水电工程预应力锚固设计规范word版.docx
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水电工程预应力锚固设计规范word版
ICS27.140
P59
备案号：
J225—2003
中华人民共和国电力行业标准
PDL/T5176—2003
水电工程预应力锚固
设计规范
DesignspecificationofPrestressedanchorage
forHydropowerproject
2003-01-09发布2003-06-01实施
中华人民共和国国家经济贸易委员会发布
目次
前言Ⅲ
1范围1
2规范性引用文件2
3总则3
4术语与符号4
4.1术语和定义4
4.2符号7
5一般规定9
5.1基本资料9
5.2预应力锚杆材料9
5.3锚固设计的基本内容11
6锚杆体的选型与设计13
6.1锚杆体的选型13
6.2锚杆体的结构设计14
6.3锚杆体的防护设计16
6.4张拉力的控制和张拉程序设计17
7边坡锚固19
8基础锚固21
9地下洞室锚固22
9.1围岩锚固22
9.2岩壁吊车梁锚固23
10预应力闸墩锚固设计25
11预应力水工隧洞环形锚固设计26
12水工建筑物的补强与锚固27
13试验与监测28
13.1锚杆试验28
13.2锚杆体的原位监测28
附录A（规范性附录）胶结材料与围岩的黏结强度30
附录B（规范性附录）预应力锚杆锚固试验31
条文说明33
前言
在我国水电水利工程中，应用预应力锚固技术对岩体边坡、地下洞室、建筑物基础、闸墩、水工隧洞等各类结构进行加固或改善应力，取得了良好的效果和一定的经济效益，并积累了丰富经验。
为推广应用预应力锚固技术，提高预应力锚固的效能和技术水平，促进水电工程锚固技术的发展，国家经济贸易委员会以电力［2000］22号文《关于确认1999年度电力行业标准制修订计划项目的通知》下达了编制《水电工程预应力锚固设计规范》的任务。
水电规划设计标准化技术委员会于2000年12月在北京召开了《水电工程预应力锚固设计规范》编制大纲讨论会。
根据大纲审查会纪要的要求，编制组全面总结了我国预应力锚固技术的应用经验，完成了《水电水利工程预应力锚固技术的应用》、《有关国家和地区预应力锚固规范简介》、《水工隧洞环形锚束式预应力混凝土衬砌》和《〈水电工程预应力锚固设计规范〉按可靠度理论转轨和套改专题研究报告》等四份专题报告，在此基础上于2001年8月提出了规范初稿，2002年2月提出了规范送审稿。
电力行业水电规划设计标准化技术委员会于2002年4月对规范送审稿进行了审查。
本标准是应用预应力锚固技术对岩体或水工建筑物实施加固的设计规范，应与其他相关标准配套使用。
本标准的结构安全度是根据GB50199《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》的原则确定的。
本标准的附录A、附录B为规范性附录。
本标准由电力行业水电规划设计标准化技术委员会提出、归口并负责解释。
本标准负责起草单位：
东北勘测设计研究院。
本标准参加起草单位：
西北勘测设计研究院，武汉大学土木建筑工程学院。
本标准主要起草人为：
赵长海、苏加林、沈义生、王槟、吕祖珩、黄福德、侯建国、程燕、舒征、苏萍、王文奇、朱振家、李金祥、马军、赵玉江、刘晓刚、陈大华。
1范围
本标准规定了用于加固岩体和水工建筑物的预应力锚杆的设计原则和方法，适用于下列水电水利工程的锚固设计：
1岩质边坡。
2地下洞室。
3各种水工建筑物的基础。
4闸墩。
5水工隧洞环形锚束式混凝土衬砌。
6岩壁吊车梁。
7其他水工建筑物。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改（不包括勘误的内容）或修订均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB175硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥
GB50287水利水电工程地质勘察规范
DL/T5057水工混凝土结构设计规范
JGJ/T92无黏结预应力混凝土结构技术规程
SD134水工隧洞设计规范
3总则
3.0.1锚固设计应以充分利用围岩和岩体的承载能力为基本原则，在地质调查的基础上，根据工程的稳定性和结构应力分析的有关资料，对锚固措施的安全性、合理性进行技术经济比较。
3.0.2预应力锚固工程的地质勘察应根据锚固对象的建筑物等级，按GB50287的规定执行。
3.0.3预应力锚固工程可采用理论分析和工程类比法设计，重要工程还应根据原位监测结果进行修正，并根据监测结果分析锚固效果，对锚固后的水工建筑物做出稳定状态的评价。
3.0.4预应力锚固设计应积极采用新技术、新工艺、新设备和新材料。
4术语与符号
4.1术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
4.1.1
预应力锚固Prestressedanchorage
通过对锚杆（索）施加张拉力，使岩体或混凝土结构物达到稳定状态或改善结构物内部应力状况的技术措施。
4.1.2
预应力锚杆Prestressedanchors
施加预应力后的锚杆。
本标准将锚杆、锚束统称为锚杆。
4.1.3
锚束Tensilereinforcingbars
数股钢丝、钢绞线或钢筋，按一定规律编排成束的构件。
亦称锚索。
在预应力闸墩或预应力衬砌中又习惯称为锚束或锚索。
4.1.4
永久性预应力锚杆Permanentprestressedanchors
在永久性工程中布置的使用年限为2年以上的预应力锚杆。
4.1.5
临时性预应力锚杆Temporaryprestressedanchors
在临时性工程中布置的和在永久性工程中布置的使用年限为2年以内的预应力锚杆。
4.1.6
张拉锚杆Tensileanchors
施加张拉力的砂浆锚杆。
4.1.7
砂浆锚杆groutedanchorbar
以普通螺纹钢材为杆体，在锚杆全孔充填水泥砂浆、快硬水泥砂浆或水泥卷的锚杆。
4.1.8
锚杆体Bodyofanchors
预应力锚杆的整体。
包括内锚固段、张拉段、外锚头及相连接的所有部件。
4.1.9
内锚固段Inneranchoredsection
预应力锚杆体的内部持力端。
它是用胶结材料或用金属加工的机械装置使锚杆内端与被锚固体深部稳定的介质形成整体的区段。
4.1.10
张拉段Tensilesection
对预应力锚杆施加拉力时可以自由伸长的部分，当锚杆锁定后依靠自由伸长部分的弹性变形对被锚固的介质施加预应力。
4.1.11
外锚头Outerfixedend
对锚杆实现张拉和锁定的支撑装置。
4.1.12
有黏结预应力锚杆Prestressedanchorswithbond
锚杆锁定后，张拉段与被锚固介质无相对滑动的预应力锚杆。
4.1.13
无黏结预应力锚杆Prestressedanchorswithoutbond
锚杆张拉锁定后，张拉段与被锚固介质之间能相对移动的预应力锚杆。
4.1.14
预应力钢材强度利用系数Utilizationfactoronthestrengthofprestressedanchors
当预应力锚杆的张拉力达到设计值时，锚杆材料的平均应力值与锚杆材料抗拉强度标准值之比。
4.1.15
设计张拉力Designtension
根据锚固设计需要，并考虑一定安全余度和由于岩体流变、混凝土徐变及钢材松弛可能引起的预应力损失后，确定的每根锚杆应施加的张拉荷载。
4.1.16
超张拉力Extradesigntension
为消除由于锚杆与孔壁的摩擦、锚具的压缩和锚束的回缩而引起的预应力损失，施工时将设计张拉力提高后的实际张拉荷载。
4.1.17
安装荷载Loadofinstallation
预应力锚杆张拉锁定后，锚杆实际存在的荷载。
4.1.18
永存张拉荷载Eternaltensileload
由各种因素造成的预应力损失均完成后，锚杆中保存的预应力值。
4.1.19
预张拉Pretension
预应力锚杆正式张拉作业之前，为使锚束中各股钢丝或钢绞线受力均匀，所进行的张拉作业。
4.1.20
补偿张拉Compensatorytension
预应力锚杆锁定后，为补偿预应力损失而进行的再次张拉作业。
4.1.21
压力型锚固段Anchoredsectiononthecompressiontype
采用无黏结预应力锚杆，并通过改变锚固段结构型式的办法，使内锚固段由受拉状态变为受压状态，用内锚固段的压缩传递张拉力，此时锚固段称之为压力型锚固段。
4.1.22
压力集中型锚固段Anchoredsectiononthecompression-concentrationtype
内锚固段采用一个承载体，对预应力锚杆施加的张拉力全部集中在一个承载体的内锚固段内，这样的内锚固段称之为压力集中型锚固段。
4.1.23
压力分散型锚固段Anchoredsectiononthecompression-dispersiontype
内锚固段采用多个承载体，对预应力锚杆施加的张拉力，分散在每一个承载体的锚固段内，这样的内锚固段称之为压力分散型锚固段。
4.2符号
L——预应力锚杆长度；
L1——内锚固段长度；
L2——张拉段长度；
L3——外露段长度；
Pm——单根预应力锚杆超张拉力；
P——单根预应力锚杆设计张拉力；
c——胶结材料与孔壁的黏结强度；
D——锚杆孔直径；
n——预应力锚杆根数；
A——单根预应力锚杆所控制的面积；
q——引起围岩失去稳定的下滑力；
P1——需要预应力锚杆提供的支护抗力；
P2——砂浆锚杆提供的支护抗力；
P3——钢筋网喷射混凝土提供的支护抗力；
P0——围岩具有的支护抗力；
β——锚固角（预应力锚杆轴线与水平面的夹角）；
θ——滑动面（软弱结构面）与水平面的夹角；
ϕ——内摩擦角；
γ0——结构的重要性系数；
ψ——设计状况系数；
γd——结构系数；
γp——单根预应力锚杆张拉力分项系数；
γc——黏结强度分项系数；
γQ——下滑力作用分项系数；
γk——抗滑力作用分项系数；
pk——单根预应力锚杆的支护抗力；
qk——预应力锚杆承担的不稳定块体下滑力；
γs——预应力锚杆材料强度分项系数；
γq——需预应力锚杆承担的下滑力分项系数；
SGK——永久作用在预应力锚杆中拉力的标准值；
SQK——可变作用在预应力锚杆中产生的拉力标准值；
γG——永久作用分项系数；
γQ——可变作用分项系数；
fptk——预应力锚杆材料强度的标准值；
Ap——单位梁长所需要的预应力锚杆截面面积。
5一般规定
5.1基本资料
5.1.1预应力锚固设计应具备以下基本资料：
1建筑物级别及工程布置图。
2水工建筑物基本参数，荷载组合和运行特性。
3锚固区域地形地质条件。
4施工条件。
5建筑材料的物理力学指标。
5.1.2岩体锚固设计应具备下列地质资料：
1锚固工程部位的地质平面、剖面图。
2不稳定岩体的范围和边界条件。
3围岩质量、主要构造的产状、各种结构面的组合关系及地下水的资料。
4锚固工程所涉及部位岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、岩体重度、声波速度、岩体的c和ϕ值，可能失稳结构面的c和ϕ值，胶结材料与被锚固介质的黏结强度。
对于Ⅳ、Ⅴ类围岩，还应提供围岩的流变特性。
5重要部位的锚固工程，应具有试验资料和原位监测资料。
5.2预应力锚杆材料
5.2.1锚杆材料可根据锚固工程的性质、锚固部位、工程规模，选择高强度、低松弛的预应力钢丝、钢绞线、无黏结预应力筋、精轧螺纹钢筋或普通预应力钢筋。
5.2.2当采用高强预应力钢丝作锚杆材料时，其力学性质应符合GB/T5223的规定；当采用预应力钢绞线作锚杆材料时，其力学性质应符合GB/T5224的规定；当采用无黏结预应力筋做锚杆材料时，其力学性能、预应力筋涂料及外包层材料应符合JGJ/T92的规定；当采用精轧螺纹钢筋做锚杆材料时，其物理力学性质应符合表5.2.2-1和表5.2.2-2的规定。
表5.2.2-1精轧螺纹钢筋的力学性能
级别
钢材名称及型号
公称直径
mm
屈服点σs
MPa
抗拉强度σb
MPa
伸长率δs
冷弯
540/835
40Si2MnV
45Si2MnV
18
不小于540
不小于835
不小于10％
d=5a90°
25
d=6a90°
32
36
不小于8％
d=7a90°
40
735/935（980）
K40Si2MnV
18
不小于735
不小于935（980）
不小于8％
d=5a90°
25
d=6a90°
32
不小于735
不小于935（980）
不小于7％
d=7a90°
表5.2.2-2精轧螺纹钢筋的公称直径和直径允许偏差
规格公称直径domm
外形尺寸及允许偏差mm
理论线密度kg/m
有效截面系数
基圆直径
螺纹高h
螺距L
螺纹
根弧
γ
dn
dv
标准
尺寸
允许
偏差
标准
尺寸
允许
偏差
标准
尺寸
允许
偏差
标准
尺寸
允许
偏差
基圆重
钢筋重
18
18
+0.4
–0.4
18
+0.4
–0.8
1.2
+0.3
–0.3
9
0.0
–0.4
0.5
2.00
2.11
0.95
25
25
+0.4
–0.4
25
+0.4
–0.8
1.6
+0.3
–0.3
12
+0.3
–0.3
1.0
3.85
4.10
0.94
32
32
+0.5
–0.5
32
+0.4
–0.8
2.0
+0.4
–0.4
16
+0.3
–0.3
2.0
6.31
6.65
0.95
36
36
+0.5
–0.5
36
+0.4
–0.8
2.3
+0.4
–0.4
18
+0.3
–0.3
2.3
7.99
8.50
0.94
40
40
+0.6
–0.6
40
+0.5
–1.0
2.5
+0.5
–0.5
20
+0.4
–0.4
2.5
9.87
10.5
0.94
图
形
5.2.3预应力锚杆的外锚头、锚夹具、机械式内锚头和预应力钢筋连接器的材料性能，应符合国家关于钢材质量的规定。
各种预应力锚具的性能和质量应符合GB/T14370等标准的有关规定。
当采用超高强预应力材料时，锚夹具应与其相匹配。
5.2.4内锚固段和预应力锚杆封孔灌浆应采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
当地下水有腐蚀性时，应采用特种水泥，其质量应符合GB175的规定。
5.3锚固设计的基本内容
5.3.1锚固设计应包括以下内容：
1确定锚固范围和锚固深度。
2选择锚固方式。
3计算锚固力大小。
4确定预应力锚杆数量，选择布置方式。
5确定锚杆结构型式及各项参数。
6编制施工技术要求和特殊情况的技术处理措施。
7锚固效果监测及锚固后的工程安全评价。
5.3.2预应力锚杆的锚固范围和施加的锚固力应根据工程地质勘察资料、软弱结构面的位置、产状和力学性质，或结构物的力学要求等，按照稳定分析或应力分析结果确定。
5.3.3单根预应力锚杆的设计张拉力，应根据下列因素确定：
1保证被加固结构物安全运行需要的总锚固力大小。
2锚固介质和胶结材料力学指标。
3预应力锚杆材料力学指标。
4锚夹具的类型、张拉设备出力和施工场地条件。
5.3.4预应力锚杆的数量，应根据总锚固力和单根预应力锚杆设计张拉力确定。
5.3.5对边坡、地下洞室和基础锚固所采用的预应力锚杆，其长度应按不稳定结构面的位置和在稳定的介质中有安全的胶结长度等条件确定。
对于水工建筑物加固采用的预应力锚杆，其长度应根据结构物尺寸和应力分析结果确定。
5.3.6岩体锚固中的预应力锚杆应按下列原则布置：
1根据锚杆的数量、施工条件、工艺要求的不同，选用方形、梅花形、矩形或菱形布置。
应能提供均匀的锚固力。
2预应力锚杆的轴线方向，宜按最优锚固角布置。
当受施工条件和地形条件限制时，经技术经济比较后，可适当调整轴线方向。
3当布置有10根以上预应力锚杆时，锚杆可长短相间布置。
当单根锚杆设计张拉力大于5000kN时，宜采用压力分散型内锚固段。
5.3.7水工建筑物中的预应力锚杆应按下列原则布置：
1闸墩中的预应力锚杆，应根据闸墩的结构型式、锚块型式、闸墩的应力分布和施工条件，经综合比较选定。
2预应力衬砌中的锚束，应根据应力分析的结果、采用的预应力筋种类和施工条件确定。
5.3.8有黏结预应力锚杆孔的直径，应大于锚束直径40mm以上。
采用机械式内锚固段时，内锚固段部位钻孔直径的允许误差为±2mm。
5.3.9重要工程进行锚固设计时，除应按刚体平衡法进行稳定分析外，还应采用数学模型或物理模型，对锚固效果进行论证。
对中、小型锚固工程或临时性锚固工程，可直接采用“工程类比法”进行锚固设计。
5.3.10永久性预应力锚固工程，应根据工程的重要性、周围介质和渗透水的化学性质等条件，对预应力锚杆进行防腐、防锈处理。
5.3.11重要工程或工程的重要部位，应根据实际运行需要，布置一定数量的试验性锚杆。
验证预应力锚杆提供的锚固力、设计选定参数的合理性。
必要时应按试验结果，调整预应力锚杆的各项设计参数。
5.3.12锚固工程应做施工期和永久运行期的安全监测设计。
6锚杆体的选型与设计
6.1锚杆体的选型
6.1.1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，经综合比较进行选择。
6.1.2一般情况下，内锚固段应优先选择胶结式，当难以采用胶结式时，也可选用机械式。
6.1.3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，有特殊要求时也可选择树脂材料。
6.1.4胶结式内锚固段的结构，一般情况下可采用拉力型。
当单根锚杆张拉力较大，或对内锚固段区域的应力条件有特殊要求时，也可采用压力型、压力分散型或其他结构型式的内锚固段。
6.1.5当选用机械式内锚固段时，应满足下列条件：
1单根锚杆的设计张拉力不大于1000kN。
2锚固区的围岩应较完整，其抗压强度应大于60MPa。
6.1.6预应力锚杆的外锚头，应由专门厂家采用金属材料制造。
制造锚头的材料应符合本标准5.2.3的规定。
特殊情况下，通过现场试验论证后，可采用其他型式的外锚头。
6.1.7锚杆材料的选择应符合下列规定：
1永久性预应力锚固工程，应选择高强度、低松弛的钢丝或钢绞线。
2当要求预应力锚杆具有一定刚度，或锚杆安装有特殊需要时，可采用精轧螺纹钢筋。
3当结构有特殊需要或有补偿张拉力要求时，可采用无黏结预应力锚杆。
4设计张拉力小于200kN的临时性锚固工程，也可采用普通钢材制做的预应力砂浆锚杆。
6.1.8在施工允许的条件下，应优先选择对拉式预应力锚杆。
6.1.9新研制的预应力锚杆，必须经过现场验证后，方可在锚固工程中应用。
6.2锚杆体的结构设计
6.2.1预应力锚杆体中的内锚固段、张拉段、外锚头，以及各种连接部件，应按等强度的原则进行设计。
6.2.2胶结式内锚固段所提供的锚固力，必须大于预应力锚杆的超张拉力。
内锚固段长度可按式（6.2.2）确定。
对于重要工程，内锚固段长度还应通过现场拉拔试验进行验证。
π
L1≥
（6.2.2）
式中：
γ0——结构的重要性系数，Ⅰ级锚固工程采用1.1，Ⅱ级锚固工程采用1.0，Ⅲ级锚固工程采用0.9；
ψ——设计状况系数，持久状况采用1.0，短暂状况采用0.95，偶然状况采用0.85；
γd——结构系数，仰孔采用1.3，俯孔采用1.0；
γc——黏结强度分项系数，采用1.2；
γp——单根预应力锚杆张拉力分项系数，采用1.15；
L1——内锚固段长度，m；
Pm——单根预应力锚杆超张拉力，kN；
D——锚杆孔直径，mm；
c——胶结材料与孔壁的黏结强度，MPa，当缺乏试验资料时可按附录A选取。
6.2.3当计算决定的内锚固段长度大于10m时，宜采取改善锚固段的岩体质量、扩大内锚固段直径或采用压力分散型内锚固段等措施，提高胶结式内锚固段的锚固能力。
6.2.4内锚固段胶结材料的性能应符合本标准5.2.4的规定。
水泥浆胶结材料的抗压强度等级不应低于M35；树脂材料的抗压强度不应小于50MPa。
6.2.5机械式内锚固段应根据单根锚杆的设计张拉力、锚固部位岩体质量，并参照已建工程经验选择其结构型式和尺寸。
对于重要工程，还应对选定的机械式内锚固段结构进行现场拉拔试验，验证其锚固力。
6.2.6采用机械式内锚固段时，其结构尺寸应与锚杆孔直径有较好的配合。
应保证安装后，其外夹片与孔壁呈整合状曲面接触。
锚杆拉紧后，外夹片的齿纹与孔壁紧密咬合，并保证作用在孔壁上的压力分布均匀，在超张拉力的作用下，锚头不产生滑移。
6.2.7锚束的结构设计应符合下列规定：
1锚束采用的高强预应力钢丝、钢绞线或精轧螺纹钢筋的材质应符合本标准5.2.2的规定。
进行预应力锚杆设计时，在设计张拉力作用下，钢材强度的利用系数宜为0.6～0.65。
2锚束中各股钢丝或钢绞线的长度应一致。
沿锚束的长度方向应安设隔离架，对于陡倾角方向布置的锚杆，隔离架间距不宜大于4.0m；对于缓倾角方向布置的锚杆，隔离架间距不宜大于2.0m。
隔离架中应预留灌浆管和排气管的通道。
3有黏结预应力锚杆封孔灌浆后，锚束的保护层厚度应大于20mm。
4机械式内锚固段同钢丝或钢绞线的连结必须牢固，连结部件的强度，应满足本标准5.2.3的规定。
6.2.8外锚头的结构设计应符合下列规定：
1外锚头及其各部件的承载能力必须同单根锚杆的最大张拉力相匹配，其材料性能应符合本标准5.2.3的规定。
2外锚头的结构型式，应有利于孔口设备的布置与安装，有利于锚杆的张拉，有利于锚杆的锁定和多余钢绞线的切除。
3当锚杆张拉时，采用的锚夹具应保证锚杆受力均匀；夹片的硬度适中，不损伤钢丝或钢绞线。
锁定时，钢丝或钢绞线的回缩量不宜大于5mm。
4孔口混凝土垫墩应保证传力均匀。
垫墩尺寸应根据单根锚杆的最大张拉力、垫墩材料性质、锚杆孔口周围的地质情况及其力学性质，通过计算确定。
垫墩混凝土的强度等级不应
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