土层锚杆的施工
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第592页（7788字）
土层锚杆也称为土锚，这是一种受拉杆件，它的一端锚固在稳定的地层中，另一端与支护结构的挡墙相连接，将支护结构和其他结构所承受的荷载(土压力、水压力等)，通过拉杆传递到稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的地层中。
(一)锚杆支护体系构造和材料
1．锚杆支护体系构造
锚杆支护体系构造非常简单，主要由支护挡墙、腰梁及托架、锚杆三部分组成，如图10－17所示。腰梁的主要作用是将作用于支护挡墙上的水压力和土压力传递给锚杆，并使各锚杆的应力通过腰梁得到均匀分配。锚杆由锚头、拉杆(拉索)和锚固体三部分组成。
图10－17 锚杆支护体系构造示意图
1－锚具；2－垫板；3－台座；4－托架；5－拉杆；6－锚固体；7－套管；8－围护挡墙
2．锚杆支护体系材料
锚杆支护体系所用材料是否符合设计要求，是锚杆支护成功的关键，必须根据实际情况选用合适的材料。
土层锚杆是一种受拉杆件，在张拉时具有足够的弹性变形与强度，为了降低用钢量，大多宜采用高强度钢，我国目前常用的拉杆材料为钢绞线和粗钢筋。粗钢筋通常用直径22～32mm的变形钢筋，以增加钢筋与砂浆的握裹力。钢绞线近些年来应用较多，多为高强低松弛钢绞线。
锚杆灌浆所用的水泥宜选用普通硅酸盐水泥，强度等级不宜低于42．5MPa，但不宜采用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥，也不得采用高铝水泥。
细集料宜选用粒径小于2mm的中细砂，砂的含泥量不应超过3%，砂中所含云母、有机质、硫化物及硫酸盐等有害物质的含量，按重量计不应大于1%。搅拌用水不应含有影响水泥正常凝结硬化的有害杂质，不得用污水和海水拌制。
(二)土层锚杆的施工工艺
土层锚杆的施工包括锚杆的加工、钻孔、安放拉杆、灌浆、养护、张拉锚固和验收试验。在正式施工前还应做好研究设计文件、调查环境条件、编制施工组织设计、修建临时设施、检验所用材料和技术交底等施工准备工作。
1．钻孔机械的选择
锚杆钻机的类型很多，各种类型有不同的施工工艺特点和适用条件。按照工作原理不同，钻孔机械主要有回转式钻机、螺旋式钻机和旋转冲击式钻机三类。在选择钻孔机械时，应根据土质情况、钻孔深度和地下水情况等综合考虑。
(1)回转式钻机
回转式钻机钻头安装在套管的底端，是由钻机回转机构带动钻杆给孔底钻头以一定的钻速和压力，被钻头切削下来的土通过循环水形成泥浆水流排出孔外而成孔。根据土质的软硬程度不同，可以选用不同硬度的钻头。
回转式钻机适用于黏性土及砂性土地基。如在地下水位以下钻进，对土质松散的粉质黏土、粉细砂、砂卵石及软黏土等地层，应用套管保护孔壁，以免出现塌孔。
(2)螺旋式钻机
螺旋式钻机是利用回转的螺旋钻杆，在一定钻进速度和钻进压力下，在向土体钻进的同时，将切削下来的松动土体顺着螺旋叶片排出孔外。螺旋式钻机在钻进中不需要用循环水，不使用套管保护孔壁，因此辅助作业时间少，钻进速度比较快。
螺旋式钻机主要适用于无地下水条件下的黏土、粉质黏土及较密实的砂层中成孔。
(3)旋转冲击式钻机
旋转冲击式钻机的旋转、冲击、钻进、钻机装卸和移动，都是靠油压装置运行。这种钻机一般有三台油压泵，三个动作可以同时作用，在旋转中前端打击向前移动并打入套管。既可采用干作业法钻进，也可采用清水循环护壁套管钻进。
旋转冲击式钻机特别适用于砂砾石、卵石层及涌水地基，是一种适用于土锚工程、各种灌浆作业等多种钻孔用的机械。钻孔直径一般为80～130mm，并可钻任何角度的孔，根据土质情况可分别使用旋转或冲击，其能迅速装卸，钻孔速度快。我国所用的这类钻机主要是从日本和德国进口的。
2．钻孔方法的选择
钻孔方法的选择，主要取决于土质情况和采用的钻孔机械，在工程中常用的土层锚杆钻孔方法，主要有干作业钻进法和水作业钻进法两种。
(1)干作业钻进法
干作业钻进法一般是选用不护壁的螺旋钻机干作业成孔，成孔有两种施工方法：
一种方法是钻孔与安放钢拉杆分为两道工序，首先用螺旋钻孔进行钻孔，成孔后将钻杆退出孔洞，用空气压缩机风管冲洗孔穴，清除孔内残留的土屑，然后再插入钢拉杆，并进行压力灌浆锚固。
另一种方法是将钻孔与插入钢拉杆合为一道工序，即钻孔时将钢拉杆插入空心的螺旋钻杆内，随着钻孔的不断深入，钢拉杆与螺旋钻杆一同到达设计规定的深度，然后提出螺旋钻杆15～20cm，并开始进行压力灌浆，边灌浆边继续退出钻杆，而钢拉杆则被锚固在孔内。此方法灌浆时螺旋叶间充填的土可起到保护孔壁、防止塌滑和堵塞灌浆液外流、提高灌浆压力的作用。
干作业成孔法适用于黏土、粉质黏土、密实性和稳定性较好的砂土等地层，要求土层锚杆要处于地下水位以上、呈非浸水状态时使用。干作业成孔法具有施工操作方便、场地无积水、工作效率高、适宜于冬季作业等优点。
(2)水作业钻进法
水作业钻进法在土层锚杆施工中应用较多，一般选用回转式钻孔或旋转冲击式钻机成孔。钻进时冲洗液(压力水)从钻杆的中心流向孔底，在一定水头压力(约0．15～0．30MPa)下，水流携带着切削下来的土屑从钻杆与孔壁之间的孔隙处排出孔外。钻进时要不停顿地供水冲洗，始终保持孔口的水位。待钻至设计规定的深度后，继续用压力水冲洗残留在孔内的土屑，直至浑浊的水流变清时为止。
水作业成孔法的优点是可以把钻孔过程中的钻进、出渣、固壁、清孔等工序一次完成，可有效防止塌孔，孔内不残留土屑。适用于各种软硬土层，特别适合于有地下水或土的含水率大及有流砂的土层。但是，需要有良好的排水系统和水浆储放地方。
(3)成孔质量要求
成孔质地是确保土层锚杆质量的关键，要求钻孔的孔壁平直，不得有任何坍塌和松动。成孔的具体质量要求为：保证孔口处不坍塌；对易塌孔的土层(如杂填土地层)应设置护壁套管钻进；钻孔达到设计要求的深度后，对于干作业成孔要清孔后再安放锚杆；对于水作业成孔要用清水循环冲洗直至溢出清水。成孔的质量达到以上施工要求，才能保证安放钢拉杆的位置准确和灌注水泥浆的质量。
另外，对于钻孔的直径、深度、倾斜度等，也要进行认真检查，必须符合设计要求，钻孔定位的水平误差、标高误差以及偏斜度也应控制在规定范围之内。
3．土锚拉杆的安放
土锚所用的拉杆，常用的有钢管、粗钢筋、钢丝束和钢绞线等。主要应根据土锚的承载能力和现有材料情况进行选择。在锚杆加工和安放的过程中，主要应解决好两个问题：一是锚杆自由段的防腐和隔离处理；二是插入锚杆时的对中措施。
(1)拉杆的防腐措施
对有自由段的土层锚杆，自由段的防腐和隔离处理是非常重要的。地下水对钢材具有很强的腐蚀性，锚杆的自由段若不进行防腐处理，会因锈蚀而断裂，危及支护结构的安全。锚杆的自由段处于不稳定土层中，一旦土层产生滑动，自由段拉杆应可自由伸缩，所以要使自由段与土层和注浆体隔离。
锚杆的防腐和隔离处理方法很多，在土层锚杆支护工程中常用的防腐和隔离措施有以下几种：
1)钢筋拉杆的防腐和隔离层施工时，先清除拉杆上的铁锈，再涂一度环氧防腐漆冷底子油，待其完全干燥后，再涂一度环氧玻璃铜，待其固化后，再缠绕两层聚乙烯塑料薄膜；也可以在除锈后在拉杆上涂上润滑油脂，然后套上塑料管，与锚固段相交处的塑料管管口应密封并用铅丝绑紧。
2)钢丝束拉杆的防腐和隔离方法是用玻璃纤维布缠绕两层，外面再用粘胶带缠绕；也可将钢丝束拉杆的自由段插入特别护管内，护管与孔壁间的空隙可与锚固段同时进行灌浆。
3)钢绞线拉杆的防腐和隔离方法是在拉杆体表面上涂防腐油脂，然后再在拉杆外套上聚丙烯防护套。
钢丝束和钢绞线通常是以涂油脂和包装物保护的形式运送至施工现场，在下料切断后，要清除有效锚固段的防护层，并用溶剂或蒸汽等方法认真清除干净，以保证锚固段拉杆与锚固体砂浆有良好的粘结。
(2)拉杆的对中方法
土层锚杆的长度一般都在10m以上，其安放位置是否准确，关系到整个支护结构的受力状况和安全。为了将拉杆安放在钻孔的中央，防止自由段产生过大挠度和插入钻孔时不扰动土壁，并保证锚固段有足够的保护层厚度、拉杆与锚固体有足够的握裹力，所以在拉杆安放时应设置定位器或撑筋环。
图10－18所示是钢筋拉杆用的定位器，定位器的间距一般2m左右，外径宜小于钻孔直径1cm。图10－19所示为钢丝束拉杆的撑筋环，钢丝束的外层钢丝绑扎在撑筋环上，内层钢丝则从撑筋环的中间穿过，撑筋环的间距一般为0．5～1．0m，这样锚固段就形成一连串的菱形，使钢丝束与锚固体砂浆的接触面积增大，从而大大增加了粘结力。
图10－18 钢筋拉杆用的定位器
1－挡土板；2－支承滑条；3－拉杆；4－半圆环；5－Φ38钢管内穿Φ32拉杆；6－钢带(3×53)；7－钢筋(2Φ32)；8－钢管(Φ65、长l=60)，间距1～1．2m；9－灌浆胶管
图10－19 钢丝束拉杆的撑筋环
1－锚头；2－自由段与防腐层；3－锚固体砂浆；4－撑筋环；5－钢丝束结；6－锚固段的外层钢丝；7－小竹筒
4．钻孔的压力灌浆
钻孔压力灌浆是土层锚杆施工中的一个重要工序，进行压力灌浆的作用是：形成设计要求的锚固段；防止钢拉杆产生腐蚀；充填土层中的孔隙和裂缝。
(1)对灌浆材料的要求
土层锚杆钻孔的灌浆液，一般采用水泥砂浆或水泥浆，其配合比应根据工程实际经试验或设计确定。一般水泥砂浆的灰砂比为1∶1～1∶2，水灰比为0．38～0．45，如果需要提高早期强度，搅拌时可加入适量的氯化钠，掺量不超过水泥用量的0．1%；也可掺加适量的三乙醇胺，掺量不超过水泥用量的0．03%。
水泥宜采用普通硅酸盐水泥，强度等级不宜小于42．5MPa；细集料应选用粒径小于2mm的中细砂，其质量应符合国家的规范规定；拌合水中不应含有影响水泥正常凝结硬化的有害物质。各种组成材料在搅拌机中应拌合均匀，为避免大块砂浆液堵塞压浆泵，砂浆需经过滤网再注入压浆泵。拌合良好的水泥浆或水泥砂浆，应具有优良的可泵性和低泌水性，且在凝固时只有少量或没有膨胀，使浆液达到足够的粘结强度。为确保灌浆的施工质量，施工中对浆液需留立方体试块，按规定进行抗压强度试验。
(2)钻孔灌浆的方法
由于土层锚杆的灌浆为底部灌浆，所以灌浆管应随锚杆一同放入钻孔内，灌浆的方法可分为一次灌浆法和二次灌浆法两种。
一次灌浆法只用一根灌浆管，灌浆管的一端绑扎在锚杆的底部，并随着锚杆同时送入钻孔内，为使浆液顺利流出，灌浆管端距孔底应有10～20mm，另一端与压浆泵连接。开动压浆泵将搅拌好的浆液注入钻孔底部，自孔底逐渐向上进行灌注，待浆液流出孔口时，用水泥袋等材料堵塞孔口，并再用湿黏土封口捣实，再以2～4MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟后才可结束压力灌浆。
二次灌浆法要用两根灌浆管，第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50cm左右(图10－20)，管底出口处用胶布等封住，以防止沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100mm左右，管底出口处也用胶布等封住，且从管端50cm处向上每隔2m左右作出1m长的花管，花管的孔眼直径为8mm，花管做成几段应根据锚固长度而定。
图10－20 二次灌浆法灌浆管的布置
1－锚头；2－第一次灌浆用灌浆管；3－第二次灌浆用灌浆管；4－粗钢筋锚杆；5－定位器；6－塑料瓶
第一次灌浆是灌注水泥砂浆，浆液由压浆泵经灌浆管压入钻孔内，第一次灌浆量根据孔径和锚固段长度而定。待第一次灌浆浆液初凝后，利用留在灌浆锚固体内的另一根灌浆管，进行第二次灌浆，灌浆压力控制在2．5～5．0MPa范围内，使第一次灌浆锚固体在压力灌浆下产生裂缝，并被浆液所填充，如图10－21所示。
图10－21 二次灌浆后锚固体的截面
1－钢丝束拉杆；2－灌浆管；3－第一次灌浆锚固体；4－第一次灌浆锚固体；5－土体
由于锚固体的直径被压力灌浆扩大，从而增加了土中的径向压应力，锚固体周围的土受到压缩，孔隙比减少，含水量减小，锚固体的粗糙表面也提高了土的内摩擦角。因此，二次灌浆法可以显着提高土层锚杆的承载能力。
5．张拉和锚固
在常温情况下，灌浆后的锚杆养护7～8d后，锚固段强度大于15MPa并达到设计强度等级的75%以上时，便可对锚杆进行张拉和锚固。
张拉前先在支护结构上安装腰梁，并与锚杆轴线方向垂直；并同时校核张拉设备，检验锚具的硬度，清除锚具内的油污和泥砂。
张拉设备与预应力结构张拉所用设备相同，锚具选用与锚杆匹配，如果锚杆为变形钢筋，宜采用螺丝端杆锚具，钢绞线宜采用夹片式锚具，钢丝束宜采用镦头锚。
锚杆张拉应按一定程序进行，锚杆的张拉顺序，应考虑对邻近锚杆的影响；锚杆张拉之前，应取0．1～0．2倍的设计承载力对锚杆预张拉1～2次，使其各部位的接触紧密，杆体达到完全平直；锚杆张拉控制应力不应超过锚杆杆体强度标准值的0．75倍，锁定荷载宜取设计荷载的0．9～1．0倍。
在黏性土，特别是在饱和淤泥质黏土层中，预应力锚杆会发生蠕动现象，此外，钢材的松弛、支护结构的变形、地基变形等，都会导致预应力的损失。为此，一般在张拉3～5d后，根据锚杆内应力损失的情况，再进行一次重复张拉，以补足不够的预应力，这样可有效地改善锚杆的长期工作性能。
6．土锚的试验
目前，在土层锚杆的承载能力尚无完善的计算方法，理论研究工作还不能满足工程实践，因此，在土层锚杆工程中，试验是检查土锚质量的重要手段，也是验证和改善土层锚杆设计和施工工艺的重要依据。土层锚杆的现场试验项目，主要包括基本试验和验收试验。
(1)基本试验
基本试验是土层锚杆必须进行的试验，也称为极限抗拔力试验，它是在土锚工程正式施工前，在基坑工程的施工现场，选择具有代表性的地层进行锚杆拉拔试验，为锚杆设计提供依据。试验要求采用作拉拔试验的锚杆参数、材料、造孔直径及注浆工艺等，必须与实际使用的工程锚杆相同。
对于同一地层同种锚杆，抗拔试验的锚杆数量不得少于3根；灌浆后的锚杆，要待砂浆达到设计强度的70%以上才能进行抗拔试验。基本试验采用循环加、卸荷法，最大的试验荷载不宜超过锚杆杆体承载力标准值的0．9倍。锚杆的极限承载力取破坏荷载的前一级荷载，当在试验最大荷载下仍未达到锚杆破坏标准，则取最大荷载作为锚杆极限承载力。
(2)验收试验
锚杆工程完成后，必须进行验收试验，以确认核实施工锚杆是否已达到设计预定的承载能力。试验方法与抗拔试验相同，但最大试验荷载只取锚杆轴向受拉承载力设计值；试验的数量取锚杆总数的5%，且不得少于3根。通过验收试验，取得锚杆的荷载－变位性状的数据，并可与极限抗拔力试验的成果对照核实，以判断施工锚杆是否符合设计的要求。