第六节 锚杆体的选型与锚杆设计
实际工程的锚杆设计中，对于锚杆体的型式应根据锚固工程的使用年限、单根锚杆的设计张拉力、锚杆的布置及施工条件等经综合比较选择确定。一般条件下，可根据锚杆的加固目的，采用拉力型胶结式内锚固段的结构形式，胶结式内锚固段的胶结材料应优先选择水泥砂浆或水泥浆，在有特殊要求时如地下洞室的顶拱部位可选择树脂胶结材料。
一、锚杆体的选型
锚杆体的选型包括确定锚杆体的形式、锚固段的胶结方式、外锚固端的结构及锚杆杆体材料的选择等内容。其依据是锚杆的工作年限、单根锚杆的设计张拉力、锚杆的布置方式，并充分考虑施工条件与经济可行性。具体可以参考以下原则确定。
1.内锚固段胶结形式的选择
一般情况下，通常采用胶结式内锚固段的结构形式，胶结材料宜选择为水泥砂浆或水泥浆（称为普通砂浆锚杆），除非针对难以满足胶结密实度要求的工程，如地下工程的顶拱位置可以考虑树脂胶结材料。常用的普通砂浆锚杆由水泥砂浆、杆体、垫板、垫圈和螺帽组成，其结构见图1-14。砂浆锚杆是利用水泥砂浆将锚杆与孔壁牢牢地黏结在一起，从而达到锚固的目的。普通砂浆锚杆具有结构简单、施工方便、对地层适应性强等特点，可适用于各种地层，但一般不建议施加预应力。
为了使锚杆杆体能顺利插入孔中，通常将锚杆杆体的端部焊接一个导向结构，形式见图1-15。
图1-14 砂浆锚杆结构示意图
图1-15 锚杆杆体端部的导向系统结构
2.杆体材料的选择
对于非预应力砂浆锚杆的选型主要要注意杆体直径一般宜为16~25mm；但近年来也有采用28mm的钢筋的锚杆。而对于预应力锚杆，则应采用精轧螺纹钢筋，且直径可以在28~40mm之间。特别是对于单根锚杆设计张拉力小于200kN的锚固工程，也可以采用普通钢材制作的预应力砂浆锚杆。
3.机械式内锚固段锚杆
单根锚杆的设计张拉力不宜大于1000kN，对锚固地区的围岩要求较高，如要求围岩完整、抗压强度达到60MPa以上。
二、预应力砂浆锚杆的结构设计
1.锚杆体截面设计
锚杆钢筋的横截面是由锚杆材料的破拉强度及每根锚杆的设计张拉值来确定的，在实际应用中，可按式（1-1）计算求得。
式中: As为锚杆钢筋截面面积，mm2；Kt为锚杆杆体的抗拔安全系数，根据工程重要性及锚固等级取值；Nt为锚杆轴向拉力设计值，kN；fyk为钢筋抗拉强度标准值，kPa。
2.锚固段注浆体的承压面积设计
对于压力分散型锚杆的锚固段注浆体，为保证在压力作用下注浆体不被破坏，注浆体的承压面积应满足式（1-2）的计算结果。
式中：Kp为单元锚杆锚固段注浆体的局部抗压安全系数，一般取2.0；Nt为单元锚杆的轴向抗拉荷载设计值，N；Ap为单元锚杆承载体与锚固段注浆体横截面的净接触面积，即毛受压面积扣除孔道面积，mm2；Am为单元锚杆锚固段注浆体横截面，mm2；η为有裂隙锚固段注浆体的强度增大系数，由裂隙的张开度确定；fc为锚固段注浆体的轴心抗压强度标准值，N/mm2。
3.内锚固段长度设计
（1）按锚杆锚固体与地层的黏结力计算锚固端长度。
式中: la1为内锚固段长度，m；D为锚固体直径，mm； frb为地层与锚固体黏结强度特征值，MPa（表1-17），其值在0.55~0.90MPa（按较硬岩取）；ψ为锚固长度对黏结强度的影响系数，仅考虑软岩或较软岩，对应锚固长度2~4m、4~6m、6m、6~9m及9~12m时，分别取1.3~1.6、1.0~1.3、1.0、0.8~1.0及0.6~0.8；Nt为锚杆轴向拉力设计值，kN；K为锚杆锚固体的抗拔安全系数，按表1-6选取。
（2）按锚杆钢筋与锚固砂浆间的黏结力计算锚固长度。
式中： la2为锚固段长度，m；d为锚杆钢筋直径，mm；fb为钢筋与锚固注浆体间的黏结强度标准值，MPa（表1-18）；ξ为采用2根或2根以上钢筋时，界面的黏结强度降低系数，取0.60~0.85。
表1-17 岩石与水泥砂浆或水泥结石体的黏结强度标准值
表1-18 钢筋与水泥砂浆或水泥结石体的黏结强度标准值
4.自由段长度设计
为保证锚杆加固效果，锚杆自由段的长度应满足以下两个条件。
（1）对用于加固具有潜在滑动面的滑动块体时，自由段长度最少应穿过滑动面1.5m，通常取2.0m。
（2）内锚式锚杆的自由段长度应不小于5.0m。
除了以上条件外，需要对锚杆加固效果进行整体安全性评价，尤其是要校核锚杆锚固段在稳定地层中的位置。
三、非预应力锚杆结构设计
非预应力锚杆主要是对浅部岩体起加筋作用，同时，注入的水泥砂浆对裂隙岩体起加固并增加岩体强度的作用，通过非预应力锚杆的加固，改善了岩体的力学性能，当锚杆通过被锚固结构时能使结构本身产生预应力。
非预应力锚杆通常采用全长黏结式普通砂浆锚杆，主要应用于以下情况。
（1）节理裂隙发育风化严重的岩质边坡的浅层锚固。
（2）碎裂和散体结构岩质边坡的浅层锚固。
（3）边坡的松动岩块锚固。
（4）土质边坡的锚固。
（5）固定边坡坡面防护结构或构件的锚固。
非预应力锚杆设计的内容包括锚杆长度、布置尺寸、方位角和锚固角等。由于非预应力锚杆的主要作用是加固边坡表层岩体，兼顾坡面随机块体的处理，因而设计中应主要考虑结构尺寸与岩体受力影响范围的关系。按照一般经验，锚杆的深度和布置尺寸应满足L/B≥1.2倍的关系（L为锚杆深度，B为孔排距中最大尺寸），才能在岩体中形成连续受力拱，且锚杆以长短相间布置效果较好；锚杆的方位角和倾角则由施工方便、便于控制注浆质量和较好的受力状态等因素综合确定。锚杆长度、布置尺寸的确定主要依据边坡岩体结构特征、随机块体深度及分布特征等。
四、快硬水泥卷与树脂卷锚杆的设计
目前，在地下工程的顶拱加固中，常采用快硬水泥卷锚杆及树脂药卷锚杆，这两类锚杆的设计方法基本相同。快硬水泥卷的药卷可分为空心和实心的两种型式，实心药卷锚杆的结构形式与树脂药卷锚杆相似（图1-16），杆体头部是反麻花状的。空心药卷锚杆的结构见图1-17，这类锚杆是以水泥药卷为黏结材料，把锚杆固定在孔中心。一般情况下，每个药卷可产生60~120kN的锚固力，可根据需要增加药卷的数量以提供较大的锚固力。
图1-16 树脂药卷锚杆结构示意图
1—树脂药卷锚固剂；2—钻孔；3—杆体；4—垫板；5—垫圈；6—螺母
图1-17 快硬水泥卷锚杆结构示意图
1—水泥卷锚固剂；2—钻孔；3—杆体；4—垫板；5—垫圈；6—螺母
快硬水泥卷锚杆设计的3个主要参数为水泥卷的直径φ、长度L和装药量g。药卷直径要与孔径吻合，为了便于施工安装方便，药卷直径可以比孔径小4~6mm。药卷总长度应根据内锚固长度和生产制作的要求而定，其计算公式为
式中：L为水泥卷总长度，m；φ1为锚杆孔直径，mm；d为锚杆体直径，mm；l为锚固段长度，m；φ为水泥药卷直径，mm；k为富余系数，一般k=1.05~1.10。
树脂药卷锚杆的结构见图1-16。树脂药卷一般在5min时间内能完成固化。树脂锚杆具有锚固快、承载力大和适用性广等特点，但锚固剂成本较高、储存期较短以及存在有毒和易老化等问题。树脂药卷锚杆的设计参数同水泥卷锚杆，几种常用规格树脂锚杆的结构尺寸见表1-19。
计算采用树脂药卷锚杆时，黏结材料与围岩的黏结强度可按表1-20参考使用。
表1-19 树脂锚杆结构尺寸参考表
注 φ1为锚杆孔直径；φ2为反麻花下部焊接挡圈的外径；δ为挡圈厚度；M为锚杆杆体直径；l1为锚固段长度。
表1-20 树脂药卷与围岩的黏结强度
五、预应力锚杆的防护设计
预应力锚杆的关键问题是预应力的长期荷载稳定性问题，而预应力的长期稳定性除了因岩石的蠕变使钢筋松弛外，很重要的是锚杆的抗腐蚀，由于地下水的腐蚀性及锚杆杆体的锈蚀将导致锚杆体的破坏，在采用预应力锚杆进行锚固时，必须对锚杆进行防腐蚀与防锈蚀处理。由于本小节内容与预应力锚索的防护方法相同，故将在下一章锚索防护设计中作专题讨论。
六、锚杆对中支架与隔离架设计
无论是普通砂浆锚杆还是预应力锚杆，其对地质体的加固都是通过杆体与黏结材料及黏结材料与围岩的黏结力来承担一定的荷载或提供预应力的，而黏结力的大小与浆体材料的截面有关，为了使锚杆周围的黏结体在锚杆的外围均匀分布，使锚杆置在钻孔的中央位置，就需要在锚杆杆体上焊接一定数量的对中支架，一般锚杆的对中支架间隔2m布置一个，对中支架的材料可选用φ6mm的钢筋，且弯成如图1-18所示的形状，将其焊接到锚杆杆体上，通常焊上3个以形成120°的交角。
图1-18 对中支架焊接图
七、锚杆预应力张拉锚具
在采用预应力锚杆进行锚固时，一般预应力锚杆采用HRB335、HRB400、HRB500钢筋制作。高强预应力锚杆杆体采用精轧螺纹钢，整根钢筋上轧有完整的外螺纹，在任意断面处都能用带有内螺纹的专用联结器或锚固器联结或锚固（图1-19）。相关锚具技术参数见表1-21和表1-22。
如300kN高强预应力锚杆，采用精轧螺纹钢（图1-20），公称直径32mm，屈服点540MPa，抗拉强度σb不小于835MPa，最长为12m，可用联结器加长。
图1-19 JLM型精轧螺纹钢锚杆锚具
锚固段采用树脂锚固剂，锚固长度须根据计算获得，在有较大变形的地下洞室边墙上使用预应力锚杆须适当留有裕度，以适应变形。
表1-21 JLM型精轧螺纹钢锚杆锚具技术参数 单位：mm
注 表中各符号的含义见图1-19。
表1-22 JLL型连接器的技术参数
图1-20 高强预应力锚杆钢筋材料
JLM型锚具主要用于直径为25mm、32mm的精轧螺纹钢筋的张拉锚固，配用YC60A型千斤顶和专用连接器进行张拉。