第七节 锚筋桩设计
锚筋桩是指在一个钻孔中布置多根锚固用钢筋并进行全长注浆的锚固结构，其借助周围岩土体对桩身的嵌固作用以稳定和加固岩土体。因通常不施加预应力，锚筋桩主要起被动锚固作用。其除了可承受较大的轴向拉力（压力）外，也可承受一定的横向剪力从而提高破坏面上的抗剪强度。当被加固的岩体有相对变形趋势时，可以起到限制岩体局部或整体失稳的作用。锚筋桩具有施工工艺简单、质量易于控制、节约工期等优点，在处理局部不稳定岩块、进行岩性较差边坡的浅表层岩体系统性加固时有明显优势，在欧洲国家应用较为普遍，现已成为国内水利水电工程实践中的一种重要的边坡加固方法，但在其他行业领域仍较为少见。其加固主要发挥的是锚固体的荷载转移和扩散功能，部分工程实践中则发挥了锚筋桩的悬吊作用，如糯扎渡导流隧洞进口段将其用于加固隧道进出口位置松动围岩，通过自洞脸边坡坡体向下至隧洞顶拱对穿布置锚筋桩来加固围岩。此外，工程实践中，由于普通锚杆的长度不宜超过20m，对于必须超过此长度但又不需要提供很大锚固力的锚固工程，或无法满足大吨位预应力锚索安装要求时，则可以采用锚筋桩或长锚杆的方法进行岩体加固，如云南弄另水电站边坡所用锚筋桩长度为35m。
一、锚筋桩承载特点与结构设计内容
锚筋桩结构如图1-21所示，主要由主钢筋杆体、主钢筋直螺纹套筒连接器（图1-22）、黏结材料、架立管、钢筋支架及外锚段的承载板等部分组成。锚筋桩一端与工程构筑物或其他加固对象连接（图1-23、图1-24），另一端深入地层中，其功能是将拉力传至土体深处，增强锚固体与深部岩土体的整体性。锚筋抗拔力的水平分力、附加在剪切滑移面上的阻滑力及锚筋受推力作用方向前部岩体抗力组成了锚筋桩的承载来源，但其是一种主要用于承担拉力的构件。一般采用多根（3根或6根常见）直径32mm以下的钢筋焊接组成。施工时，在岩石或土质边坡上钻孔，将注浆管与预先按设计断面焊接完成的锚筋桩钢筋绑扎后一起插入孔中，然后利用注浆管全孔一次灌注水泥浆液。由于直径较小、钢筋密集，因此常以灌注水泥砂浆代替混凝土。锚筋桩所用钢筋可以根据实际需要选择不同的热轧螺纹钢筋或普通螺纹钢。
图1-21 锚筋桩横截面示意图（单位：mm）
图1-22 直螺纹套筒钢筋连接器（单位：mm）
图1-23 抗滑桩桩顶锚筋桩连接图（单位：mm）
图1-24 抗滑桩桩顶锚筋桩结构图（单位：mm）
桩身结构按普通钢筋混凝土轴心受拉构件设计，钢筋型号、直径、数量及长度等根据单桩承受荷载和桩孔直径大小设计。单桩设计荷载大小根据被加固岩体的实际滑动力确定，并有按抗拔和抗剪进行设计两种方法。
锚筋桩结构设计的内容如下。
（1）锚杆孔直径、孔深设计，即锚筋桩锚固力大小设计。
（2）主筋截面、数量设计及钢筋型号选择，即锚筋桩截面承载安全设计。
（3）主筋连接设计，包括支架、连接器及对中钢管间距与尺寸。
（4）外锚段设计，包括孔口钢筋连接形式、封锚形式等。
其中，常见的外锚固段处理采用以下方法。
（1）将露出锚头的钢筋焊接到钢板上并将钢板浇注到开挖面混凝土护面中。
（2）在锚头位置制作灯泡式钢筋笼，提高表面与周边岩土体的接触以扩散应力覆盖范围。
（3）将主筋与其他结构物钢筋连接，如与抗滑桩桩身钢筋焊接或与护坡格构梁钢筋焊接。
（4）通过将多根主钢筋与比其直径更大的螺丝端杆钢筋焊接并张拉，形成预应力锚筋桩。
有关外锚固段处理的图样，详见后文“第八节 锚杆施工大样图与施工说明文件编制”或前文锚杆外锚头的设计。在独立制作桩头与其他护面结构钢筋相连时，锚筋桩主筋上端需适度弯折（如成30°角），端部弯曲成钩以便使桩头应力得以扩散，且桩头埋入其他构件的长度不小于30倍的钢筋直径并至少大于10cm。
锚杆孔直径、孔深设计关乎锚筋桩的直径及长度，考虑到其承载方式与摩擦桩类似，因此，两者均会显著影响桩抗拉拔能力的大小。锚筋桩设计暂无规范作为依据。而从减少扰动的角度，常用的砂浆锚筋桩直径均小于180mm。在选定的锚筋桩直径、长度条件下，还需就截面受力安全进行验算，进而选定钢筋材质、数量和截面大小。
二、锚筋桩直径及长度设计
考虑到锚筋桩主要通过利用周边岩土体的握裹力来抵抗拉拔作用，是较为典型的借助摩阻力发挥承载作用的桩型，设计时，可根据现场地质资料获取情况，参照摩擦桩的设计方法进行桩长计算或者按锚杆锚固段长度设计方法进行。值得注意的是，浅表层需要进行加固的区域，在长度选择时，应忽略或适度折减其对锚筋桩抗拉拔能力的贡献，类似的处理在锚索的设计中将根据岩性的差异加以详细讨论。
锚杆锚固段长度的计算方法见本章第六节。而从摩擦桩抗拉拔进行设计，需要获知周边岩土体的极限摩阻力，计算方法见式（1-6）。
式中：Tuk为桩抗拔极限承载力标准值，kPa；λi为第i层土的抗拔修正系数，小于0.8；qsik为第i层土的抗拔极限侧阻力标准值，kPa；ui，li为该土层段内桩的周长和长度，m。抗拔修正系数的值介于0.5~0.8之间，主要是从桩土接触非线性角度出发以预防桩发生脆性破坏而设置的。而抗拔极限侧阻力标准值在《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中提供了相应的表格供参考。
如前所述，锚筋桩直径普遍小于180mm，而从安装便捷出发其直径多需大于90mm，故此，锚筋桩直径选择空间不大，可根据施工机械的情况预设一个孔径数值后重点对桩长度进行设计。
考虑到常用加固对象多为裂隙岩体，锚筋桩嵌入稳定地层的深度，在平面上差异较大，选择深度时，需兼顾平面数量选择综合考虑。如湖南筱溪水电站坝基岩体加固时，交错布置了6m、18m及24m 3种不同长度的锚筋桩。此外，作为一种应急抢险时常用的加固手段，锚筋桩在坡面钻孔施工过程中，可根据孔内钻探资料实时进行动态设计，其原则是保证锚筋桩将荷载传递到深部完整性较好的新鲜岩体内部，如深入微风化岩体0.5m以上。对于考虑悬吊作用的锚筋桩长度选择，则主要考虑加固对象的规模，如在糯扎渡导流隧洞洞脸位置进行的设计，采用从坡体表面贯穿至隧洞拱部并外露50cm的方案。
三、锚筋桩截面设计及材质选择
锚筋桩主要利用水泥砂浆与主钢筋的黏结力和砂浆与岩体之间的黏结力而达到加固岩体的作用。在确保发挥该作用时，需确保结构轴向受力安全储备足够，即钢筋需有足够的抗拉能力。锚筋桩截面内需要布置主筋、注浆管并预留砂浆空间，同时考虑到受力的特点还需要将钢筋布置于桩缘靠近孔壁，并辅以架立管、支撑钢筋、定位钢筋等以满足定位和截面定型的需要。锚筋桩主钢筋受拉时，其表面斜肋凸缘挤压周围混凝土，再由混凝土传递荷载至周边岩土体中。而由于架立管、钢筋支架等的存在，结构内部存在比较复杂的共同作用，对于锚筋桩轴向受力有一定的改善作用，但考虑到其复杂性，设计时将其简化作为安全储备，因此截面设计的主要任务是明确钢筋的数量。
对一已知锚杆轴力P的锚筋桩，由式（1-7）计算主钢筋的截面面积。
式中：P为锚筋桩轴力，kN；σg为主钢筋的应力值（可按对应材质钢筋受拉强度估算），MPa；Ag为主钢筋的面积，m2；Ah为水泥砂浆的面积，m2；Eg为主钢筋弹性模量，MPa；Eh为水泥砂浆弹性模量，MPa。
钢材的弹性模量是砂浆材料的10倍以上，在截面总面积有限的情况下，砂浆在锚筋桩轴向受力时主要起提高与周边岩土体黏结力、提高荷载扩散范围的作用。砂浆体不开裂是其正常工作的保证。2009年实施的《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ/T 70）中规定了砂浆黏结力的测试方法，在无类似应用先例作为经验时，砂浆选用需开展此类试验以保证其满足使用要求。通常要求砂浆等级不低于M15。
对于锚筋桩的主筋选择而言，国家目前已经取消Ⅰ级、Ⅱ级钢筋等的术语用法，改用加工方式与强度等级合二为一的术语，如原Ⅰ级钢筋对应的主要是HPB300钢筋，由于是光面钢筋且强度较低，不建议在锚筋桩内使用。而原Ⅱ级钢筋，现对应HRB335，是螺纹钢筋且屈服强度达到了335MPa，在锚筋桩中应用较为普遍。
四、锚筋桩数量及间距设计
锚筋桩的布置主要是起到荷载迁移的作用，其效果的发挥首先受制于深部岩体的稳定能力，通过加密锚筋桩数量并不能提高安全裕度。因此，锚筋桩数量的确定需明确单根锚筋桩设计抗拉拔能力之后再进行。锚筋桩多采用系统形式布置于加固区域，当确定了加固对象所需要的锚筋桩轴力后，在不考虑安装角度影响的条件下，锚筋桩的数量可按式（1-8）计算：
式中：n为锚筋桩数量，单位为根；τ为单根锚筋桩的抗拉拔强度，kN；Ns为可能失稳岩体产生的总下滑力，kN；Fs为安全系数。
由于锚筋桩需要一定的安装角度，实际计算时，需要根据锚筋桩安装角度调整其抗拉拔强度，以满足计算要求。即在满足一定安全考虑的基础上，对其试验所得极限抗拉拔能力进行修正。
计算得到锚筋桩数量后，经优化计算和合理布置后，可得到锚筋桩间距值。
五、锚筋桩加固效应计算
如前所述，锚筋桩有被动提升加固范围内岩体稳定能力的效果。其通过转移荷载、悬吊等途径，形成了“锚固影响筒”，在该“筒”状加固影响区域内的岩体的稳定能力得以增强。治理之后，如何对加固效应进行折算，以反映到加固对象（如边坡）的稳定性评价中呢?首先，需要估算锚固影响筒的面积S。实际上，其大小受灌浆压力、围岩质量、施工质量、截面大小等影响，波动较大。部分工程监测成果显示，锚筋桩的加固范围远小于预应力锚杆（索），约为其直径的2~4倍。
得到加固范围大小的数值后，可按式（1-9）估算其对岩体抗滑能力的提升量：
式中：C为加固范围内岩土体的黏聚力，kPa；T0为考虑安全使用后折减的锚筋桩极限拉拔力，kN；S为加固筒在平面上的大小，m2；A为锚筋桩加固区的外扩效应系数，取2~4；R为锚筋桩直径，m。
式（1-9）中，仅考虑了对岩体黏聚力的贡献，并未考虑对抗剪强度指标中摩擦角、剪胀角等的贡献，而锚筋桩限制塑性扩展的贡献亦无法准确折算到主要考虑弹性的理论计算中。
上述加固效应的真实情况，应借助原位试验、监测并结合必要的数值模拟获得更为准确的数值。
六、锚筋桩施工步骤
锚筋桩多采用“先钻孔后植筋再灌浆”工艺，主要施工步骤如下。
（1）搭设工作平台：为钻机施工和锚筋桩吊装提供作业平台。
（2）钻孔与清孔：孔径根据锚杆筋的数量确定，如一般采用成孔150mm的JMQ-50型锚杆钻机。钻孔前，需校准孔位和倾角。成孔后应采用高压风水联合冲洗以避免孔内残渣影响灌浆施工质量。
（3）制作和吊装锚筋束：锚筋束由多根钢筋焊接在钢管架立管或者钢筋支架上，单根钢筋不能满足长度要求时，需要进行接长。接长可以采用套管或者焊接的方式，但主筋接长段应适当错开布置。长度较大的锚筋束，可以分批次进行吊装入孔。
（4）注浆与养护：注浆采用砂浆注浆机现场随用随拌。灌浆时，待排气管返浆后方可慢慢拔出灌浆管。灌浆结束48h内，禁止扰动锚筋束。
七、锚筋桩施工说明编制
锚筋桩施工说明编制主要包括以下内容。
（1）施工图图幅对应的施工位置及场地条件说明：如某施工图为“尾水出口正面坡1号路以上预应力锚索及锚筋桩布置图”。场地条件侧重说明加固区主要岩土体及潜在灾害类型。（2）锚筋桩孔位平面图、桩横断面及纵断面图：配套锚筋桩孔径、长度、材质等表格或标示。图比例尺及尺寸标注时，图中高程、桩号、坐标以米计，结构尺寸以厘米计，钢筋直径、管径、孔径以毫米计。
（3）钻孔设备要求及精度控制标准：平面位置不作为主要控制内容，钻孔轴垂直偏斜角度是主要内容。如某工程允许斜度±1°，孔深误差10cm，孔距误差小于30cm，锚桩布置可根据现场实际情况在监理指示下进行适当调整。
（4）钢筋连接技术要求：钢筋接头应分散布置，不宜布置在同一截面。钢筋连接采用可靠的机械连接法（挤压套筒连接法、滚轧直螺纹套筒连接等）。采用机械连接时所使用的连接材料、工艺、规格及连接方法应遵守《钢筋机械连接通用技术规程》（JGJ 107—2016）的规定。
（5）灌浆水泥砂浆质量要求：如某工程采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥砂浆标号M25（7d），砂子最大粒径d为2~2.5mm，细度模数不大于2.5，水泥砂浆配比为水0.5∶灰1.0∶砂0.5。注浆管直径25mm，回浆管直径15mm。灌浆压力暂定为0.2～0.3MPa，当回浆连续且比重大于或等于进浆比重时循环10min后再屏浆20min，压力下降不大于25%时，灌浆结束。
（6）锚桩工程量汇总：如某工程锚筋桩长度均为26m，直径120mm。高程500m以上锚筋桩采用5φ36钢筋的29根，采用6φ36钢筋的118根；高程500m以下锚筋桩采用5φ36钢筋的217根，采用6φ36钢筋的74根。
（7）锚筋桩质量验收内容及标准，如需开展抽检试验、施工前生产试验，需明确数量要求。
作为一类比锚杆、锚索功能相对简单的岩石锚固结构，锚筋桩需通过全长注浆以实现其功能作用，锚筋桩的承载能力因此与施工质量息息相关，特别是长度误差与灌浆质量。