1. 概述
岩土工程的研究对象是复杂的地质体。在漫长的地质时期，由于地质构造运动、自然风化和人类活动，形成了大量的断层、层理、节理、软弱夹层、岩溶沟、岩溶槽。及其他地质缺陷。在一定的时间和条件下，岩土体可能处于相对稳定的平衡状态；如果条件发生变化，原有的平衡状态可能会被破坏。例如，岩土工程在开挖和施工过程中，其原有应力场重新分布，导致岩土体变形，产生滑坡、沉陷、岩崩、滑坡、地面沉降等地质灾害。
为了防治此类灾害，工程中常在岩土体中埋设拉杆，以动员和提高岩土体的强度和自稳能力。这种拉杆称为锚杆或锚。缆索（以下统称为锚杆）起到锚的作用。运用数学、力学、工程材料等科学知识解决岩土工程中锚固设计、计算、施工和监测问题的技术和工艺称为锚固工程。
2、锚栓类型
边坡工程中使用的锚杆是安装在岩土层深处的拉杆。它的一端与工程结构连接，另一端锚固在岩土层中。如有必要，需对其施加预应力。它承受岩土压力、水压力或风荷载产生的拉力，然后将拉力传递到深层稳定的岩土层，有效承受结构荷载，防止边坡变形和失稳。
预应力是人为施加在锚杆上的拉应力，从而对边坡施加主动压力。因此，预应力锚杆与非预应力锚杆不同。后者仅在岩土体变形时承受拉力，且拉力随位移的增加而增大，因此这种拉力主要仅悬挂变形体。影响。因此，预应力锚杆属于主动加固措施，非预应力锚杆属于被动加固措施。在边坡锚固工程中，前者比后者应用更为广泛。
工程通常根据以下方法进行分类：
(1)按应用对象划分，包括岩锚和土锚；
(2)按照是否预先施加应力来划分，包括预应力锚杆和非预应力锚杆；
(3)按锚固机构分，包括粘结锚栓(水泥砂浆锚栓、树脂锚栓)、摩擦锚栓(缝管锚栓、水胀锚栓和楔缝锚栓)、端锚锚栓(机械式)锚栓和混合锚栓;
(4)按锚杆受力传递方式和荷载分布情况划分，包括压力锚杆、拉力锚杆、压力分散锚杆和拉力分散锚杆；
(5)按锚固部位尺寸划分，包括全长锚固锚和端锚锚；
(6)按锚杆形状分，包括圆柱形锚杆、端部扩大锚杆和连续球形锚杆。
圆柱形锚栓
结构简单，易于制造和安装。粘结材料通常为水泥砂浆。适用于密度较高、含水量较低、抗剪强度或设计承载力较高的粘性土、砂土、粉土等土层。较低的岩层。
扩展端锚
扩大锚杆底部孔径，形状像倒埋的销钉，不仅提供了粘结力，而且增加了岩土体对锚杆拔出的阻力，从而提高了锚固力和极限抗力锚杆。拉力。该型式锚杆主要适用于软土层，要求具有较高的承载能力。
连续球锚
通过分段膨胀法或分段高压注浆法，使锚杆锚固段形成一系列球体，使其与周围土体具有较高的嵌入强度。该型锚适用于淤泥、泥质土层，需要较高的锚固力。
对于风化岩土质边坡，广泛采用分散拉力锚和分散压力锚（统称分散荷载锚）。
张拉式锚杆是指锚杆受力时，锚固段内的注浆体处于受拉状态的锚杆。其主要特点是当锚杆受力时，锚固段内的浆液被拉伸，拉力通过浆液传递到周围地层。结构简单。目前应用最为广泛。
压力式锚杆是指受力时锚固段内的注浆体处于压力状态的锚杆。其主要特点是锚杆受力时利用承载体压缩锚固段内的水泥浆，并将拉力通过水泥浆传递到周围。注浆体的防腐性能良好，但由于注浆体的承压面积受到钻孔直径的限制，无法获得高承载能力的锚杆。
分散荷载锚杆也称为单孔复合锚杆。它们是指由钻孔中的多个拉力或压力单元锚组成的复合锚系统。它们可以将锚固力分散到总锚固中。断面的不同部位（即各单元锚杆的锚固断面）。
主要包括张力分散锚和压力分散锚。它们在作业时可以充分利用地层的固有强度，其承载能力与锚固段的长度成正比增加。
张力分散锚杆适用于锚固承载力要求较高的软岩或土质工程，压力分散型锚杆适用于锚杆承载力要求较高或防腐等级较高的软岩或土质工程。
张力分散锚
压力分散锚栓
3、锚杆结构
工程中所指的锚杆通常是受拉构件所在锚固系统的总称。
锚杆一般由三个基本部分组成：锚头、杆体（拉杆）和锚体（节段）。
锚头
锚头是结构与拉杆之间的连接部件。其作用是有效地将力从结构传递到拉杆。锚头一般由底座、承压板、锚栓等部件组成。
杆体
锚杆体要求位于锚固结构的中心线上，其作用是将锚头的拉力传递至锚体。杆体通常要承受一定的载荷，因此一般采用抗拉强度较高的钢材制成。
锚
锚杆（节）位于锚杆尾部，与岩土层紧密相连。其作用是通过锚杆与周围岩土层之间的摩擦阻力（或支护阻力）将拉杆的力传递到稳定地层。
锚索是承载能力较高的锚杆，其强度、锚固深度、单锚锚固力都比较大。锚杆主要承受拉力，其次是剪力，一般不能承受弯曲，而锚索只存在拉力。
同样，锚索结构也可分为三个主要部分，即锚头、锚索体和锚体。其中，锚头由垫板、锚环、锚塞和混凝土墩组成。锚索体采用高强度钢丝、钢丝束或钢绞线制成。锚杆本体主要包括定位环、灌浆塞、膨胀环和导向件。帽子等
4、锚固机构
边坡锚固的基本原理是依靠锚杆周围稳定地层的抗剪强度来传递结构（被加强物）的拉力，以稳定结构或保持边坡开挖面本身的稳定。
悬挂机构
锚杆支护是通过锚杆将软弱、松散、不稳定的岩土体悬挂在深层稳定岩土体上，防止其滑离层层。
组合梁的作用机理
将薄层岩体视为一种梁（简单支撑或悬臂），在未锚定时简单地堆叠起来。
挤压加固机构
当预应力锚杆安装在弹性体上时，弹性体中形成以锚杆两端为顶点的锥形压缩区。如果锚固件以适当的间隔布置，则相邻锚固件的锥形压缩区可以相互重叠。 ，即形成一定厚度的连续压缩区。
5 锚固元件分析
边坡锚固通常采用水泥砂浆（或水泥浆、化学浆液、树脂等）将一组杆（钢筋或钢丝束等）锚固于边坡地层钻孔深处，以达到锚固效果。 。在实际锚固工程中，水泥砂浆锚栓占绝大多数。
地脚螺栓基本力学参数
1）拉拔力：拉拔试验中锚杆所承受的极限拉力，即锚固力。
2) 握力：锚杆体与粘结材料之间的最大剪切阻力。
3）粘结力：锚固粘结材料与孔壁岩土体之间的最大剪切阻力。
4）拉伸破断力：锚杆体的极限拉伸能力。
砂浆锚固力传递过程
以锚固段作为隔离体，当锚固段受力时，拉力首先通过杆体周围砂浆的抱力传递给砂浆，然后通过粘结力（或锚固部分钻孔周围的摩擦阻力。
如果杆体受到拉力，除了杆体本身需要有足够的截面积来承受拉力外，还必须同时满足以下三个条件钢结构锚固，以使锚杆的拉力：可以有效发挥出效果：
1）锚固节砂浆对杆体的抱力必须能承受极限应力；
2）锚固段砂浆与地层的粘结力必须能承受极限应力；
3）锚固段周围岩土体在最恶劣的条件下仍能保持整体稳定性。
典型损伤形式
√沿臼体与杆体接触面损坏
√沿砂浆与地层接触面的损坏
√锚杆体因拉力而断裂，
√锚固段砂浆体被剪断。
√ 锚固段地层（土层或破碎岩体）剪切破坏
当锚杆受力时，沿锚杆断面全长的粘结应力分布极不均匀：
因此，能够有效发挥锚固效果的粘结应力分布长度存在一定的限制。随着锚固段长度的增加，平均粘结应力逐渐减小。
锚固节砂浆对杆体的握持力
浇筑在较为完整的岩层中的水泥砂浆的抗压强度一般不低于30MPa。如果严格按照规定的灌浆工艺进行施工，岩层孔壁的粘结力通常大于砂浆的持力力。因此，岩锚的拉拔力Tu和最小锚固长度La min一般取决于砂浆的持力力，即：
一般岩层中所需锚固长度仅为1~2m。采用热轧螺纹钢筋作为锚杆时，在硬岩层完好的情况下，锚杆内的粘结（握持）应力传递深度通常不超过2m。
但在使用过程中必须确定以下条件：锚固段岩体是否稳定，是否可能发生滑坡、崩塌，锚固段切缝岩块在拉力作用下是否松动等。考虑到上述不利因素，建议注浆锚固段到达岩层内部（不含风化层）的长度不小于4.5m。
锚固段砂浆对孔壁的附着力
在强风化岩土层中，锚杆的极限拉拔能力取决于锚固段砂浆对地层所能产生的最大粘结力（摩擦力），即：
6. 锚杆设计计算
基本要求
锚固工程应在勘察和岩土工程勘察的基础上，采用理论计算、工程类比和监测测量相结合的设计方法，合理利用岩土体的固有强度和自承能力。在设计地脚螺栓前，应根据勘察勘察结果，对所用地脚螺栓的安全性、经济性进行评价，判断施工可行性。
锚按使用期限可分为临时锚和永久锚：使用期限小于2年的，可设计为临时锚；如果使用寿命超过2年，应设计为永久性锚栓。设计永久锚杆时，必须首先对锚杆进行基础试验，锚固段必须避免在以下未经处理的土层中：
设计过程
以预应力锚杆为例，锚固工程设计主要包括锚固力计算（边坡、挡土墙、锚桩等）、锚杆布置及安装角度确定、锚杆材料选择及确定、锚杆结构设计、锚头及防腐设计、整体稳定性计算等。
边坡锚固力计算
在计算边坡锚固力的过程中，首先需要按照规范确定边坡设计安全系数，其次根据不同的破坏形式计算边坡单位长度所需的锚固力。边坡锚固力计算可采用极限平衡法，但对于重要或复杂边坡的锚固设计，应同时采用极限平衡法和数值分析方法。
1）单平面失效模式
当边坡上有一组裸露的软弱结构面时，其走势与边坡相似，且倾斜角小于边坡的倾斜角，但大于软弱面的内摩擦角，边坡容易发生单面破坏，常发生在岩石边坡中，通常有两种情况：坡顶有拉裂缝和无拉裂缝。但大多数单面破坏边坡在破坏前都会在坡顶产生不同程度的拉裂。
6）锚点布置
原则上，锚杆布置应根据实际地层条件以及锚杆与其他支护结构联合使用的具体情况确定。在确定锚杆布置位置之前，必须充分了解边坡的地质条件，确定边坡的变形和破坏模式。锚杆布置的总原则是使斜坡滑坡产生最佳的防滑效果，一般应满足以下基本要求：
(1) 锚栓的间距和长度应根据锚固工程周围地层的整体稳定性确定。
(2)除满足锚杆受力要求外，锚杆间距还应大于1.5m，避免因群锚效应而降低锚固力。当采用的间距小于1.5m时，相邻锚杆的倾斜角度应调整至相差3°以上。
岩土锚杆通常以组的形式出现。如果锚杆布置密集，地层应力区重叠，会造成应力叠加和锚杆位移，使锚杆的极限拉拔力无法有效发挥，即群锚效应。由于群锚效应，锚杆的极限拉力会降低，这与锚杆间距、直径、长度、地层形状等因素有关。
(3)锚杆与相邻基础或地下设施的距离宜大于3.0m。
(4)锚杆锚固段应位于潜在滑移面外的稳定岩土中，上覆土层厚度不应小于4.5m，以避免坡顶重复荷载的影响，同时，不会因高注浆压力而破坏上覆土体。层凸起。
(5)根据锚杆的工作原理，不同类型的工程，锚杆的倾斜角度不同。锚杆倾斜角度的确定应有利于满足工程的防滑移、防倒塌、防倾斜或防漂浮要求。但在控制注浆质量方面，如果锚杆倾斜角度过小，注浆材料泌水硬化产生的残渣会影响锚杆的承载能力。因此，锚杆的倾斜角度应避免与水平面成-10°。 ~+10° 范围。 10°范围内的锚杆灌浆应采取措施保证灌浆密实。
(6)为使钢绞线之间保持适当的间距，并保证钢绞线裹有足够的水泥浆，满足钢绞线与灌浆体之间的粘结强度要求，锚固钻孔直径应满足锚杆。对于抗拉承载能力和防腐保护要求，压力式或压力分散式锚栓的钻孔直径仍应满足承载体尺寸的要求。
(7)预应力锚杆的布置间距应根据边坡地层性质、所需总锚固力和单锚承载力设计值确定。一般情况下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类岩体边坡预应力锚杆间距宜为3.0～6.0m，Ⅳ类岩体与土质边坡预应力锚杆间距宜为2.5～4.0m。
(8)锚杆的敷设角度，对于基坑或近垂直边坡，需考虑邻近条件、锚固层位置和施工方法。一般情况下，锚杆的倾斜角度不应小于13°，也不应大于45°。倾斜角度越大，抵抗滑动体滑动的能力就会相应减弱，因此锚杆布置角度以15～35°为宜。
对于崩塌破坏的边坡，预应力锚杆的设计布置角度宜垂直于岩体层理面。对于滑动破坏的边坡，预应力锚杆的布置角度应发挥锚杆的抗滑作用。在可行的施工条件下，锚杆的倾斜角度应按下式计算：
当边坡失稳模式为滑动破坏时，锚杆宜布置在潜在滑动体的中下部；
当边坡失稳模式为倾倒破坏时，锚杆宜布置在潜在倾倒体的中上部；
当存在软岩层或风化带，可能引起边坡变形破坏时，应将锚栓穿过软岩层或风化带，并用混凝土锚墩密封。
当滑移面受单一不连续面控制且岩体较完整时，锚杆间距并不重要。当岩体破碎时，锚杆布置应能在岩体中形成连续的压缩区。锚头与锚固段之间形成约90°的压力锥。锥体内的岩石相互挤压，形成一个整体，从而阻止了岩体的变形。
根据挤压加固原理，布置锚杆时，垂直和水平方向均应有一定数量，使每根锚杆周围形成相互连接的压缩锥，并有一定的压缩锥体。相互重叠的量。为防止锚杆间坡面岩体脱落，可采用钢筋混凝土框架梁和布置在锚头与横梁之间的金属网来支撑传递至锚杆的力杆穿过横梁。
7）锚杆结构设计
(1)锚杆体截面积
预应力锚杆结构的设计计算主要包括三个方面，即：锚杆体抗拉承载力计算、锚杆锚固段注浆体及杆体抗拔承载力计算，以及灌浆体和地面的计算。拉拔承载力的计算。一般来说，前者用于确定锚杆本体的横截面积，后两者用于确定锚杆锚固段的长度。此外，对于压力式或压力分散式锚杆，还应计算锚固段注浆体截面的受压能力。
(2)锚杆锚固段长度
锚固部分的长度可以基于计算和工程类比来确定。对于Ⅰ、Ⅱ级斜坡，应采用现场拉拔试验进行验证。锚杆或单元锚杆的锚固段长度可由下式确定，取两者中较大值：
一般来说，拉压锚的锚固段长度宜为3~8m（岩石）、6~12m（土）。在软岩或土层中，当拉锚或压力锚的锚固段长度超过8m（软岩）和12m（土层）时，仍不能满足极限拉拔承载力要求或要求更高的极限拉力。出锚的阻力。当承载力较高时，宜采用压力分散型或拉力分散型锚栓。压力分散型、张力分散型锚栓的单元锚栓锚固段长度宜为2～3m（软岩）、3～6m（土层）。
(3) 锚杆自由段长度
锚杆自由段长度应根据锚杆与滑动面、坡面交点的距离确定。如果锚杆自由段长度太短，则锚杆施加初始预应力后，锚杆的弹性位移较小。锚头一旦松动，可能会造成预应力较大损失，因此锚杆自由段长度一般不宜小于5.0m。另外，自由段应穿过潜在滑移面至少1.5m钢结构锚固，锚固段应布置在合适的地层中，以保证锚固系统的整体稳定性。
8）锚杆体对中装置设计
锚杆体对中装置的主要作用包括两个方面：①杆体处于锚固砂浆的中间。杆体受力时，锚体受力均匀； ②杆体周围砂浆厚度均匀，满足防腐要求。
9）锚杆初始预应力的确定
对于地面及锚固结构位移控制要求较高的工程，锚杆初始预应力值宜为锚杆拉力设计值；对地面和锚固结构位移控制要求不高的工程，锚杆初始预应力值宜为锚杆拉力设计值的0.70~0.85倍；对于流变特征明显的高应力、低强度岩体中的隧道、洞室支护工程，初始预应力宜为锚索拉力设计值的0.5～0.6倍；对于特殊地层或对锚固结构有特殊要求的锚杆，其初始预应力可根据设计要求确定。
10）锚杆传力结构及锚头设计
表层为土体或软弱破碎岩体的边坡宜采用框架梁式钢筋混凝土输电结构；完整性较好的一、二、三类岩质边坡宜采用桥墩或地梁式钢筋混凝土输电结构。部队结构；有条件时应优先采用预制传力结构。设置预制传力结构，可以最大限度地减少开挖面暴露面积和暴露时间，有利于保护开孔后岩土体的固有强度和自稳能力，增强开挖面的整体稳定性。边坡，显着缩短边坡施工周期。
11）锚杆防腐保护结构设计
永久性锚栓必须设计为耐腐蚀。腐蚀环境下的永久锚栓应设计Ⅰ级防腐结构。腐蚀环境下的临时锚和非腐蚀环境下的永久锚可设计二级防腐结构；非腐蚀环境下的临时锚栓可设计Ⅲ级防腐结构。锚杆I、II、III级保护的具体结构参见《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086-2015）。
12）检查锚固系统的整体稳定性
锚固系统的损坏形式有多种，设计时必须仔细检查所有可能的损坏形式。因此，除了应满足设计要求的锚螺栓的拉伸强度外，还必须检查由锚螺栓组成的锚固系统的整体稳定性以及斜率岩石和土壤的整体稳定性。可以使用电弧滑动方法或断线滑动方法检查锚定系统的外部稳定性；可以使用Kranz方法检查内部稳定性。
