❶ 锚杆与锚索
1.锚杆（索）的种类与结构
锚杆是将拉力传至稳定岩土层的构件，当采用钢绞线或高强钢丝束作杆件材料时，也可称为锚索。锚固于土层中的锚杆称为土层锚杆；锚固于岩层中的锚杆称为岩层锚杆。施加了预应力的锚杆称为预应力锚杆；未施加预应力的锚杆称为非预应力锚杆。此外，锚杆的分类还有以下几种主要方法。
1）按拉杆材料分为：木锚杆和金属锚杆；
2）按锚头类型分为：机械型（锲缝式、内胀式）、胶结型（灌浆式、树脂式）；
3）按照控制变形的施工方法分为：普通锚杆和预应力锚杆；
4）按使用年限分为：临时性锚杆和永久性锚杆。
在边坡崩塌或危岩体的锚固施工中，使用最多的是摩擦型灌浆锚杆。灌浆锚杆是指用水泥砂浆将一组钢拉杆锚固在伸向地层内部的钻孔中，并承受拉力的柱状锚体。灌浆锚杆的钻孔方向一般沿水平向下倾斜10°～45°，施工时钻孔的深度必须超过滑动面的埋深，并在稳定的岩土层中达到足够的有效锚固长度。习惯称锚杆末端锚入岩土层内的有效锚固段所能承受的最大拉力为锚固段的极限抗拔力。影响灌浆锚杆抗拔能力的主要因素是砂浆的握裹能力。因此为了保证灌浆锚杆的可靠性，必须调查清楚边坡岩土体的基本特征，依据岩土性质设计锚杆的参数。灌浆锚杆的组成如图2－14所示。
2.锚固作用的原理
锚杆是由锚固体、拉杆和锚头3部分组成。构筑物或其他作用力传给锚杆头部后，由拉杆将来自锚杆头部的拉力传递给锚固体，锚固体再通过摩擦阻力传给岩土层。
锚杆的受力分析如图2－15所示。锚杆所受的力主要有：①拉力（T）；②砂浆的握裹力（μ）；③地层摩擦阻力（τ）。其中，Ti＝PiA（Pi为钢筋单位截面上的应力；A为钢筋的截面积）。
图2－14 灌浆锚杆组成示意图
图2－15 灌浆锚杆受力状态示意图
锚杆的抗拔作用需要满足的条件为：①锚固段的砂浆对于钢拉杆的握裹力需能承受极限拉力；②锚固段岩土层对于砂浆的摩擦力需能承受极限拉力；③锚固岩土体在最坏的条件下仍能保持整体的稳定性。
（1）砂浆对于钢拉杆的握裹力
锚杆的抗拔能力除与有效锚固长度有关外，还与锚杆直径、砂浆对于钢筋的平均握裹应力等因素有关。需满足以下关系式：
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式中：Tu为锚杆的极限抗拔力或砂浆对钢拉杆的握裹力（kN）；d为钢拉杆的直径（m）；Le为锚杆的有效锚固长度（m）；μ为砂浆对于钢筋的平均握裹应力（kN/m2）。
钢筋的单位面积握裹力，由下式计算：
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式中：Ti、Ti＋1分别为第i、i＋1截面处的拉应力（kN）；μi为第i锚固段砂浆对于钢筋的平均握裹应力（kN/m2）；Li为第i锚固段的长度；其他符号意义同前。
由于锚固受力复杂，实际工作中，一般在计算值的基础上提高10％～20％。设锚杆钢筋的极限拉应力为Ns，则可按下式计算出锚杆所需的最小锚固长度：
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式中：Lemin为最小锚固长度；其他符号意义同前。
（2）锚固段岩土层对于砂浆的摩擦力
锚杆的极限抗拔能力取决于锚固段岩土层对于砂浆所产生的最大摩擦力。计算公式为
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式中：Tu为柱状锚体的极限抗拔力（kN）；D为锚杆钻孔的直径（m）；Le为锚杆的有效锚固长度（m）；τ为锚固段周边的抗剪强度（kPa）。
锚固段孔壁的抗剪强度就是孔壁的破坏强度。造成破坏的原因有3种：①砂浆接触面外围的岩层剪切破坏；②沿着砂浆与孔壁的接触面剪切破坏；③接触面内砂浆的剪切破坏。
对于土层锚杆来说，土层的强度一般低于混凝土砂浆的强度，因此土层抗剪强度的计算公式为
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或
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式中：γ为锚固区土层的重度（kN/m3）；c为锚固区土层的粘聚力（kPa）；为土的内摩擦角（°）；σ为孔壁周边法向应力（kPa）；h为锚固段以上的地层覆盖厚度（m）；K0为锚固段孔壁的土压力系数，一般取为1；其他符号意义同前。
3.锚杆（索）设计
（1）锚杆（索）材料类型
锚杆（索）常用的材料类型为普通钢筋（HRB335、HRB400（Ⅱ级、Ⅲ级））、精轧螺纹钢筋、高强钢丝或钢绞线。我国常用的锚拉材料为精轧螺纹粗钢筋，直径为Φ22～32mm。近年来，也采用45SiMnV高强度钢材，直径为Φ25mm，另外不少也使用钢绞线、钢丝束。各种材料类型锚杆的选取见表2－12。
表2－12 锚杆（索）选型
钢绞线或精轧螺纹钢筋的力学性能见《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2002）附录E。边坡变形控制严格或边坡施工期稳定性很差时宜采用预应力锚杆。
（2）锚杆（索）计算
锚杆（索）轴向拉力设计值按下式计算：
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式中：Na为锚杆（索）轴向拉力设计值（kN）；NaK为锚杆（索）轴向拉力标准值（kN）；γα为荷载分项系数，取1.3，当可变荷载较大时，按荷载规范确定。
锚杆（索）轴向拉力标准值按下式计算：
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式中：NaK为锚杆（索）轴向拉力标准值（kN）；Htk为锚杆（索）所受水平拉力标准值（kN）；α为锚杆（索）倾角（°）。
锚杆钢筋截面积应满足下式要求：
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式中：As为锚杆钢筋或预应力钢绞线截面积（m2）；ξ2为锚杆钢筋抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69，临时性锚杆取0.92；γ0为边坡工程重要性系数；fy为锚杆钢筋或预应力钢绞线抗拉强度设计值（kPa）；其他符号意义同前。
锚杆锚固段长度除应同时满足地层对砂浆的粘结力和砂浆对钢筋的握裹力要求外，还应满足构造设计规定的最小锚杆锚固长度的要求。
锚杆锚固体与地层的锚固长度应满足下式要求：
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式中：La为锚固段长度（m）；D为锚固体直径（m）；frb为地层与锚固体粘结强度特征值（kPa），宜通过试验或当地经验确定，当无试验资料时，可按表2－13和表2－14选取；ξ1为地层与锚固体粘结工作条件系数，永久性锚杆取1.00，临时性锚杆取1.33；其他符号意义同前。
表2－13 岩石与锚固体粘结强度特征值
注：表中数据适用于注浆强度等级为M30；表中数据仅适用于初步设计，施工时应通过试验检验；岩体结构面发育时，取表中下限值；表中岩石类别根据天然单轴抗压强度（fr）划分：fr<5MPa为极软岩，5MPa≤fr<15MPa为软岩，15MPa≤fr<30MPa为较软岩，30MPa≤fr<60MPa为较硬岩，fr≥60MPa为硬岩。
表2－14 土体与锚固体粘结强度特征值
注：表中数据适用于注浆强度等级为M30；表中数据仅适用于初步设计，施工时应通过试验检验。
锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度应满足下式要求：
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式中：La为锚固段长度（m）；D为锚筋直径（m）；n为锚筋根数（根）；fb为锚筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（kPa），宜通过试验或当地经验确定，当无试验资料时，可按表2－15选取；ξ3为锚筋与锚固砂浆粘结强度工作条件系数，永久性锚杆取0.60，临时性锚杆取0.72；其他符号意义同前。
表2－15 锚筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值（单位：MPa）
注：当采用两根钢筋点焊成束方法时，粘结强度应乘以0.85折减系数；当采用3根钢筋点焊成束方法时，粘结强度应乘以0.7折减系数；成束钢筋的根数不应超过3根，钢筋截面总面积不应超过锚孔面积的20％。当锚固段钢筋和注浆材料采用特殊设计，并经试验验证锚固效果良好时，可适当增加锚筋用量。
自由段无粘结的非预应力岩石锚杆的受拉变形基本上是自由段钢筋的弹性变形，其水平变形值由下式计算：
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式中：δb为锚杆水平变形值（m）；Htk为锚杆所受水平拉力标准值（kN）；Kb为锚杆水平刚度系数（kN/m）。
锚杆水平刚度系数宜由锚杆试验确定。当无试验资料时，自由段无粘结的非预应力岩石锚杆的水平刚度系数可由下式计算：
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式中：A为锚杆截面面积（m2）；Lf为锚杆自由段长度（m）；Es为杆体弹性模量（kPa）；其他符号意义同前。
预应力岩石锚杆和全粘结岩石锚杆的受拉变形可忽略不计。
4.锚杆构造要求
1）锚杆总长度为锚固段、自由段和外锚段的长度之和。锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑动面的长度计算，预应力锚杆自由段长度应不小于5m，且应超过潜在滑动面。
2）土层锚杆锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；岩石锚杆锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45D和6.5m（对拉力型锚杆），或55D和8m（对预应力锚索）。当计算锚杆锚固段长度超过上述数值时，应采取扩大锚固段直径等技术措施，以提高锚固力。
3）锚杆隔离架（或称对中支架）应沿锚杆轴线方向每隔1～3m设置一个，对土层应取小值，对岩层可取大值。
4）当锚固段岩体破碎、渗水量大时，宜在锚杆施工前对岩体作固结灌浆处理。
5）锚杆外锚头、台座、腰梁和辅助件等的设计，应符合现行有关标准的规定。
6）永久性锚杆的防腐处理可采取以下做法：①非预应力锚杆的自由段位于土层中时，可采取除锈、刷沥青船底漆、沥青玻纤布缠裹（层数不少于2层）；②对采用钢绞线、精轧螺纹钢制作的预应力锚杆（索），其自由段可按上述处理后装入套管中；自由段套管两端100～200mm长度范围内用黄油充填，外绕扎工程胶布固定；③对位于无腐蚀性岩土层内的锚固段应除锈，砂浆保护层厚度不应小于25mm；④位于具腐蚀性岩土层内锚杆的锚固段及非锚固段，均应采取特殊防腐处理；⑤经过防腐处理后，非预应力锚杆的自由段外端应埋入钢筋混凝土构件内50mm以上；对预应力锚杆，其锚头的锚具经除锈、涂防腐漆三度后应用钢筋网罩，现浇混凝土封闭，混凝土强度等级不应低于C30，厚度不应小于100mm，混凝土保护层厚度不应小于50mm。
7）临时性锚杆的防腐蚀可采取以下做法：①非预应力锚杆的自由段，可采取除锈后刷沥青防锈漆处理；②预应力锚杆的自由段，可采取除锈后刷沥青防锈漆或加套管处理；③外锚头可采用外涂防腐材料或外包混凝土处理。