2.1.1锚杆构造
图2-1～图2-6是几种典型锚杆的结构构造。
图2-1永久性拉力型锚杆（Ⅰ级防护）
1—锚具；2—垫座；3—涂塑钢绞线；4—光滑套管；5—隔离架；6—无包裹钢绞线；7—波形套管；8—钻孔；9—注浆管；10—保护罩；11—光滑套管与波形套管搭接处（长度不小于200mm）
图2-2永久性拉力分散型锚杆（Ⅰ级防护）
1—锚具；2—垫座；3—涂塑钢绞线；4—光滑套管；5—隔离架；6—无包裹钢绞线；7—波形套管；8—钻孔；9—注浆管；10—保护罩；11—光滑套管与波形套管搭接处（长度不小于200mm）；L1、L2、L3—1、2、3单元锚杆的锚固段长度；Lf—4单元锚杆的自由段长度
图2-3永久性压力分散型锚杆
1—锚具；2—垫座；3—钻孔；4—隔离环；5—无黏结钢绞线；6—承载体；7—水泥浆体；8—注浆管；9—保护罩；L1、L2、L3、L4—1、2、3、4单元锚杆的锚固段长度；Lf—3单元锚杆的自由段长度
图2-4钢质胀壳中空注浆锚杆
1—中空锚杆杆体；2—钢质胀壳锚头；3—垫板；4—螺母；5—止浆塞
图2-5缝管锚杆
1—开缝钢管；2—挡环；3—垫板；a—管体外径；b—缝宽；t—管壁厚度
1—异型钢管杆体；2—钢管套；3—带注水管钢管套；4—垫板
2.1.2锚杆的规划与设置（1）单根锚杆设计拉力的确定单根锚杆的设计拉力应根据施工技术能力、岩土层分布情况等因素来确定。设计确定单根锚杆的设计拉力时不应过高，设计拉力较高时应选用单孔复合锚固型锚杆、扩孔锚杆等受力性能较好的锚杆。
（2）锚杆位置的确定锚杆的锚固区需要设置在主动土压力楔形破裂面以外，如图2-7所示。还应根据地层情况来确定锚杆的锚固区，以确保锚杆在设计荷载下正常工作。锚固段需设置在稳定的地层来保证有足够的锚固力。同时，如采用压力灌浆时，应使地表面在灌浆压力作用下不破坏，一般要求锚杆锚固体上覆土层厚度不得小于4m。
图2-7锚杆的长度
（3）锚固体设置间距锚杆间距需根据地层情况、锚杆杆体所能承受的拉力等进行经济比较后确定。间距过大，将增加腰梁应力，需增加腰梁断面；缩小间距，可使腰梁尺寸缩短，但锚杆会发生相互干扰，产生群锚效应，使极限抗拔力减小从而造成危险。现有的工程实例有缩小锚杆间距的倾向。因在锚杆较密集时，如果其中一根锚杆承载能力受影响，其所受荷载会向附近其他锚杆转移，锚杆系统整体所受影响较小，其受力还是安全的。
锚杆的水平间距不得小于1.5m，上下排垂直间距不得小于2m。如果工程需要必须设置更近，可考虑设置不同的倾角和锚固长度以避免群锚效应的影响。
（4）锚杆的倾角通常采用水平向下15°～25°倾角，不应大于45°。锚杆水平分力随锚杆倾角的增大而减小。倾角过大将降低锚固的效果，而且作用于支护结构上的垂直分力增加，可能导致挡土结构和周围地基的沉降。为有效利用锚杆抗拔力，最好使锚杆和侧压力作用方向平行。
锚杆的具体设置方向同可锚岩土层的位置、挡土结构的位置及施工条件等有关。锚杆倾角需避开与水平面的夹角为-10°～+10°这一范围，因为倾角接近水平的锚杆注浆后灌浆体的沉淀与泌水现象会影响锚杆的承载能力。
（5）锚杆的层数锚杆层数根据土压力分布大小、岩土层分布和锚杆最小垂直间距等而定，还应考虑基坑允许变形量与施工条件等综合因素。
在预应力锚杆结合钢筋混凝土支撑或钢支撑支护时，需考虑到预应力锚杆与钢筋混凝土支撑的水平刚度和承载能力的不同，尤其是锚杆与钢筋混凝土支撑的受力特性不同；锚杆能够先主动施加预应力，在围护桩（墙）变形前就可提供承载力以限制变形；而钢筋混凝土支撑是被动受力，在围护桩（墙）变形后使得支撑受压，支撑才会受力，阻止变形进一步发展。
（6）锚杆自由长度的确定锚杆自由长度的确定必须使锚杆锚固在比破坏面更深的稳定地层上，以确保锚杆系统的整体稳定性；使锚杆能在张拉荷载作用下有足够的弹性伸长量，不至于在使用过程中因锚头松动而引起预应力的明显减少。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）中规定锚杆自由长度不应小于5m并应超过潜在滑裂面1.5m。
（7）锚杆的安全系数锚杆设计中需考虑两种安全系数：对锚固体设计和对杆体筋材截面尺寸设计的安全系数。锚固体设计的安全系数应考虑锚杆设计中的不确定因素和风险程度，如岩土层分布的变化、施工技术可靠性、材料的耐久性以及周边环境的要求等。锚杆安全系数的取值取决于锚杆服务年限的长短及破坏后影响程度（表2-1）。
表2-1我国岩土预应力锚杆锚固体设计的安全系
（8）锚杆杆体筋材的设计锚杆杆体筋材通常用钢绞线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋。因其抗拉强度高，可降低钢材用量；钢绞线、钢丝运输安装方便，在狭窄空间也能够施工；强度高，而钢材的弹性模量差不多，所以张拉到设计值时的张拉变形大，使得因锚头松动等原因导致杆体变形减小时，由于变形减小部分占已变形部分的比例极小，预应力损失相对较小。
当锚杆承载力值较小或锚杆长度小于20m时，预应力筋也可选用HRB335级、HRB400级钢筋。
压力分散型锚杆和对穿型锚杆的预应力筋应采用无黏结钢绞线。无黏结钢绞线具有优异的防腐与抗震性能，它由钢绞线、防腐油脂涂层及聚乙烯或聚丙烯包裹的外层组成，是压力分散型锚杆的必用筋材。
锚杆预应力筋的截面面积可按下式设计：
式中Nt——锚杆轴向拉力设计值；
K——安全系数；
fptk——钢绞线、钢丝或钢筋的抗拉强度标准值；
A——锚杆杆体筋材的截面积。
2.1.3锚杆的设计（1）锚杆的应用应符合的规定
①锚拉结构宜采用钢绞线锚杆；承载力要求较低时，也可采用钢筋锚杆；当环境保护不允许在支护结构使用功能完成后锚杆杆体滞留在地层内时，应采用可拆芯钢绞线锚杆。
②在易塌孔的松散或稍密的砂土、碎石土、粉土、填土层，高液性指数的饱和黏性土层，高水压力的各类土层中，钢绞线锚杆、钢筋锚杆宜采用套管护壁成孔工艺。
③锚杆注浆宜采用二次压力注浆工艺。
④锚杆锚固段不宜设置在淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土及松散填土层内。
⑤在复杂地质条件下，应通过现场试验确定锚杆的适用性。
（2）锚杆的极限抗拔承载力应符合下式要求：
式中Kt——锚杆抗拔安全系数；安全等级为一级、二级、三级的支护结构，Kt分别不应小于1.8、1.6、1.4；
Nk——锚杆轴向拉力标准值，kN，按本节（3）条的规定计算；
Rk——锚杆极限抗拔承载力标准值，kN，按本节（4）条的规定确定。
（3）锚杆的轴向拉力标准值应按下式计算：
式中Nk——锚杆轴向拉力标准值，kN；
Fh——挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力，kN；按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）第4.1节的规定确定；
s——锚杆水平间距，m；
ba——挡土结构计算宽度，m；
α——锚杆倾角，（°）。
（4）锚杆极限抗拔承载力应按下列规定确定
①锚杆极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定，试验方法应符合《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）附录A的规定。
②锚杆极限抗拔承载力标准值也可按下式估算，但应通过《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）附录A规定的抗拔试验进行验证：
式中d——锚杆的锚固体直径，m；
li——锚杆的锚固段在第i土层中的长度，m；锚固段长度为锚杆在理论直线滑动面以外的长度，理论直线滑动面按本节（5）条的规定确定；
qsk，i——锚固体与第i土层的极限黏结强度标准值，kPa，应根据工程经验并结合表2-2取值。
表2-2锚杆的极限黏结强度标准值
注：1.采用泥浆护壁成孔工艺时，应按表取低值后再根据具体情况适当折减；
2.采用套管护壁成孔工艺时，可取表中的高值；
3.采用扩孔工艺时，可在表中数值基础上适当提高；
4.采用二次压力分段劈裂注浆工艺时，可在表中二次压力注浆数值基础上适当提高；
5.当砂土中的细粒含量超过总质量的30％时，表中数值应乘以0.75；
6.对有机质含量为5％～10％的有机质土，应按表取值后适当折减；
7.当锚杆锚固段长度大于16m时，应对表中数值适当折减。
③当锚杆锚固段主要位于黏土层、淤泥质土层、填土层时，应考虑土的蠕变对锚杆预应力损失的影响，并应根据蠕变试验确定锚杆的极限抗拔承载力。锚杆的蠕变试验应符合《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）附录A的规定。
（5）锚杆的非锚固段长度应按下式确定，且不应小于5.0m（图2-8）：
图2-8理论直线滑动面
1—挡土构件；2—锚杆；3—理论直线滑动面
式中lf——锚杆非锚固段长度，m；
α——锚杆倾角，（°）；
a1——锚杆的锚头中点至基坑底面的距离，m；
a2——基坑底面至基坑外侧主动土压力强度与基坑内侧被动土压力强度等值点O的距离，m；对成层土，当存在多个等值点时应按其中最深的等值点计算；
d——挡土构件的水平尺寸，m；
φm——O点以上各土层按厚度加权的等效内摩擦角，（°）。
（6）锚杆杆体的受拉承载力应符合下式规定：
N≤fpyAp（2-6）
式中N——锚杆轴向拉力设计值，kN，
按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）第3.1.7条的规定计算；
fpy——预应力筋抗拉强度设计值，kPa；当锚杆杆体采用普通钢筋时，取普通钢筋的抗拉强度设计值；
Ap——预应力筋的截面面积，m2。
（7）锚杆的布置应符合的规定
①锚杆的水平间距不宜小于1.5m；对多层锚杆，其竖向间距不宜小于2.0m；当锚杆的间距小于1.5m时，应根据群锚效应对锚杆抗拔承载力进行折减或改变相邻锚杆的倾角；
②锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4.0m；
③锚杆倾角宜取15°～25°，不应大于45°，不应小于10°；锚杆的锚固段宜设置在强度较高的土层内；
④当锚杆上方存在天然地基的建筑物或地下构筑物时，宜避开易塌孔、变形的土层。
（8）钢绞线锚杆、钢筋锚杆的构造应符合的规定
①锚杆成孔直径宜取100～150mm；
②锚杆自由段的长度不应小于5m，且应穿过潜在滑动面并进入稳定土层不小于1.5m；钢绞线、钢筋杆体在自由段应设置隔离套管；
③土层中的锚杆锚固段长度不宜小于6m；
④锚杆杆体的外露长度应满足腰梁、台座尺寸及张拉锁定的要求；
⑤锚杆杆体用钢绞线应符合现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224—2003/XG1—2008）的有关规定；
⑥钢筋锚杆的杆体宜选用预应力螺纹钢筋、HRB400、HRB500螺纹钢筋；
⑦应沿锚杆杆体全长设置定位支架；定位支架应能使相邻定位支架中点处锚杆杆体的注浆固结体保护层厚度不小于10mm，定位支架的间距宜根据锚杆杆体的组装刚度确定，对自由段宜取1.5～2.0m；对锚固段宜取1.0～1.5m；定位支架应能使各根钢绞线相互分离；
⑧锚具应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370—2007）的规定；
⑨锚杆注浆应采用水泥浆或水泥砂浆，注浆固结体强度不宜低于20MPa。
2.1.4锚杆杆体构造实例锚杆杆体构造如图2-9所示。其构造要点如下。
图2-9锚杆杆体构造图
①锚杆自由段应设置隔离套管以隔离锚杆杆体和浆液。
②导向帽材料可使用一般的金属薄板或相应的钢管制作。钢筋或钢绞线与导向帽需连接固定。
③隔离支架宜兼有对中和分隔作用，以保证使锚固段钢筋或钢绞线周围均有一定厚度的注浆体覆盖。隔离支架除图示构造外尚可采用齿轮状的型式。
④锚具应满足分级张拉、补偿张拉等张拉工艺要求，并具有能放松预应力筋的性能。锚具、夹具的性能应能符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接》（GB/T14370—2007）的规定。对于钢筋锚杆，锚头用螺母通过张拉锁定；对于钢绞线锚杆，锚头用锚具通过张拉锁定。
2.1.5梯形截面混凝土冠梁及腰梁构造实例梯形截面混凝土冠梁及腰梁构造如图2-10所示。其构造要点如下。
图2-10梯形截面混凝土冠梁及腰梁构造
①混凝土腰梁、冠梁宜采用斜面与锚杆轴线垂直的梯形截面。
②混凝土腰梁、冠梁的混凝土设计强度等级不宜小于C25；具体截面尺寸及配筋由计算确定。冠梁、腰梁箍筋可根据受力需要采用双肢箍或四肢箍等多肢箍。配筋见表2-3。
表2-3配筋表
③混凝土腰梁、冠梁斜面上应设置承压板，承压板的截面尺寸由计算确定。
④在钢筋混凝土腰梁下方应设置托架或在上方应设置吊筋。
2.1.6锚杆钢腰梁构造实例锚杆钢腰梁构造如图2-11所示。其构造要点如下。
图2-11锚杆钢腰梁构造
①本图中钢腰梁构件见表2-4。
表2-4钢腰梁构件表
②钢腰梁可采用型钢组合腰梁，型钢组合腰梁可选用双拼槽钢或双拼工字钢；对于双拼槽钢，其规格宜选用［18～［36；对于双拼工字钢，其规格宜选用[插图]16～[插图]32。
③双拼钢腰梁应通过缀板焊接为整体，缀板的尺寸及间距应根据在锚杆集中荷载作用下的局部受压稳定与受扭稳定计算确定，两相邻锚头之间不应少于1块；焊缝高度不应小于8mm。
④锚头承压板开洞d根据锚杆杆体的直径确定，其宽度B应满足局部承压要求，且不少于200mm。
2.1.7锚杆台座构造实例锚杆台座构造如图2-12所示。其构造要点如下。
图2-12锚杆台座构造
①本图表示锚杆直接锁定在台座上的连接节点构造，台座可采用混凝土台座或钢台座。
②混凝土台座截面由正截面、斜截面承载力计算确定，应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）的规定。
③钢台座由斜铁垫板、斜铁以及斜铁盖板组成。
④钢台座与排桩、地下连续墙的间隙应采用混凝土充填，且宜采用细石混凝土，其混凝土强度等级不应小于排桩、地下连续墙混凝土的强度等级且不宜小于C30。
⑤围护墙内的预埋钢筋数量及长度应根据计算确定。配筋见表2-5。
表2-5配筋表
⑥斜铁垫板开洞D根据锚杆钻杆直径确定，锚头承压板和斜铁盖板开洞d根据锚杆杆体的直径确定。
2.1.8某文化城基坑工程锚杆支护应用实例某文化城基坑开挖面积为73000m2，开挖深度为13.2～15.075m。拟建场地的上部19m为稍密-中密的粉砂土，渗透性良好。设计根据不同的周围环境条件分别使用相应的围护结构，其中东北面采用全套管钻孔咬合桩（贝诺特工法）结合上部两道预应力锚杆与下部一道钢筋混凝土支撑支护，图2-13为该区域的围护剖面。
图2-13全套管钻孔咬合桩结合上部两道预应力锚杆、下部一道钢筋混凝土支撑围护剖面图
拉力分散型锚杆设置在素混凝土桩位置，水平向间距1.5m，孔径150mm，根据受力大小选择4根或5根直径为15.24mm、fptk为1860MPa的钢绞线、锚固长度为18m的锚杆，它的设计极限抗拔力为630kN。
使用YX-1型钻机钻孔，泥浆护壁，泥浆中掺入适量膨润土。先用150mm合金钻头在素混凝土桩上开孔，打穿素混凝土桩后改用150mm三翼钻头钻孔。
其中东南面采取全套管钻孔咬合桩结合四道预应力锚杆支护。施工最下一排锚杆时，坑外侧的自流深井仅能将水位降至地面下10m，最下一排锚杆在水位下约1.5m，需在水下成孔。素混凝土桩上开孔后，在桩的钻孔内下入套管，同时向孔外接长套管，套管内注水，使得套管口的水位标高高于地下水位标高后再进行钻孔施工，防止钻孔发生流砂、塌孔。
使用水灰比为0.5的纯水泥浆二次注浆，待一次注浆体的强度达到5MPa（约需40h）后方可进行二次注浆。实际施工时，二次注浆压力只能达到1.20～1.50MPa，远低于原设计需要的2.5～3.0MPa，且注浆水泥用量达500～600kg后仍可注入，施工难以进行。经过现场多次试注后确定注浆水泥量改为按200kg/根控制，注浆压力作为参考。经试验极限抗拔力满足设计规定，最大位移为35～50mm。
张拉控制荷载是0.6倍极限抗拔力（约为基坑围护设计计算所需提供抗拔力的0.75倍），正式张拉前先使用0.5倍张拉控制荷载预张拉二次，然后张拉至控制荷载锁定。
监测结果表明，基坑施工期间各排锚杆的拉力值变化极小。可见锁定荷载不应定得太高，宜取0.7倍计算值左右，以调节计算偏差和由于施工、使用过程中引起的锚杆拉力增大。
2.1.9锚杆支护应用实例某高速公路C5合同段属于低山-丘陵区，山势较陡，地形起伏较大，相对高差100～150m，冲沟、洼地发育。需防护的边坡在深挖方区，挖方高度30～60m，分为3～6个台阶，每个台阶高度均10m，平台宽度2～3m。底部两个台阶坡度1:0.25，第三个台阶以上坡度都是1:0.75。基岩为强风化千枚状板岩，构造和节理裂隙发育，暴露后极易产生顺层滑坡。
（1）锚杆防护设计方案
①每级边坡设置3排锚杆，纵横间距3m×3m。上排锚杆距每级边坡上端2m，下排锚杆距每级边坡下端2m，如图2-14所示。锚杆长度从底层边坡向上层边坡依次为20m、23m、26m、29m。锚固长度不小于10m，如图2-15所示。
图2-14锚杆立面示意图
图2-15锚杆剖面示意图
②预应力锚杆使用4ф15.24高强度低松弛钢绞线，强度为1860MPa。每根锚杆预应力设计值为500kN。
③锚杆注浆采用自孔底向上注浆技术。注浆用强度不小于M30的水泥浆在1～2MPa的压力下进行。
（2）施工工艺边坡开挖→坡面清理→确定孔位→成孔→锚杆加工和安装→浆塞制作→压力注浆→锚梁施工→预应力张拉与锁定→锚杆喷射混凝土施工。
①边坡开挖。边坡开挖用挖土机从上向下进行。为方便锚杆施工，对同一级边坡可先挖至上排锚杆处，进行上排锚杆施工，并尽快用锚杆喷射混凝土封闭边坡表面，以免边坡长期暴露。待上排锚杆张拉后再开挖至中间排锚杆位置，依次施工。
②坡面清理。清除已开挖坡面上的松动石块，避免坠落伤人。对边坡局部不符合设计坡度处用人工进行调整。
③确定孔位。根据设计图纸上的尺寸确定锚杆孔的位置，并用油漆在坡面上做标记。注意锚杆孔位在水平方向与垂直方向均应保持直线，如图2-16所示。
图2-16自由段锚杆黄油防锈及保护示意图
④成孔。在做好标记的孔位上搭脚手架，使用MD50型液压锚杆钻机钻孔。钻机上配有110型冲击器，用1台22m3/min高压空压机供风。钻头直径130mm，钻杆直径70mm，钻杆与水平面呈15°夹角，误差不超过2°。钻孔过程中随时开动空压机将孔内钻渣吹出孔外，直至设计深度。
⑤锚杆加工和安装。将成盘包装的钢绞线展开后，按锚杆下料长度用砂轮锯切割。将4根相同长度的钢绞线排列整齐，里端套上用短钢管加工的尖状导向头，方便穿进孔内。锚杆锚固段的扩张件（用10mm厚钢板制作）与紧固件（用铁丝绑扎）按1m间距间隔布置。扩张件及紧固件安装后在锚杆外表面包裹细铁丝防护网。自由段定中件（用钢筋加工而成）间距为1m。钢绞线除锈后在支架中穿入ф30的PVC注浆管。在自由段锚杆钢绞线外表面涂优质黄油，外包土工布后，套上ф70的PVC套管（图2-16）。在自由段与锚固段分界处用热缩带捆扎，锚杆加工后由人工送入已吹渣干净的锚孔。
⑥浆塞制作。孔口注浆塞用无纺布制作，如图2-17所示。外形为一套在锚杆自由段ф70PVC套管上的环形袋，长度为2m，采用0.2～0.4MPa的压力将注浆塞注满水泥浆，待其强度达到20MPa后方可进行锚杆高压注浆。
图2-17注浆塞制作示意图
⑦压力注浆。水泥浆根据配合比搅拌均匀后，用压浆泵对注浆管进行压力注浆，注浆自孔底向外进行，压力维持在1～2MPa，待排气孔喷出水泥浆后停止注浆。
⑧锚梁施工。直接在坡面上按设计尺寸挖锚梁基槽，然后捆扎钢筋，安装锚垫板，支模板，浇筑锚梁混凝土。施工锚梁时需使锚垫板中间的孔洞位置准确且与锚杆垂直，维持锚杆顺直并位于锚梁中间。锚梁应平直、美观。
⑨预应力张拉与锁定。当锚梁混凝土强度达到设计要求后。即可对锚杆施加预应力。张拉用的千斤顶与油压表应经过标定，张拉时应按每级100kN分级进行加载，每级加载后持续5min。锚杆张拉至设计荷载的1.05倍后持续5min，然后按设计值锁定。锁定后用砂轮锯从距锚具外边缘50mm处切除多余钢绞线，同时用C20混凝土包封锚头。
⑩锚杆喷射混凝土施工。锚杆施工完后，清理锚梁中间的边坡，然后施工锚杆喷射混凝土，封闭坡面。喷射混凝土与锚梁顶面平齐，保证坡面排水通畅。
（3）使用效果采取锚杆支护技术防护深挖方强风化基岩顺层永久性边坡，有效地提高了边坡整体稳定性及外露基岩的抗风化能力，防止了边坡塌方与顺层滑坡，确保了高速公路施工期间施工人员、机械设备和交工投入使用后行驶车辆的安全，创造了良好的经济效益和社会效益。
