4.6 设计
Ⅰ 锚杆设置
4.6.1 锚杆的间距与长度应满足锚杆所锚固的结构物及地层整体稳定性的要求。
4.6.2 锚杆锚固段的间距不应小于1.5m，当需锚杆间距小于1.5m时，应将相邻锚杆的倾角调整至相差3°以上。
岩土锚杆通常是以群体的形式出现的，而如果锚杆布置得很密，地层中受力区的重叠会引起应力叠加和锚杆附加位移，从而降低锚杆极限抗拔力的有效发挥，这就是我们通常说的“群锚效应”。必须注意的是锚杆极限抗拔力会因群锚效应而减小。群锚效应的影响与锚固体间距、锚固体直径、长度及地层性状等因素有关。
为避免因锚杆间距过小而引起锚杆承载力的降低，国内外锚杆规范中均对锚杆锚固体的最小间距加以限制。本条规定锚杆锚固体最小间距宜大于1.5m。如需锚杆间距更小时，可使用不同倾角或不同长度的锚杆（图1）。
图1 过密间距锚杆的处理
4.6.3 锚杆与相邻基础或地下设施间的距离应大于3.0m。
锚杆设置应充分考虑周边建（构）筑物基础的形式、埋深、分布等情况，锚杆的设置不得破坏已有基础或桩基，并应减小锚杆设置对基础或桩基的影响。
4.6.4 锚杆的钻孔直径应满足锚杆抗拔承载力和防腐保护要求，压力型或压力分散型锚杆的钻孔直径尚应满足承载体尺寸的要求。
规定钻孔直径是为了使钢绞线间有适宜的间距，以保证钢绞线被足够的水泥浆所包裹，并满足钢绞线与灌浆体间粘结强度的要求。
4.6.5 锚杆锚固段上覆土层厚度不宜小于4.5m，锚杆的倾角宜避开与水平面成-10°～+10°的范围，10°范围内锚杆的注浆应采取保证浆液灌注密实的措施。
根据锚杆的作用原理，对于不同类型的工程，锚杆倾角（指锚杆与水平面的夹角）是不同的。总的来说，确定锚杆的倾角应有利于满足工程抗滑、抗塌、抗倾或抗浮的要求。但就控制灌浆质量而言，如锚杆倾角过小时，灌浆料的泌水及灌浆料硬化时产生的残余浆渣，会影响锚杆抗拔承载力，故本条规定锚杆的倾角宜避开-10°～+10°范围。如果锚杆倾角不能避开此范围，应采取在孔口设置止浆塞和孔内埋设排气管等措施，以保证浆液灌注饱满。
Ⅱ 锚杆设计
4.6.6 预应力锚杆的拉力设计值可按下列公式计算：
永久性锚杆
临时性锚杆
式中：Nd——锚杆拉力设计值（N）；
Nk——锚杆拉力标准值（N）；
γw——工作条件系数，一般情况取1.1。
4.6.7 预应力锚杆结构的设计计算，应包括下列内容：
1 锚杆筋体的抗拉承载力计算；
2 锚杆锚固段注浆体与筋体、注浆体与地层间的抗拔承载力计算；
3 压力型或压力分散型锚杆，尚应进行锚固注浆体横截面的受压承载力计算。
为了防止预应力锚杆的筋体断裂破坏，锚固段注浆体与筋体、注浆体与地层间的粘结破坏，以及锚杆注浆体的压碎破坏，确保预应力锚杆的工作安全，必须执行按条文规定的三个方面的设计计算。
4.6.8 锚杆或单元锚杆杆体受拉承载力应符合下列规定并应满足张拉控制应力的要求：
1 对于钢绞线或预应力螺纹钢筋应按下式计算：
2 对于普通钢筋应按下式计算：
式中：Nd——锚杆拉力设计值（N）；
fpy——钢绞线或预应力螺纹钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；
fy——普通钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；
As——预应力筋的截面积（mm2）。
、4.6.9 锚杆预应力筋体的受拉承载力设计值应大于锚杆的拉力设计值，此外预应力锚杆是一种后张法预应力构件，其预应力筋特别是钢绞线的张拉控制应力σcon应比地上预应力钢筋混凝土结构有明显的降低。原因是预应力锚杆埋设在岩土层中，工作条件十分恶劣，应力腐蚀风险加大，国外曾报道不少由于预应力筋控制应力大于0.6fptk而出现锚杆破坏的实例。此外，预应力筋采用较小的张拉控制应力σcon，对降低锚杆的预应力损失，也是有利的。
4.6.9 锚杆预应力筋的张拉控制应力σcon应符合表4.6.9的规定：
表4.6.9 锚杆预应力筋的张拉控制应力σcon
4.6.10 锚杆及单元锚杆锚固段的抗拔承载力应按下列公式计算，锚固段的设计长度应取设计长度的较大值：
式中：Nd——锚杆或单元锚杆轴向拉力设计值（kN）；
La——锚固段长度（m）；
fmg——锚固段注浆体与地层间极限粘结强度标准值（MPa或kPa），应通过试验确定，当无试验资料时，可按表4.6.10取值；
———锚固段注浆体与筋体间粘结强度设计值（MPa），可按本规范表4.6.12取值；
D——锚杆锚固段钻孔直径（mm）；
d——钢筋或钢绞线直径（mm）；
K——锚杆段注浆体与地层间的粘结抗拔安全系数，按本规范表4.6.11取值；
ξ——采用2根或2根以上钢筋或钢绞线时，界面粘结强度降低系数，取0.70～0.85；
ψ——锚固段长度对极限粘结强度的影响系数，可按本规范表4.6.13选取；
n——钢筋或钢绞线根数。
表4.6.10 锚杆锚固段注浆体与周边地层间的极限粘结强度标准值（N/mm2）
续表4.6.10
注：1 表中数值为锚杆粘结段长10m（土层）或6m（岩石）的灌浆体与岩土层间的平均极限粘结强度经验值，灌浆体采用一次注浆；若对锚固段注浆采用带袖阀管的重复高压注浆，其极限粘结强度标准值可显著提高，提高幅度与注浆压力大小关系密切。
2 N值为标准贯入试验锤击数。
锚杆锚固段注浆体与地层（岩土体）间的极限粘结强度标准值fmg在无试验资料时，本规范表4.6.10所给出的岩土体与注浆体间的极限粘结强度标准值建议值，是在综合分析现行行业标准《岩土锚杆（索）技术规程》CECS 22∶2005、日本JGS 4140—2000《地层锚杆设计施工规程》及美国PTI《岩层与土体预应力锚杆的建议》等相关标准关于平均极限粘结应力的推荐（实测）值基础上提出的。必须说明的是该推荐值应在本规范规定的锚固段长度条件下才能采用，不然应进行修正。美国锚杆标准给出的有关平均极限粘结应力值见表2～表4。
表2 典型的岩石与灌浆体间的极限粘结应力
注：本表摘自美国PTI，1996年制定的《岩层与土体预应力锚杆的建议》。
表3 典型的灌浆体与黏性土间的平均极限粘结应力
注：摘自美国PTI，1996年制定的《岩层与土体预应力锚杆的建议》。
表4 典型的灌浆体与砂性土间的平均极限粘结应力
注：摘自美国PTI，1996年制定的《岩层与土体预应力锚杆的建议》。
4.6.11 锚杆锚固段注浆体与周边地层间的粘结抗拔安全系数，应根据岩土锚固工程破坏后的危害程度和锚杆的服务年限，按表4.6.11确定。
表4.6.11 锚杆锚固段注浆体与地层间的粘结抗拔安全系数
注：蠕变明显地层中永久锚杆锚固体的最小抗拔安全系数宜取3.0。
锚杆锚固段灌浆体与地层间的粘结抗拔安全系数（极限粘结强度标准值与粘结强度设计值的比值），取决于锚杆的服务年限、锚杆破坏效果和地层蠕变特性等因素。本规范4.6.11条关于锚杆抗拔安全系数的规定是参照国内外相关锚杆标准所采用的锚杆抗拔安全系数（表5）及其多年来的使用效果提出的。
表5 岩土锚杆锚固段注浆体与地层间的抗拔安全系数
续表5
4.6.12 锚杆锚固段灌浆体与杆体间的粘结强度设计值可按表4.6.12取值。
表4.6.12 锚杆锚固段灌浆体与杆体间粘结强度设计值（MPa）
大量的试验资料表明，锚杆受力时，沿锚固段全长的粘结应力分布是很不均匀的，特别当采用较长的锚固段时，锚杆受荷初期，粘结应力峰值出现在临近自由段锚固段前端，而锚固段下端的相当长度上，则不出现粘结应力。随着荷载增大，粘结应力峰值向锚固段根部转移，但其前方的粘结应力则显著下降，当荷载进一步增大，粘结应力峰值传递到接近锚固段根部，则锚固段前部较长的范围内，粘结应力值进一步下降，甚至趋近于零（图2）。由此可知，有效发挥锚固作用的粘结应力的分布长度是有一定限度的。也就是说，平均粘结应力随着锚固段长度的增加而减小。
图2 集中拉力型锚杆粘结应力沿锚固段长度的分布
基于上述锚杆荷载传递特征，规范4.6.12提出了在确定锚固长度时，应考虑锚固长度对粘结强度的影响。其影响系数ψ应由试验确定，当无试验资料时ψ值建议可按本规范表4.6.13选取。表4.6.13是综合国内外一些工程锚杆粘结强度（表面摩阻力）的实测结果的基本趋势得出的。图3为德国ostermays于1974年收集到的在黏土中随锚固段长度变化的表面摩阻力变化。
图3 用与不用二次灌浆的锚杆随锚固长度变化测得的表面摩阻力
1—中等塑性的黏土；2—不进行二次灌浆的很硬的黏土；3—不进行二次灌浆的硬黏土；4—进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；5—不进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；6—中等塑性的砂质粉土；7—中到高塑性黏土；8—进行二次灌浆的很硬的黏土；9—不进行二次灌浆的很硬的黏土；10—不进行二次灌浆的硬黏土
英国A.D Barley通过在黏土中的61根单元锚杆的实验，对其结果分析整理后，综合考虑了粘结系数以及有效锚固长度随固定长度增加而降低的影响，得出了伦敦极坚硬的黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线（图4）。
图4表明，当使用短的（2.5m～3.5m）固定长度是有效因子为0.95～1.00，几乎能完全调用黏土的抗剪强度。此后随着固定长度的增加，综合有效因子fc急剧下降。当使用很长的（25m）的固定长度时，固定长度有效因子仅为0.25。
图4 坚硬黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线
北京昆仑公寓基坑锚固工程中，曾对黏质粉土与粉质黏土中不同锚固段长度锚杆的粘结强度进行了测定，其结果列于下表6。
表6 不同锚固长度对地层与灌浆体间粘结强度的影响
表7为北京地铁十号线二期工程慈寿寺车站基坑工程，在粉质黏土地层实测得到的不同锚固段长度条件下，灌浆体与地层间的极限粘结强度值。
表7 不同锚固段长度对灌浆体与地层间极限粘结强度的影响
从上述资料可以清楚地看出，当锚杆锚固长度超过一定值（该值与岩土介质的弹模有关）后，锚杆抗拔承载力的提高极为有限，甚至可忽略不计，为此国内外的锚杆标准均规定了适宜的锚固段长度范围（表8）。本条对锚杆锚固段长度的限制，基本上与国内外相关标准的规定相一致或接近。
表8 国内外锚杆标准关于锚杆合理锚固段长度建议
4.6.13 锚杆锚固段长度对粘结强度的影响系数ψ应由试验确定，无试验资料时，可按表4.6.13取值。
表4.6.13 锚固段长度对粘结强度的影响系数ψ建议值
大量的试验资料表明，锚杆受力时，沿锚固段全长的粘结应力分布是很不均匀的，特别当采用较长的锚固段时，锚杆受荷初期，粘结应力峰值出现在临近自由段锚固段前端，而锚固段下端的相当长度上，则不出现粘结应力。随着荷载增大，粘结应力峰值向锚固段根部转移，但其前方的粘结应力则显著下降，当荷载进一步增大，粘结应力峰值传递到接近锚固段根部，则锚固段前部较长的范围内，粘结应力值进一步下降，甚至趋近于零（图2）。由此可知，有效发挥锚固作用的粘结应力的分布长度是有一定限度的。也就是说，平均粘结应力随着锚固段长度的增加而减小。
图2 集中拉力型锚杆粘结应力沿锚固段长度的分布
基于上述锚杆荷载传递特征，规范4.6.12提出了在确定锚固长度时，应考虑锚固长度对粘结强度的影响。其影响系数ψ应由试验确定，当无试验资料时ψ值建议可按本规范表4.6.13选取。表4.6.13是综合国内外一些工程锚杆粘结强度（表面摩阻力）的实测结果的基本趋势得出的。图3为德国ostermays于1974年收集到的在黏土中随锚固段长度变化的表面摩阻力变化。
图3 用与不用二次灌浆的锚杆随锚固长度变化测得的表面摩阻力
1—中等塑性的黏土；2—不进行二次灌浆的很硬的黏土；3—不进行二次灌浆的硬黏土；4—进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；5—不进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；6—中等塑性的砂质粉土；7—中到高塑性黏土；8—进行二次灌浆的很硬的黏土；9—不进行二次灌浆的很硬的黏土；10—不进行二次灌浆的硬黏土
英国A.D Barley通过在黏土中的61根单元锚杆的实验，对其结果分析整理后，综合考虑了粘结系数以及有效锚固长度随固定长度增加而降低的影响，得出了伦敦极坚硬的黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线（图4）。
图4表明，当使用短的（2.5m～3.5m）固定长度是有效因子为0.95～1.00，几乎能完全调用黏土的抗剪强度。此后随着固定长度的增加，综合有效因子fc急剧下降。当使用很长的（25m）的固定长度时，固定长度有效因子仅为0.25。
图4 坚硬黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线
北京昆仑公寓基坑锚固工程中，曾对黏质粉土与粉质黏土中不同锚固段长度锚杆的粘结强度进行了测定，其结果列于下表6。
表6 不同锚固长度对地层与灌浆体间粘结强度的影响
表7为北京地铁十号线二期工程慈寿寺车站基坑工程，在粉质黏土地层实测得到的不同锚固段长度条件下，灌浆体与地层间的极限粘结强度值。
表7 不同锚固段长度对灌浆体与地层间极限粘结强度的影响
从上述资料可以清楚地看出，当锚杆锚固长度超过一定值（该值与岩土介质的弹模有关）后，锚杆抗拔承载力的提高极为有限，甚至可忽略不计，为此国内外的锚杆标准均规定了适宜的锚固段长度范围（表8）。本条对锚杆锚固段长度的限制，基本上与国内外相关标准的规定相一致或接近。
表8 国内外锚杆标准关于锚杆合理锚固段长度建议
4.6.14 根据地层条件，锚杆的锚固段长度尚应符合以下规定：
1 拉力型或压力型锚杆的锚固段长宜为3m～8m（岩石）和6m～12m（土层）。
2 压力分散型与拉力分散型锚杆的单元锚杆锚固段长宜为2m～3m（软岩）和3m～6m（土层）。
大量的试验资料表明，锚杆受力时，沿锚固段全长的粘结应力分布是很不均匀的，特别当采用较长的锚固段时，锚杆受荷初期，粘结应力峰值出现在临近自由段锚固段前端，而锚固段下端的相当长度上，则不出现粘结应力。随着荷载增大，粘结应力峰值向锚固段根部转移，但其前方的粘结应力则显著下降，当荷载进一步增大，粘结应力峰值传递到接近锚固段根部，则锚固段前部较长的范围内，粘结应力值进一步下降，甚至趋近于零（图2）。由此可知，有效发挥锚固作用的粘结应力的分布长度是有一定限度的。也就是说，平均粘结应力随着锚固段长度的增加而减小。
图2 集中拉力型锚杆粘结应力沿锚固段长度的分布
基于上述锚杆荷载传递特征，规范4.6.12提出了在确定锚固长度时，应考虑锚固长度对粘结强度的影响。其影响系数ψ应由试验确定，当无试验资料时ψ值建议可按本规范表4.6.13选取。表4.6.13是综合国内外一些工程锚杆粘结强度（表面摩阻力）的实测结果的基本趋势得出的。图3为德国ostermays于1974年收集到的在黏土中随锚固段长度变化的表面摩阻力变化。
图3 用与不用二次灌浆的锚杆随锚固长度变化测得的表面摩阻力
1—中等塑性的黏土；2—不进行二次灌浆的很硬的黏土；3—不进行二次灌浆的硬黏土；4—进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；5—不进行二次灌浆的硬到很硬的黏土；6—中等塑性的砂质粉土；7—中到高塑性黏土；8—进行二次灌浆的很硬的黏土；9—不进行二次灌浆的很硬的黏土；10—不进行二次灌浆的硬黏土
英国A.D Barley通过在黏土中的61根单元锚杆的实验，对其结果分析整理后，综合考虑了粘结系数以及有效锚固长度随固定长度增加而降低的影响，得出了伦敦极坚硬的黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线（图4）。
图4表明，当使用短的（2.5m～3.5m）固定长度是有效因子为0.95～1.00，几乎能完全调用黏土的抗剪强度。此后随着固定长度的增加，综合有效因子fc急剧下降。当使用很长的（25m）的固定长度时，固定长度有效因子仅为0.25。
图4 坚硬黏土中锚杆固定长度与综合有效因子（fc）的关系曲线
北京昆仑公寓基坑锚固工程中，曾对黏质粉土与粉质黏土中不同锚固段长度锚杆的粘结强度进行了测定，其结果列于下表6。
表6 不同锚固长度对地层与灌浆体间粘结强度的影响
表7为北京地铁十号线二期工程慈寿寺车站基坑工程，在粉质黏土地层实测得到的不同锚固段长度条件下，灌浆体与地层间的极限粘结强度值。
表7 不同锚固段长度对灌浆体与地层间极限粘结强度的影响
从上述资料可以清楚地看出，当锚杆锚固长度超过一定值（该值与岩土介质的弹模有关）后，锚杆抗拔承载力的提高极为有限，甚至可忽略不计，为此国内外的锚杆标准均规定了适宜的锚固段长度范围（表8）。本条对锚杆锚固段长度的限制，基本上与国内外相关标准的规定相一致或接近。
表8 国内外锚杆标准关于锚杆合理锚固段长度建议
4.6.15 压力及压力分散型锚杆锚固段注浆体承压面积应按下式验算：
式中：Nd——锚杆或单元锚杆轴向拉力设计值；
Ap——锚杆承载体与锚固段注浆体横截面净接触面积；
Am——锚固段注浆体横截面积；
η——有侧限锚固段注浆体强度增大系数，由试验确定；
fc——锚固段注浆体轴心抗压强度设计值。
对压力型或压力分散型锚杆，必须对锚固段灌浆体的承压能力进行验算，由于承载体面积小于锚固段灌浆体横截面积，灌浆体工作时实际上呈现局部受压，本条的计算公式参考了国家标准《钢筋混凝土结构设计规范》GB 50010—2002局部受压混凝土承载力计算公式。应当说明，锚杆锚固段灌浆体是在有侧限条件下工作的。无侧限灌浆体的抗压强度只适用于其基本质量考核，远不能反映锚杆工作时灌浆体的准确强度。根据英国A.D.Barley等人所进行的模拟灌浆柱在密实-很密实砂或软弱岩体的侧限环境中加荷试验表明，无侧限状态下抗压强度仅为40MPa～70MPa的灌浆体，在有侧限条件下达到了200MPa～800MPa的压应力。有侧限的灌浆体的抗压强度增大系数η与灌浆体周边的岩土弹模有关，应通过试验确定。
4.6.16 锚杆的自由段穿过潜在滑裂面的长度不应小于1.5m。锚杆自由段长度不应小于5.0m，且应能保证锚杆和被锚固结构体系的整体稳定。
若锚杆自由段长度过短，则对锚杆施加初始预应力后，锚杆的弹性位移较小，一旦锚头出现松动等情况，可能会造成较大的预应力损失，故本条规定锚杆的自由段长度不宜小于5.0m。在以下情况，往往需要更长的自由段长度。
（1）锚固段穿过临界破裂面至少1.5m；
（2）将锚固段选在合适的能提供更大抗拔力的地层内；
（3）满足被锚固结构物与地层的整体稳定性。
Ⅲ 注浆体和传力结构
4.6.17 预应力锚杆锚固段注浆体的抗压强度，应根据锚杆结构类型与锚固地层按表4.6.17确定。
表4.6.17 预应力锚杆锚固段注浆体强度
4.6.18 传递锚杆拉力的格梁、腰梁、台座的截面尺寸与配筋，应根据锚杆拉力设计值、地层承载力及锚杆工作条件由计算确定。
4.6.19 传力结构混凝土强度等级不应低于C25。
Ⅳ 初始预加力的确定
4.6.20 预应力锚杆初始预加力的确定应符合下列要求：
1 对地层及被锚固结构位移控制要求较高的工程，初始预加力值宜为锚杆拉力设计值；
2 对地层及被锚固结构位移控制要求较低的工程，初始预加力值宜为锚杆拉力设计值的0.70倍～0.85倍；
3 对显现明显流变特征的高应力低强度岩体中隧洞和洞室支护工程，初始预加力宜为拉力设计值的0.5倍～0.6倍；
4 对用于特殊地层或被锚固结构有特殊要求的锚杆，其初始预加力可根据设计要求确定。
根据被锚固结构容许变形（位移）的程度及高应力低强度围岩流变特征，本条对预应力锚杆张拉后的锁定荷载作出了规定。