑的变形与稳定，在安全的前提下，经济合理的安排设计与施工。目前，我国正处于高度发展阶段，国家投资大量资金进行基础设施建设，此举也为岩土锚固技术的发展带来了机遇。但是从基坑开挖面临的地质条件复杂多变、工程条件不确定性强、工程学科发展与建设滞后工程实践的现状看，岩土锚固技术在理论上必须进行深一步的发展。在工程技术发展过程中，深基坑中的种种问题不断浮出水面，这些问题的解决使得深基坑支护理论和实践技术迅速向前推进。多种支护形式，如土钉支护、土钉与锚杆混合支护、桩锚支护、水泥土搅拌桩法以及地下连续墙等被应用于实际工程，并获得了成功。锚杆支护以其独特的特点逐渐成为工程中常用的支护方式。预应力锚杆支护作为深基坑支护的一种方法，具有以下特点：（1）造价相对低廉，锚杆支护可以很小的支护力获得较好的支护效果，这在很大程度上节约了材料，提高了场地利用率；（2）施工方便，锚杆施工所占用的空间和资源较小，施工工期较短；（3）锚杆注浆可以改变土层的潜在力学性能，可以在短时间内就能为基坑侧壁提高支撑力（武崇福，2011）；（4）基坑位移相对较小，安全性较高。锚杆作为一项基坑开挖支护方式具有以下作用：（1）可以增强土体的稳定性，减小甚至阻止土体的滑移；（2）可以加固软弱土体，可以在基坑抢险中使用。但是就目前预应力锚杆状况来讲，其理论分析滞后于实践操作，预应力锚杆作用机理和设计方法的研究还不成熟或者说还不够深入。本文通过对预应力锚杆支护进行分析研究，希望通过理论分析和现场试验，确定锚杆在不同条件下的受力状态以及支护作用，分析锚杆周围一些因素对锚杆受力状态的影响，为锚杆支护设计提供更加可靠的理论依据。

1.2 研究现状

1.2.1 锚杆支护技术现状

1.2.1.1 锚杆支护历史

深基坑工程是一个比较传统的课题，最早的基坑采用放坡的方式进行开挖，但是随着城市的发展和地下空间的利用，基坑开挖空间不断被压缩，锚固技术才得以应用于基坑领域，并取得了快速的发展。锚杆技术是由国外发明并应用于工程实践中的，其首先应用的领域为矿山巷道，成功后被逐渐应用于其他领域。1872 年英国首先使用锚杆对北威尔士露天页岩矿边坡进行加固，1911 年美国使用锚杆支护矿山巷道，1918 年使用锚索支护对西里西亚矿山进行开采。此后锚固技术应用范围开始逐渐扩大，1934 年阿尔及利亚首先采用承载力为10000kN 的预应力锚杆来加固舍尔法坝加高工程，保持了坝体的稳定，这是世界上第一次使用锚杆来加固坝体并获得成功。随后预应力锚杆在坝体加固上得到了广泛应用，在以后的时间里，采用预应力锚杆进行加固的还有印度的坦沙坝、南非斯登布拉斯坝以及英国的亚格尔坝和奥地利斯布列西斯坝（姚爱梅，2007）。从上世纪 50 年代到 70 年代，锚杆锚固技术得到了快速的发展。1957 年德国的 Bauer 公司使用了土层锚杆对深基坑进行开挖支护。60 年代，德国以及捷克斯洛伐克使用高预应力长锚杆与低预应力短锚杆相结合的方式支护了厂房和地下洞室等。70 年代，英国使用地锚改建工程。1974 年美国采用锚固技术对纽约世贸中心进行深工程开挖，工作荷载达到 3000kN。随后瑞士、捷克、法国、意大利、英国、美国、巴西、澳大利亚、日本等国广泛采用锚杆支护的方式来维护边坡的稳定。80 年代，日本英国等成功研究出了单孔复合锚固技术并应用于实际工程，此项技术大大改善了锚杆的传力机制，提高了锚杆的耐久性和承载力。1989 年澳大利亚采用由 65 根 15.2mm 的钢绞线所组成的锚杆对 Warragamba 重力坝进行加固，承载力达 16500kN（程良奎，2001）。

第 2 章 锚杆支护设计与影响因素分析

2.1 锚杆的定义及分类

锚杆由杆体、锚固体和锚具所组成，锚固体锚固在稳定的土层中。锚杆的受力承受部分是位于锚孔中心的杆体，杆体所受之力通过拉杆周边的握裹力传递到水泥砂浆中，再通过水泥砂浆周边的摩阻力传递到周围稳定地层中。从锚杆结构上来说，锚杆轴力是通过注浆体和杆体形成的锚固段与土体界面的摩擦作用进行传递的，其传递机理是相当复杂的（孔宪宾，2000；Widmann R，1996；Rachel HT，1998），所涉及的各部分材料性能相差较大，一般情况下认为通过锚固段的注浆体和土体之间的摩擦力来维护土体的稳定性。程良奎和国外一些学者（EvangelistaA，1977；程良奎，2003；Jean L B，1998；Chungsik Y，2001）对粒状土和粘性土中的锚杆应力传递情况以及锚固体表面摩擦阻力的分布状态等作过比较系统的研究，早在上世纪 90 年代，国外一些学者（Benmorkane，1995；Collin J G,1996）曾通过系统的室内试验，给出了锚杆应力与锚杆长度、直径等方面的计算公式，但有一定的局限。锚杆的荷载传递实际上是锚杆锚固段的荷载传递，这方面将在自由段与锚固段设计那一节作描述。锚杆在张拉过程中通过自由段的弹性变形将锚杆拉力传递给锚固体，由于锚固体浆体与钢绞线的粘结强度比土体大，变形协调基本趋于一致，所以锚固体可以把锚杆上的力传递给周围土体。锚杆轴力从锚杆自由端向锚固端传播，而锚固体末端轴力为零，所以锚杆轴力在锚固体上的传播是非均匀的（PHILIPS S H E，1970）。锚杆的破坏主要是锚固体与周围土体的剪切破坏，因此锚杆的抗拉可以通过增加锚固体的长度来实现，但是随着锚固体长度的增加，锚杆的抗拉力增加值减小，当锚固体增加到一定程度（临界长度）后，锚杆抗拉力将不再增加。

第 3 章 锚杆支护试验与分析.......30

3.1 工程概况........30

3.2 地质条件........30

3.3 水文地质条件......32

3.4 支护结构方案设计....32

3.5 锚杆施工........33

3.6 锚杆施工质量控制....35

3.7 锚杆监测........36

3.7.1 监测项目与布点.........36

3.7.2 监测要求.........36

3.8 锚杆试验........37

3.9 本章小结........46

第 4 章 基坑锚杆支护软件设计.........47

4.1 概述....47

4.2 锚杆设计流程......48

4.2.1 地质参数.........49

4.2.2 锚杆参数.........50

4.3 录入工程基本信息....51

4.4 录入地质参数信息....52

4.5 基坑土压力计算........52

4.6 悬臂式护坡桩的嵌固深度计算........56

4.7 锚杆设计........59

4.8 软件实现与验证........63

4.9 本章小结........76

第 5 章 结论与建议.....77

5.1 结论....77

5.2 建议....78

结论

论文以锚杆为研究对象，针对锚杆在工程中的应用研究进行了分析，选题具有实际意义。论文分析了锚杆设计与支护理论和锚杆预应力损失的影响因素，通过试验研究了锚杆张拉位移规律和张拉锁定后锚杆应力变化情况，并在 VB 软件基础上开发了用于基坑支护的设计软件，主要得出以下几点结论：

（1）力在锚杆杆体上的传播具有不均匀性，锚杆锚固段有临界长度。

（2）锚杆张拉过程中的变形主要有锚杆自由段的弹性变形、锚杆锚固段的拉伸变形以及锚固体与周围土体的剪切变形。

（3）影响锚杆预应力的主要因素有锚杆自身因素、土体的强度、土中的水量和水中的离子成分。

（4）张拉锁定后的锚杆应力大概经历“急剧下降”“抬头”和“稳定”三个阶段；拉力分散型锚杆和锚杆二次张拉可以提高锚杆的预应力。

（5）设计软件实现了主动与被动土压力、基坑护坡桩嵌固深度、单排锚杆自由段、锚固段长度的自动计算功能，实现了自动绘图和设计报告自动输出的功能。

参考文献

1Benmorkane B, Chennouf A, Mitri H S. Laboratory evaluation of cement-based grouts andgrouted rock anchors[J]. Journal of Rock Mech. Min. Sci. & Geomech.1995, 32(7):633~642

2Chungsik Y. Behavior of braced and anchored wall in soils overlying rock[J]. Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(3):225~232

3Collin J G.Controlling sacrificial problems on reinforced steepened slopes[J]. Geotextiles andGeomembranes, 1996,14:125~140

4Evangelista A, Sapio G. Behaviour of ground anchors in stiff clays[A].In:Proceedings of the 9thInternational Conference on Soil.Mechanics and Foundation Engineering[C]. Tokyo:TheJapanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering,1977,39~47

5Hongyue Sun, Louis Ngai Yuen Wong. Systematic monitoring of the performance of anchorsystems in fractured rock masses. International Journal of Rock Mechanics & MiningSciences, 2010(47):1038~1045

6Jean L B, William F P, David E W. www.steelbee.net Grouted anchors have short tendon bond length[J]. Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 1998, 124(2): 110~120

7Kim NK. Performance of tension and compression anchors in weathered soil. J GeotechGeoenviron Eng. ASCE, 2003, 129(12):1138~50

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10PHILIPS S H E. Factors affecting the design of anchorages in rock. London: CementationResearch Ltd.1970