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1、5 预应力锚杆与锚索支护技术预应力锚杆与锚索支护技术5 预应力锚杆与锚索支护技术预应力锚杆与锚索支护技术v5.1 概述概述5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构v5.2 预应力锚杆和锚索结构与材料预应力锚杆和锚索结构与材料5.2.1 预应力锚索与普通锚杆的区别预应力锚索与普通锚杆的区别5.2.2 索体材料与结构索体材料与结构5.2.3 其它构配件其它构配件v5.3 预应力锚索支护参数设计预应力锚索支护参数设计5.3.1 锚索作用的基本原理及其破坏形式锚索作用的基本原理及其破坏形式 5.3.2 锚索设计锚索
2、设计v5.4 预应力锚杆和锚索施工及其施工机具预应力锚杆和锚索施工及其施工机具5.4.1 预应力锚索施工程序预应力锚索施工程序5.4.2 预应力锚索施工中的一些技术问题预应力锚索施工中的一些技术问题5.4.3 预应力锚索施工机具预应力锚索施工机具5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念v（1 1）基本概念）基本概念预应力锚杆预应力锚杆就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线材作就是施加有预应力的锚杆。如采用钢绞线、钢丝等线材作锚杆材料，并施加预应力，则被称为锚杆材料，并施加预应力，则被称为锚索锚索。预应力锚固预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称，是在预应力混是预
3、应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称，是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力，从而达大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力，从而达到加固或改善其受力条件的目的。到加固或改善其受力条件的目的。所谓所谓主动的预应力主动的预应力，就是在基岩或建筑物产生变形之前，就已在发挥，就是在基岩或建筑物产生变形之前，就已在发挥作用的锚固力。作用的锚固力。预应力锚固的预应力锚固的结构型式结构型式各异，但均由各异，但均由锚孔锚孔、锚束锚束两个部分两个部分组成组成
4、。锚孔锚孔是设置锚束的钻孔，是设置锚束的钻孔，锚束锚束是施加预应力的主体。是施加预应力的主体。v锚束锚束由锚头（又称外锚头）、锚束体（即锚束的自由段）及锚固段（又称由锚头（又称外锚头）、锚束体（即锚束的自由段）及锚固段（又称锚根或内锚头锚根或内锚头) )等三个部分组成。等三个部分组成。v锚固段锚固段是预应力锚索的根基，是锚固在锚孔底部的非张拉段；是预应力锚索的根基，是锚固在锚孔底部的非张拉段；v锚头锚头位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分，属非张拉段；位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分，属非张拉段；v自由段自由段是联接锚头与锚固段的部分，承受预应力张拉所施加的全部荷载。是
5、联接锚头与锚固段的部分，承受预应力张拉所施加的全部荷载。5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念v（2 2）锚索技术的历史）锚索技术的历史最早是在最早是在20世纪世纪初期（初期（1918年）用于西里西安矿山。年）用于西里西安矿山。30年代年代（1934年）年）阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法水坝。阿尔及利亚工程师将预应力岩石锚杆技术用于舍尔法水坝。70年代年代，预应力锚固技术的应用已经相当普遍，有了专门的理论、设计方法和预应力锚固技术的应用已经相当普遍，有了专门的理论、设计方法和施工设备机具。施工设备机具。应用范围应用范围：在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、
6、地下洞室、：在工业与民用建筑、桥梁、矿山、高陡边坡、地下洞室、坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为一种常用坝基、水闸墩基工程以及建筑物的维护与补强等方面已成为一种常用的经济有效的手段，其理论与技术、工程规模都相对成熟。的经济有效的手段，其理论与技术、工程规模都相对成熟。我国我国起始于起始于20世纪世纪60年代，年代，70年代后被广泛推广应用。当前，随岩土年代后被广泛推广应用。当前，随岩土工程规模的越来越大，国内的预应力锚固技术也达到了较高水平。工程规模的越来越大，国内的预应力锚固技术也达到了较高水平。5.1.1 预应力锚杆和锚索的概念预应力锚杆和锚索的概念v（3 3）预应力锚索
7、的特点）预应力锚索的特点1）在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中，可增加边坡稳定，减少开挖工程量，）在高边坡基础开挖与隧洞洞脸开挖中，可增加边坡稳定，减少开挖工程量，提前进洞，大大缩短开挖工期。提前进洞，大大缩短开挖工期。2）在坝基、岸坡抗滑稳定加固中，可在不扰动基岩，不影响水库运行的前提）在坝基、岸坡抗滑稳定加固中，可在不扰动基岩，不影响水库运行的前提下，提供可靠的抗滑力。下，提供可靠的抗滑力。3）在大坝加高、加固中，可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电站运）在大坝加高、加固中，可在不放空水库、不影响坝区已有布置及水电站运行的情况下，达到加高、加固坝体，改善坝体应力的目的。行的情况下，达到加
8、高、加固坝体，改善坝体应力的目的。4）可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷，可将过大的集中荷载分散到较大的范）可较好地修补混凝土的裂缝或缺陷，可将过大的集中荷载分散到较大的范围内。围内。5）可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力坝还）可不增加自重而提高坝体或其他建筑物的抗震、抗冲击性能。预应力坝还可以用预应力锚索代替部分混凝土压重，减少混凝土数量，改善坝体结构型可以用预应力锚索代替部分混凝土压重，减少混凝土数量，改善坝体结构型式及施工条件，从而缩短工期、降低造价，使设计断面更加合理。式及施工条件，从而缩短工期、降低造价，使设计断面更加合理。6）在大型洞室的支护中，既可以改善洞室
9、围岩的受力条件，又能加固洞室、）在大型洞室的支护中，既可以改善洞室围岩的受力条件，又能加固洞室、治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工，因此，在大型洞室喷锚支护中治理边坡、处理坍方、优化设计、方便施工，因此，在大型洞室喷锚支护中占有越来越重要的位置。占有越来越重要的位置。总之，预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优点，总之，预应力锚索具有设计合理、施工简便、效益显著、经济可行等优点，这些独特的优点，使其在国内外都得到广泛的应用。这些独特的优点，使其在国内外都得到广泛的应用。5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构v可根据锚索锚固部分的受力状态将
10、预应力锚索分为：张拉型（拉力型）、可根据锚索锚固部分的受力状态将预应力锚索分为：张拉型（拉力型）、压力型、载荷分散型等压力型、载荷分散型等3类。类。v（1）张拉型锚索）张拉型锚索张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式，即张拉型锚索的锚固类似于普通端头锚固锚杆。它有两种锚固形式，即水泥浆液、水泥砂浆或树脂的水泥浆液、水泥砂浆或树脂的粘结式锚固粘结式锚固与与机械式锚固机械式锚固。所谓所谓张拉型锚索张拉型锚索，就是锚索体所施，就是锚索体所施 加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂加的预应力对砂浆、水泥浆或树脂 固结体产生张拉力作用，从而对围固结体产生张拉力作用，从而对围 岩实施主动支护作用
11、。岩实施主动支护作用。张拉型锚索根据张拉段是否粘结分张拉型锚索根据张拉段是否粘结分 为全长粘结式和自由式。但全长锚为全长粘结式和自由式。但全长锚 结是经过端头锚固、张拉和二次注结是经过端头锚固、张拉和二次注 浆的过程。浆的过程。张拉型锚索结构简单，造价低。张拉型锚索结构简单，造价低。1 2 3 4 5 6 7 8 锚头锚头 张拉段张拉段 锚固段锚固段图图5-1 张拉型锚索结构张拉型锚索结构1-1-锚具；锚具；2-2-垫墩；垫墩；3-3-面层结构；面层结构；4-4-油脂；油脂；5-5-套管；套管；6-6-锚索体；锚索体；7-7-注浆体；注浆体；8-8-对中架对中架5.1.2 预应力锚索的分类与锚
12、索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固，因此，容易在自张拉型锚索靠锚索体对固结体的张拉作用实现锚固，因此，容易在自由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂（剪裂缝由段与粘结段界面出现应力集中使锚索与固结材料发生开裂（剪裂缝一般在粘结段一般在粘结段1m范围内出现，张拉裂缝会在范围内出现，张拉裂缝会在13m的范围出现），甚的范围出现），甚至会由此而导致整体锚索失效。至会由此而导致整体锚索失效。v（2）压力型锚索）压力型锚索压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的压力型与拉力型锚索在结构上存在明显的区别区别，一方面压力型锚索的，一方面压力型锚索的
13、拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预应力，从拉力是通过锚索底部的端部压板对浆液固结体的压力实现预应力，从而产生对围岩的约束作用；另一方面，压力型锚索的自由段套管一直而产生对围岩的约束作用；另一方面，压力型锚索的自由段套管一直沿伸到端部压板附近。沿伸到端部压板附近。由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和由于浆液固结体的抗压性能要比抗拉和 抗剪性能好得多，且受力范围也更大，抗剪性能好得多，且受力范围也更大， 因此压力型锚索的受力状况要比拉力型因此压力型锚索的受力状况要比拉力型 更好，工作更可靠。同时，这种结构可更好，工作更可靠。同时，这种结构可 以一次完成全部长度的灌浆工作。以一次完成
14、全部长度的灌浆工作。 1 2 3 4 5图图5-2 5-2 压力型锚索结构压力型锚索结构1-对中架，对中架，2-注浆体，注浆体，3-套管，套管，4-端部压板，端部压板，5-锚索体锚索体5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构v（3）载荷分散型锚索）载荷分散型锚索预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利，采用在锚索孔预应力作用的过分集中对固结体以及岩土体受力不利，采用在锚索孔长度上将锚索预应力分散，这样就形成了长度上将锚索预应力分散，这样就形成了荷载分散型荷载分散型锚索结构。锚索结构。该法对裂隙发育或土质松软的地层非常有利，可避免固结体及岩土体该法对裂隙发育
15、或土质松软的地层非常有利，可避免固结体及岩土体强度不足而造成的破裂，同时，可减小加固范围内的岩土体因受预应强度不足而造成的破裂，同时，可减小加固范围内的岩土体因受预应力作用而引起的不均匀变形。力作用而引起的不均匀变形。荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。荷载分散型锚索可分为压力分散和拉力分散与拉压分散型等几种。v拉力分散型拉力分散型锚索只是将几根长短不等的锚索体，采用和拉力型锚索的结构锚索只是将几根长短不等的锚索体，采用和拉力型锚索的结构一样，锚固在锚孔中的不同长度位置上，使预应力分散作用于不同深度的一样，锚固在锚孔中的不同长度位置上，使预应力分散作用于不同深度的岩土体上
16、。岩土体上。v压力分散型压力分散型锚索有相同的概念，将锚索的端部压板固定在长度不同的锚索锚索有相同的概念，将锚索的端部压板固定在长度不同的锚索体上，在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。体上，在实现压力传递预应力过程中起分散载荷的作用。v剪力分散型剪力分散型锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结，然后固结在锚索结构是在无粘结钢绞线末端用环氧树脂粘结，然后固结在水泥砂浆或水泥浆中。水泥砂浆或水泥浆中。v拉压交叉分散型拉压交叉分散型锚索是在一根钢绞线的端部，做成拉力式锚固结构，而在锚索是在一根钢绞线的端部，做成拉力式锚固结构，而在其余部分设置套管，并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中长短不同的其余部分设置套管，并在套管端部位置安设承压板。锚索孔中长短不同的锚索体采用相同结构，形成拉压分散型结构。锚索体采用相同结构，形成拉压分散型结构。5.1.2 预应力锚索的分类与锚索基本结构预应力锚索的分类与锚索基本结构（b）（a）（a） 不同结构锚索长度上的应力分布是不不同结构锚索长度上的应力分布是不同的。其中同的。其中拉力式锚索拉力式锚索在受到预应力时在受到预应力时的应力集中最为不利；的应力
