第七節 錨筋樁設計

錨筋樁是指在一個鉆孔中布置多根錨固用鋼筋并進行全長注漿的錨固結構，其借助周圍巖土體對樁身的嵌固作用以穩定和加固巖土體。因通常不施加預應力，錨筋樁主要起被動錨固作用。其除了可承受較大的軸向拉力（壓力）外，也可承受一定的橫向剪力從而提高破壞面上的抗剪強度。當被加固的巖體有相對變形趨勢時，可以起到限制巖體局部或整體失穩的作用。錨筋樁具有施工工藝簡單、質量易于控制、節約工期等優點，在處理局部不穩定巖塊、進行巖性較差邊坡的淺表層巖體系統性加固時有明顯優勢，在歐洲國家應用較為普遍，現已成為國內水利水電工程實踐中的一種重要的邊坡加固方法，但在其他行業領域仍較為少見。其加固主要發揮的是錨固體的荷載轉移和擴散功能，部分工程實踐中則發揮了錨筋樁的懸吊作用，如糯扎渡導流隧洞進口段將其用于加固隧道進出口位置松動圍巖，通過自洞臉邊坡坡體向下至隧洞頂拱對穿布置錨筋樁來加固圍巖。此外，工程實踐中，由于普通錨桿的長度不宜超過20m，對于必須超過此長度但又不需要提供很大錨固力的錨固工程，或無法滿足大噸位預應力錨索安裝要求時，則可以采用錨筋樁或長錨桿的方法進行巖體加固，如云南弄另水電站邊坡所用錨筋樁長度為35m。

一、錨筋樁承載特點與結構設計內容

錨筋樁結構如圖1-21所示，主要由主鋼筋桿體、主鋼筋直螺紋套筒連接器（圖1-22）、黏結材料、架立管、鋼筋支架及外錨段的承載板等部分組成。錨筋樁一端與工程構筑物或其他加固對象連接（圖1-23、圖1-24），另一端深入地層中，其功能是將拉力傳至土體深處，增強錨固體與深部巖土體的整體性。錨筋抗拔力的水平分力、附加在剪切滑移面上的阻滑力及錨筋受推力作用方向前部巖體抗力組成了錨筋樁的承載來源，但其是一種主要用于承擔拉力的構件。一般采用多根（3根或6根常見）直徑32mm以下的鋼筋焊接組成。施工時，在巖石或土質邊坡上鉆孔，將注漿管與預先按設計斷面焊接完成的錨筋樁鋼筋綁扎后一起插入孔中，然后利用注漿管全孔一次灌注水泥漿液。由于直徑較小、鋼筋密集，因此常以灌注水泥砂漿代替混凝土。錨筋樁所用鋼筋可以根據實際需要選擇不同的熱軋螺紋鋼筋或普通螺紋鋼。

樁身結構按普通鋼筋混凝土軸心受拉構件設計，鋼筋型號、直徑、數量及長度等根據單樁承受荷載和樁孔直徑大小設計。單樁設計荷載大小根據被加固巖體的實際滑動力確定，并有按抗拔和抗剪進行設計兩種方法。

錨筋樁結構設計的內容如下。

（1）錨桿孔直徑、孔深設計，即錨筋樁錨固力大小設計。

（2）主筋截面、數量設計及鋼筋型號選擇，即錨筋樁截面承載安全設計。

（3）主筋連接設計，包括支架、連接器及對中鋼管間距與尺寸。

（4）外錨段設計，包括孔口鋼筋連接形式、封錨形式等。

其中，常見的外錨固段處理采用以下方法。

（1）將露出錨頭的鋼筋焊接到鋼板上并將鋼板澆注到開挖面混凝土護面中。

（2）在錨頭位置制作燈泡式鋼筋籠，提高表面與周邊巖土體的接觸以擴散應力覆蓋范圍。

（3）將主筋與其他結構物鋼筋連接，如與抗滑樁樁身鋼筋焊接或與護坡格構梁鋼筋焊接。

（4）通過將多根主鋼筋與比其直徑更大的螺絲端桿鋼筋焊接并張拉，形成預應力錨筋樁。

有關外錨固段處理的圖樣，詳見后文“第八節 錨桿施工大樣圖與施工說明文件編制”或前文錨桿外錨頭的設計。在獨立制作樁頭與其他護面結構鋼筋相連時，錨筋樁主筋上端需適度彎折（如成30°角），端部彎曲成鉤以便使樁頭應力得以擴散，且樁頭埋入其他構件的長度不小于30倍的鋼筋直徑并至少大于10cm。

錨桿孔直徑、孔深設計關乎錨筋樁的直徑及長度，考慮到其承載方式與摩擦樁類似，因此，兩者均會顯著影響樁抗拉拔能力的大小。錨筋樁設計暫無規范作為依據。而從減少擾動的角度，常用的砂漿錨筋樁直徑均小于180mm。在選定的錨筋樁直徑、長度條件下，還需就截面受力安全進行驗算，進而選定鋼筋材質、數量和截面大小。

二、錨筋樁直徑及長度設計

考慮到錨筋樁主要通過利用周邊巖土體的握裹力來抵抗拉拔作用，是較為典型的借助摩阻力發揮承載作用的樁型，設計時，可根據現場地質資料獲取情況，參照摩擦樁的設計方法進行樁長計算或者按錨桿錨固段長度設計方法進行。值得注意的是，淺表層需要進行加固的區域，在長度選擇時，應忽略或適度折減其對錨筋樁抗拉拔能力的貢獻，類似的處理在錨索的設計中將根據巖性的差異加以詳細討論。

錨桿錨固段長度的計算方法見本章第六節。而從摩擦樁抗拉拔進行設計，需要獲知周邊巖土體的極限摩阻力，計算方法見式（1-6）。

式中：T_uk為樁抗拔極限承載力標準值，kPa；λ_i為第i層土的抗拔修正系數，小于0.8；q_sik為第i層土的抗拔極限側阻力標準值，kPa；u_i，l_i為該土層段內樁的周長和長度，m。抗拔修正系數的值介于0.5~0.8之間，主要是從樁土接觸非線性角度出發以預防樁發生脆性破壞而設置的。而抗拔極限側阻力標準值在《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中提供了相應的表格供參考。

如前所述，錨筋樁直徑普遍小于180mm，而從安裝便捷出發其直徑多需大于90mm，故此，錨筋樁直徑選擇空間不大，可根據施工機械的情況預設一個孔徑數值后重點對樁長度進行設計。

考慮到常用加固對象多為裂隙巖體，錨筋樁嵌入穩定地層的深度，在平面上差異較大，選擇深度時，需兼顧平面數量選擇綜合考慮。如湖南筱溪水電站壩基巖體加固時，交錯布置了6m、18m及24m 3種不同長度的錨筋樁。此外，作為一種應急搶險時常用的加固手段，錨筋樁在坡面鉆孔施工過程中，可根據孔內鉆探資料實時進行動態設計，其原則是保證錨筋樁將荷載傳遞到深部完整性較好的新鮮巖體內部，如深入微風化巖體0.5m以上。對于考慮懸吊作用的錨筋樁長度選擇，則主要考慮加固對象的規模，如在糯扎渡導流隧洞洞臉位置進行的設計，采用從坡體表面貫穿至隧洞拱部并外露50cm的方案。

三、錨筋樁截面設計及材質選擇

錨筋樁主要利用水泥砂漿與主鋼筋的黏結力和砂漿與巖體之間的黏結力而達到加固巖體的作用。在確保發揮該作用時，需確保結構軸向受力安全儲備足夠，即鋼筋需有足夠的抗拉能力。錨筋樁截面內需要布置主筋、注漿管并預留砂漿空間，同時考慮到受力的特點還需要將鋼筋布置于樁緣靠近孔壁，并輔以架立管、支撐鋼筋、定位鋼筋等以滿足定位和截面定型的需要。錨筋樁主鋼筋受拉時，其表面斜肋凸緣擠壓周圍混凝土，再由混凝土傳遞荷載至周邊巖土體中。而由于架立管、鋼筋支架等的存在，結構內部存在比較復雜的共同作用，對于錨筋樁軸向受力有一定的改善作用，但考慮到其復雜性，設計時將其簡化作為安全儲備，因此截面設計的主要任務是明確鋼筋的數量。

對一已知錨桿軸力P的錨筋樁，由式（1-7）計算主鋼筋的截面面積。

式中：P為錨筋樁軸力，kN；σ_g為主鋼筋的應力值（可按對應材質鋼筋受拉強度估算），MPa；A_g為主鋼筋的面積，m²；A_h為水泥砂漿的面積，m²；E_g為主鋼筋彈性模量，MPa；E_h為水泥砂漿彈性模量，MPa。

鋼材的彈性模量是砂漿材料的10倍以上，在截面總面積有限的情況下，砂漿在錨筋樁軸向受力時主要起提高與周邊巖土體黏結力、提高荷載擴散范圍的作用。砂漿體不開裂是其正常工作的保證。2009年實施的《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ/T 70）中規定了砂漿黏結力的測試方法，在無類似應用先例作為經驗時，砂漿選用需開展此類試驗以保證其滿足使用要求。通常要求砂漿等級不低于M15。

對于錨筋樁的主筋選擇而言，國家目前已經取消Ⅰ級、Ⅱ級鋼筋等的術語用法，改用加工方式與強度等級合二為一的術語，如原Ⅰ級鋼筋對應的主要是HPB300鋼筋，由于是光面鋼筋且強度較低，不建議在錨筋樁內使用。而原Ⅱ級鋼筋，現對應HRB335，是螺紋鋼筋且屈服強度達到了335MPa，在錨筋樁中應用較為普遍。

四、錨筋樁數量及間距設計

錨筋樁的布置主要是起到荷載遷移的作用，其效果的發揮首先受制于深部巖體的穩定能力，通過加密錨筋樁數量并不能提高安全裕度。因此，錨筋樁數量的確定需明確單根錨筋樁設計抗拉拔能力之后再進行。錨筋樁多采用系統形式布置于加固區域，當確定了加固對象所需要的錨筋樁軸力后，在不考慮安裝角度影響的條件下，錨筋樁的數量可按式（1-8）計算：

式中：n為錨筋樁數量，單位為根；τ為單根錨筋樁的抗拉拔強度，kN；N_s為可能失穩巖體產生的總下滑力，kN；F_s為安全系數。

由于錨筋樁需要一定的安裝角度，實際計算時，需要根據錨筋樁安裝角度調整其抗拉拔強度，以滿足計算要求。即在滿足一定安全考慮的基礎上，對其試驗所得極限抗拉拔能力進行修正。

計算得到錨筋樁數量后，經優化計算和合理布置后，可得到錨筋樁間距值。

五、錨筋樁加固效應計算

如前所述，錨筋樁有被動提升加固范圍內巖體穩定能力的效果。其通過轉移荷載、懸吊等途徑，形成了“錨固影響筒”，在該“筒”狀加固影響區域內的巖體的穩定能力得以增強。治理之后，如何對加固效應進行折算，以反映到加固對象（如邊坡）的穩定性評價中呢?首先，需要估算錨固影響筒的面積S。實際上，其大小受灌漿壓力、圍巖質量、施工質量、截面大小等影響，波動較大。部分工程監測成果顯示，錨筋樁的加固范圍遠小于預應力錨桿（索），約為其直徑的2~4倍。

得到加固范圍大小的數值后，可按式（1-9）估算其對巖體抗滑能力的提升量：

式中：C為加固范圍內巖土體的黏聚力，kPa；T₀為考慮安全使用后折減的錨筋樁極限拉拔力，kN；S為加固筒在平面上的大小，m²；A為錨筋樁加固區的外擴效應系數，取2~4；R為錨筋樁直徑，m。

式（1-9）中，僅考慮了對巖體黏聚力的貢獻，并未考慮對抗剪強度指標中摩擦角、剪脹角等的貢獻，而錨筋樁限制塑性擴展的貢獻亦無法準確折算到主要考慮彈性的理論計算中。

上述加固效應的真實情況，應借助原位試驗、監測并結合必要的數值模擬獲得更為準確的數值。

六、錨筋樁施工步驟

錨筋樁多采用“先鉆孔后植筋再灌漿”工藝，主要施工步驟如下。

（1）搭設工作平臺：為鉆機施工和錨筋樁吊裝提供作業平臺。

（2）鉆孔與清孔：孔徑根據錨桿筋的數量確定，如一般采用成孔150mm的JMQ-50型錨桿鉆機。鉆孔前，需校準孔位和傾角。成孔后應采用高壓風水聯合沖洗以避免孔內殘渣影響灌漿施工質量。

（3）制作和吊裝錨筋束：錨筋束由多根鋼筋焊接在鋼管架立管或者鋼筋支架上，單根鋼筋不能滿足長度要求時，需要進行接長。接長可以采用套管或者焊接的方式，但主筋接長段應適當錯開布置。長度較大的錨筋束，可以分批次進行吊裝入孔。

（4）注漿與養護：注漿采用砂漿注漿機現場隨用隨拌。灌漿時，待排氣管返漿后方可慢慢拔出灌漿管。灌漿結束48h內，禁止擾動錨筋束。

七、錨筋樁施工說明編制

錨筋樁施工說明編制主要包括以下內容。

（1）施工圖圖幅對應的施工位置及場地條件說明：如某施工圖為“尾水出口正面坡1號路以上預應力錨索及錨筋樁布置圖”。場地條件側重說明加固區主要巖土體及潛在災害類型。（2）錨筋樁孔位平面圖、樁橫斷面及縱斷面圖：配套錨筋樁孔徑、長度、材質等表格或標示。圖比例尺及尺寸標注時，圖中高程、樁號、坐標以米計，結構尺寸以厘米計，鋼筋直徑、管徑、孔徑以毫米計。

（3）鉆孔設備要求及精度控制標準：平面位置不作為主要控制內容，鉆孔軸垂直偏斜角度是主要內容。如某工程允許斜度±1°，孔深誤差10cm，孔距誤差小于30cm，錨樁布置可根據現場實際情況在監理指示下進行適當調整。

（4）鋼筋連接技術要求：鋼筋接頭應分散布置，不宜布置在同一截面。鋼筋連接采用可靠的機械連接法（擠壓套筒連接法、滾軋直螺紋套筒連接等）。采用機械連接時所使用的連接材料、工藝、規格及連接方法應遵守《鋼筋機械連接通用技術規程》（JGJ 107—2016）的規定。

（5）灌漿水泥砂漿質量要求：如某工程采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥砂漿標號M25（7d），砂子最大粒徑d為2~2.5mm，細度模數不大于2.5，水泥砂漿配比為水0.5∶灰1.0∶砂0.5。注漿管直徑25mm，回漿管直徑15mm。灌漿壓力暫定為0.2～0.3MPa，當回漿連續且比重大于或等于進漿比重時循環10min后再屏漿20min，壓力下降不大于25%時，灌漿結束。

（6）錨樁工程量匯總：如某工程錨筋樁長度均為26m，直徑120mm。高程500m以上錨筋樁采用5φ36鋼筋的29根，采用6φ36鋼筋的118根；高程500m以下錨筋樁采用5φ36鋼筋的217根，采用6φ36鋼筋的74根。

（7）錨筋樁質量驗收內容及標準，如需開展抽檢試驗、施工前生產試驗，需明確數量要求。

作為一類比錨桿、錨索功能相對簡單的巖石錨固結構，錨筋樁需通過全長注漿以實現其功能作用，錨筋樁的承載能力因此與施工質量息息相關，特別是長度誤差與灌漿質量。