一、概述

岩土工程的研究對象是複雜地質體，在漫長的地質年代裡，由于地質構造運動、自然風化和人類活動等作用，形成了大量諸如斷層、層理、節理、軟弱夾層、溶溝、溶槽等地質缺陷。在一定的時間和條件下，岩土體可能處于相對穩定的平衡狀态；若條件改變，原有的平衡狀态就可能遭到破壞，如在岩土工程開挖與施工過程中，其原有應力場重新分布，從而導緻岩土體發生變形，進而産生坍落、塌陷、岩崩、滑坡及地面沉降等地質災害。

為預防和治理此類災害，工程上常将一種受拉杆件埋入岩土體，用以調動和提高岩土體的自身強度和自穩能力，這種受拉杆件稱為錨杆或錨索(以下統稱為錨杆)，其所起的作用即為錨固。運用數學、力學和工程材料等科學知識解決岩土工程中的錨固設計、計算、施工和監測等方面問題的技術和工藝稱為錨固工程。

二、錨杆類型

邊坡工程中使用的錨杆是一種安設在岩土層深處的受拉杆件，其一端與工程構築物相連，另一端錨固在岩土層中，必要時需對其施加預應力，以承受岩土壓力、水壓力或風荷載等所産生的拉力，再将拉力傳遞到深部穩定岩土層中，達到有效承受結構荷載及防止邊坡變形失穩的目的。

預應力是人為對錨杆施加的張應力，從而對邊坡施加主動壓力。因此，預應力錨杆不同于非預應力錨杆，後者隻有當岩土體産生變形時才承受張力，且張力随位移增大而增大，故這種張力主要隻對變形體起懸吊作用。所以，預應力錨杆屬于主動加固措施，而非預應力錨杆屬于被動加固措施。在邊坡錨固工程中，前者比後者應用更為廣泛。

工程上常按以下方法分類：

(1) 按應用對象劃分，包括岩石錨杆、土層錨杆；(2) 按是否預先施加應力劃分，包括預應力錨杆、非預應力錨杆；(3) 按錨固機理劃分，包括黏結式錨杆(水泥砂漿錨杆、樹脂錨杆)、摩擦式錨杆(縫管式、水脹式及楔縫式錨杆)、端頭錨固式(機械式)錨杆和混合式錨杆；(4) 按錨固體傳力方式及荷載分布條件劃分，包括壓力型錨杆、拉力型錨杆、壓力分散型錨杆和拉力分散型錨杆；(5) 按錨固部分大小劃分，包括全長錨固式錨杆和端部錨固式錨杆；(6) 按錨固體形态劃分，包括圓柱型錨杆、端部擴大型錨杆和連續球型錨杆。

圓柱型錨杆

結構簡單、制造安裝方便，黏結材料通常為水泥砂漿，适用于黏性土、砂土、粉砂土等相對密度較大且含水量較小、抗剪強度相對較高的土層或設計承載力較低的岩層。

端部擴大型錨杆

在錨杆底部把孔徑擴大，形如一倒埋的銷釘，其不僅可提供黏結力，端頭肩部還能增加岩土體對錨杆抗拔的阻力，從而提高錨杆的錨固力和極限抗拔力。該類錨杆主要适用于松軟土層，并要求其具有較高承載力。

連續球型錨杆

通過分段擴張法或分段高壓注漿法使錨杆錨固段形成一連串球狀體，使之與周圍土體有更高的嵌固強度。該類錨杆适用于淤泥、淤泥質土層，并要求較高錨固力的情況。

對于風化岩及土質邊坡，拉力分散型和壓力分散型錨杆(統稱為荷載分散型錨杆)應用較為廣泛。拉力型錨杆指受力時錨固段注漿體處于受拉狀态的錨杆，其主要特點是錨杆受力時錨固段漿體受拉并通過漿體将拉力傳遞至周圍地層，結構簡單，目前使用範圍最廣。壓力型錨杆指受力時錨固段注漿體處于受壓狀态的錨杆，其主要特點是利用承載體使錨杆受力時錨固段漿體受壓，并通過漿體将拉力傳遞至周圍地層，防腐性能較好，但由于注漿體承壓面積受到鑽孔直徑的限制，故不能得到高承載力的錨杆。

荷載分散型錨杆也稱單孔複合錨杆，指在一個鑽孔中，由若幹拉力型或壓力型單元錨杆組合而成的複合錨固體系，其能将錨固力分散作用于錨杆總錨固段的不同部位(即各單元錨杆的錨固段)上。主要包括拉力分散型錨杆和壓力分散型錨杆兩種，其工作時能充分利用地層固有強度，其承載力随錨固段長度增加成比例提高。

拉力分散型錨杆适用于錨杆承載力要求較高的軟岩或土體工程，壓力分散型錨杆适用于錨杆承載力要求較高或防腐等級要求較高的軟岩或土體工程。

拉力分散型錨杆

壓力分散型錨杆

三、錨杆結構

工程上所指的錨杆，通常是對受拉杆件所處的錨固系統的總稱。錨杆一般由錨頭、杆體(拉杆)及錨固體(段)三個基本部分組成。

錨頭

錨頭是構築物與拉杆的連接部分，其作用是将來自構築物的作用力有效地傳遞給拉杆。錨頭一般由台座、承壓闆和錨具等部件組成。

杆體

錨杆杆體要求位于錨固結構的中心線上，其作用是将來自錨頭的拉力傳遞給錨固體。杆體通常要承受一定的荷載，故一般采用抗拉強度較高的鋼材制成。

錨固體

錨固體(段)位于錨杆尾部，與岩土層緊密相連，其作用是将來自拉杆的力通過錨固體與周圍岩土層間的摩擦阻力(或支承抵抗力)傳遞給穩固的地層。錨索是高承載力的錨杆，其強度、錨固深度、單錨錨固力均較大。錨杆主要處于張拉狀态，剪切次之，一般不能承受彎曲作用，而錨索隻存在張拉狀态。類似地，錨索結構也可分為三個主要部分，即錨頭、錨索體和錨固體。其中，錨頭由墊闆、錨環、錨塞和混凝土墩組成，錨索體由高強度鋼絲、鋼絲束或鋼絞線制成，錨固體主要包括定位環、止漿塞、擴張環及導向帽等。

四、錨固作用機理

邊坡錨固的基本原理是依靠錨杆周圍穩定地層的抗剪強度來傳遞結構物(被加固物)的拉力，以穩定結構物或保持邊坡開挖面自身的穩定。

懸吊作用機理

錨杆支護是通過錨杆将軟弱、松動、不穩定的岩土體懸吊在深部穩定的岩土體上，以防止其離層滑脫。

組合梁作用機理

把薄層狀岩體視為一種梁(簡支梁或懸臂梁)，在沒有錨固時，其隻是簡單地疊合。

擠壓加固作用機理

在彈性體上安裝具有預應力的錨杆時，彈性體内形成以錨杆兩頭為頂點的錐形體壓縮區，若将錨杆以适當間距排列，可使相鄰錨杆的錐形體壓縮區相互重疊，即形成一定厚度的連續壓縮帶。

五、錨固要素分析

邊坡錨固通常采用水泥砂漿(或水泥漿、化學漿液、樹脂等)将一組杆體(鋼筋或鋼絲束等)錨固在邊坡地層的鑽孔深處，從而達到錨固效果。實際錨固工程中，水泥砂漿錨杆占絕大多數。

錨杆基本力學參數

1) 抗拔力：錨杆在拉拔試驗中承受的極限拉力，即錨固力。2) 握裹力：錨杆杆體與黏結材料間的最大抗剪力。3) 黏結力：錨杆黏結材料與孔壁岩土間的最大抗剪力。4) 拉斷力：錨杆杆體的極限抗拉能力。

砂漿錨固傳力過程

取錨固段為隔離體，當錨固段受力時，拉力首先由杆體周邊砂漿的握裹力傳遞到砂漿中，然後通過錨固段鑽孔周邊的黏結力(或摩阻力)傳遞到錨固的地層中

若杆體受拉力作用，除杆體本身需有足夠的截面積承受拉力以外，還必須同時滿足以下三個條件，錨杆的抗拔作用才能有效發揮：1) 錨固段砂漿對杆體的握裹力需能承受極限應力；2) 錨固段砂漿對地層的黏結力需能承受極限應力；3) 錨固段周圍岩土體在最不利條件下仍能保持整體穩定性。

典型破壞形式

√沿砂漿體與杆體的接觸面破壞√沿砂漿與地層的接觸面破壞√錨杆杆體受拉斷、√錨固段砂漿體剪切破、√錨固段地層(土層或破碎岩體)剪切破壞

錨杆受力時，沿錨固段全長的黏結應力分布極不均勻：

• 當錨固段較長時，初始荷載作用下，黏結應力峰值在臨近自由段處，而錨固段下端的相當長度上，則不出現黏結應力；
• 随着荷載增大，黏結應力峰值向錨固段根部轉移，但其前方的黏結應力則顯著下降；
• 當達到極限荷載時，黏結應力峰值傳遞到接近錨固段根部，在錨固段前部較長的範圍内，黏結應力值進一步下降，甚至趨近于零。

因此，能有效發揮錨固作用的黏結應力分布長度是有一定限度的，随錨固段長度的增加，平均黏結應力逐漸減小。

錨固段砂漿對杆體的握裹力

在較完整岩層中灌注的水泥砂漿抗壓強度，一般不低于30MPa。若嚴格按照規定的灌漿工藝施工，岩層孔壁的黏結力通常大于砂漿的握裹力。因此，岩層錨杆的抗拔力Tu和最小錨固長度La min一般取決于砂漿的握裹力，即：

一般在岩層中所需的錨固長度僅需1~2m。當采用熱軋螺紋鋼筋作為錨杆杆體時，在完整硬質岩層的錨杆中，其黏結(握裹)應力傳遞深度通常不超過2m。

但是，使用中必須判明如下情況：錨固段岩體是否穩定、是否可能發生滑坡或塌方、節理切割的錨固段岩塊在受拉條件下是否産生松動等。考慮到上述不利因素，建議灌漿錨固段達到岩層内部(不包括風化層)的長度應不小于4.5m。

錨固段砂漿對孔壁的黏結力

在強風化岩層和土層中，錨杆的極限抗拔能力取決于錨固段砂漿對地層所能産生的最大黏結力(摩阻力)，即：

六、錨固設計計算

基本要求

在調查研究和岩土工程勘察工作基礎上，錨固工程應采用理論計算、工程類比和監控量測相結合的設計方法，合理發揮岩土體的固有強度和自承能力。在錨杆設計前，應依據調查及勘察結果，對所采用的錨杆安全性、經濟性進行評估，對施工可行性做出判斷。

錨杆按其服務期限可分為臨時錨杆和永久錨杆：使用期限在2年以内的，可按臨時錨杆設計；使用年限超過2年的，應按永久錨杆設計。設計永久錨杆時，必須先進行錨杆基本試驗，并避免錨固段布設在未經處理的下列土層中：

設計流程

以預應力錨杆為例，錨固工程設計主要包括錨固力(斜坡、擋牆、錨拉樁等)計算、錨杆布置及安設角度确定、錨杆杆體材料選擇及确定、錨杆結構設計、錨頭及防腐設計、整體穩定性驗算等内容。

邊坡錨固力計算

邊坡錨固力計算過程中，首先需按照規範确定邊坡設計安全系數，其次針對不同的破壞形式，計算單位長度邊坡所需的錨固力。邊坡錨固力計算可采用極限平衡法，但對于重要或複雜邊坡的錨固設計，宜同時采用極限平衡法與數值分析法。

• 對可能産生圓弧滑動的錨固邊坡，宜采用簡化畢肖普法、摩根斯坦-普賴斯法或簡布法計算，也可采用瑞典法計算；
• 對可能産生直線滑動的錨固邊坡，宜采用平面滑動面解析法計算；
• 對可能産生折線滑動的錨固邊坡，宜采用傳遞系數隐式解法、摩根斯坦-普賴斯法或薩瑪法計算；
• 對岩體結構複雜的錨固邊坡，可配合采用赤平極射投影法進行分析。

1) 單平面破壞模式當邊坡存在一組出露于坡面的軟弱結構面，其走向與坡面走向近似，傾角小于坡面傾角、但大于弱面的内摩擦角，邊坡易産生單平面破壞，多出現在岩質邊坡中，通常分為坡頂有拉裂縫和無拉裂縫兩種情況。但大多數單平面破壞邊坡在破壞前坡頂會出現不同程度的拉裂縫。

6) 錨杆布設錨杆布設原則上應根據實際地層情況以及錨杆與其它支擋結構聯合使用的具體情況确定，必須充分了解邊坡的地質狀況，确定邊坡變形破壞的模式後，才能決定錨杆布設位置。錨杆布設的總體原則是對邊坡滑體産生最佳的抗滑效果，一般應滿足以下基本要求：(1) 錨杆間距和長度，應根據錨固工程周圍地層的整體穩定性确定。(2) 錨杆間距除必須滿足錨杆的受力要求外，還應大于1.5m，以避免因群錨效應而降低錨固力。當所采用的間距小于1.5m時，應将相鄰錨杆的傾角調整至相差3°以上。岩土錨杆通常是以群體的形式出現的，若錨杆布置較密集，地層中受力區的重疊會引起應力疊加和錨杆位移，從而使錨杆極限抗拔力不能有效發揮，即群錨效應。錨杆極限抗拔力會因群錨效應而減小，群錨效應與錨杆間距、直徑、長度及地層形狀等因素有關。(3) 錨杆與相鄰基礎或地下設施間的距離應大于3.0m。(4) 錨杆錨固段應在潛在滑面以外的穩定岩土體内，且上覆土層厚度不宜小于4.5m，避免坡頂反複荷載的影響，同時不會因較高注漿壓力而使上覆土層隆起。(5) 根據錨杆的作用原理，對于不同類型工程，錨杆傾角是不同的，确定錨杆傾角應有利于滿足工程抗滑、抗塌、抗傾或抗浮的要求。但就控制注漿質量而言，若錨杆傾角過小時，注漿料因泌水和硬化而産生的殘餘漿渣會影響錨杆的承載力，故錨杆傾角宜避免與水平面成-10°~ 10°的範圍，10°範圍内錨杆的注漿應采取保證漿液灌注密實的措施。(6) 為使鋼絞線間有适宜的間距，保證鋼絞線被足夠的水泥漿所包裹，以滿足鋼絞線與注漿體間黏結強度的要求，錨杆鑽孔直徑應滿足錨杆抗拔承載力和防腐保護要求，壓力型或壓力分散型錨杆的鑽孔直徑尚應滿足承載體尺寸的要求。(7) 預應力錨杆的布置間距應根據邊坡地層性态、所需提供的總錨固力及單錨承載力設計值确定。一般條件下，I、II、III類岩體邊坡預應力錨杆間距宜為3.0~6.0m，IV類岩體及土質邊坡預應力錨杆間距宜為2.5~4.0m。(8) 錨杆的布設角度，對基坑或近于直立的邊坡而言，需考慮鄰近狀況、錨固地層位置及施工方法。一般錨杆的傾角不小于13°，也不應大于45°。傾角愈大，抵抗滑體滑動的能力将相應地減弱，故錨杆布設角以15~35°為宜。對傾倒破壞的邊坡，預應力錨杆的設計布設角度宜與岩體層理面垂直。對滑動破壞的邊坡，預應力錨杆的布設角度應發揮錨杆的抗滑作用，在施工可行條件下，錨杆傾角宜按下式計算：

當邊坡失穩模式為滑動破壞時，應将錨杆布置在潛在滑動體的中、下部；當邊坡失穩模式為傾倒破壞時，應将錨杆布置在潛在傾倒體的中、上部；當存在軟岩層或風化帶，可能導緻邊坡變形破壞時，錨杆應穿過軟岩層或風化帶布置，并采用混凝土錨固墩封閉。

當滑面由單一不連續面控制且岩體較完整時，錨杆間距并不重要，而當岩體較破碎時，錨杆布置應能使岩體内形成一個連續的擠壓帶。錨頭與錨固段之間形成一個約90°的壓力錐體，錐體範圍内岩石相互擠壓，形成一個整體，從而阻止岩體變形。

基于擠壓加固作用原理，布置錨杆時應使之在縱橫方向均有一定數量，使每根錨杆周圍形成彼此聯結的壓縮錐體，并有一定的相互壓疊。為使錨杆間邊坡表面的岩體不發生脫落，可用鋼筋混凝土框架梁及布設在錨頭與橫梁間的金屬網支撐，通過橫梁将力傳遞到錨杆上。

7) 錨杆結構設計(1) 錨杆杆體截面面積預應力錨杆結構的設計計算主要包括三個方面，即：錨杆杆體的抗拉承載力計算、錨杆錨固段注漿體與杆體的抗拔承載力計算、以及注漿體與地層間的抗拔承載力計算。一般而言，前者用以确定錨杆杆體的截面面積，後兩者則用于确定錨杆錨固段長度。此外，對于壓力型或壓力分散型錨杆，還應進行錨固段注漿體橫截面的受壓承載力計算。

(2) 錨杆錨固段長度

錨固段長度可根據計算和工程類比法确定，對于I、II級邊坡應同時采用現場拉拔試驗驗證。錨杆或單元錨杆的錨固段長度可由下列确定，并取兩者間的較大值：

一般而言，拉力型與壓力型錨杆的錨固段長度宜為3~8m(岩石)和6~12m(土層)。在軟岩或土層中，當拉力或壓力型錨杆的錨固段長超過8m(軟岩)和12m(土層)仍無法滿足極限抗拔承載力要求或需要更高的錨杆極限抗拔承載力時，宜采用壓力分散型或拉力分散型錨杆。壓力分散型與拉力分散型錨杆的單元錨杆錨固段長度宜為2~3m(軟岩)和3~6m(土層)。(3) 錨杆自由段長度錨杆自由段長度應根據錨杆與滑面、邊坡坡面的交點間距确定。若錨杆自由段長度過短，對錨杆施加初始預應力後，錨杆的彈性位移較小，一旦錨頭出現松動等情況，可能會造成較大的預應力損失，因此錨杆自由段長度一般不應小于5.0m。此外，自由段應穿過潛在滑面至少1.5m，并将錨固段布設于合适的地層内，以保證錨固系統的整體穩定性。

8) 錨杆杆體對中器設計錨杆杆體對中器的主要作用包括兩方面：①杆體處于錨固體砂漿中部，當杆體受力時，錨固體能均勻受力；②杆體周圍砂漿厚度均勻且滿足防腐要求。

9) 錨杆初始預應力确定

對地層和被錨固結構位移控制要求較高的工程，錨杆初始預應力值宜為錨杆拉力設計值；對地層和被錨固結構位移控制要求較低的工程，錨杆初始預應力值宜為錨杆拉力設計值的0.70~0.85倍；對顯現明顯流變特征的高應力低強度岩體中隧洞和洞室支護工程，初始預應力宜為錨索拉力設計值的0.5~0.6倍；對用于特殊地層或被錨固結構有特殊要求的錨杆，其初始預應力可根據設計要求确定。

10) 錨杆傳力結構與錨頭設計表層為土層或軟弱破碎岩體的邊坡，宜采用框架梁型鋼筋混凝土傳力結構；I、II類及完整性好的III類岩質邊坡宜采用墩座或地梁型鋼筋混凝土傳力結構；有條件時應優先采用預制的傳力結構。設置預制式傳力結構可最大限度地縮小開挖面的裸露面積與裸露時間，有利于保護開孔後岩土體的固有強度和自穩能力，增強邊坡的整體穩定性，并可顯著縮短邊坡的建設周期。

11) 錨杆防腐保護構造設計永久錨杆必須進行防腐設計。腐蝕環境中的永久錨杆應采用I級防腐保護構造設計，腐蝕環境中的臨時錨杆和非腐蝕環境中的永久錨杆可采用II級防腐保護構造設計；非腐蝕環境中的臨時錨杆可采用III級防腐保護構造設計。錨杆的I、II、III級防護具體構造可參考《岩土錨杆與噴射混凝土支護工程技術規範》(GB 50086-2015)。

12) 錨固系統整體穩定性驗算錨固系統有多種破壞形式，設計時必須仔細校核各種可能的破壞形式。因此，除錨杆抗拉力應滿足設計要求外，還必須驗算錨杆和邊坡岩土體組成的錨固系統整體穩定性。錨固系統的外部穩定性可采用圓弧滑動法或折線滑動法驗算；内部穩定性可采用Kranz法驗算。

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