基坑小知识：锚索为什么要设置自由段？不设置行不行？
我们知道,在变形控制较严格的部位使用预应力锚杆(索)时,一般要设置自由段,具体构造如下:
但也经常碰到施工单位在施工时将自由段取消,进行全长锚固,以为这样对锚杆受力更有利。其实这样做改变了原设计的受力,不一定是安全的做法。那锚杆的自由段有啥作用呢?我们先看看规范是怎么说的:
《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》
GB50086-2015 第 11.2.3 条:
“抗浮锚杆长度应满足锚杆设计拉力及整体抗浮稳定要求,预应力抗浮锚杆自由杆体长度不宜小于 5m,锚杆间距不宜小于 1.5m。”其条文说明解释为:“锚杆自由段长度的要求,一方面是为了保证整体稳定要求,另一方面是防止锚头的微小位移引起的预应力的急剧变化。”
《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013
第 8.4.1条:
“锚杆总长度应为锚固段、自由段和外锚头的长度之和,并应符合下列规定:锚杆自由段长度应为外锚头到潜在滑裂面的长度;预应力锚杆自由段长度应不小于 5.0m,且应超过潜在滑裂面 1.5m;”
《岩土锚杆 索 技术规程》CECS 22:2005
第 7.6.2 条条文说明:
“若锚杆自由段长度过短,则对锚杆施加初始预应力后,锚杆的弹性位移较小,一旦锚头出现松动等情况,可能会造成较大的预应力损失。”
《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）
4.7.5条条文说明：
锚杆自由段长度是锚杆杆体不受注浆固结体约東可自由伸长的部分，也就是杆体用套管与注浆固结体隔离的部分。铺杆的非锚杆段是理论滑动面以内的部分，与铺杆自由段有所区别。铺杆自由段应超过理论滑动面（大于非锚固段长度）。锚杆总长度为非锚固段长度加上锚固段长度。锚杆的自由段长度越长，预应力损失越小，锚杆拉力越稳定。自由段长度过小，锚杆张拉锁定后的弹性伸长较小，铺具变形、预应力筋回缩等因素引起的预应力损失较大，同时，受支护结构位移的影响也越敏感，锚杆拉力会随支护结构位移有较大幅度增加，严重时锚杆会因杆体应力超过其强度发生脆性破坏。因此，锚杆的自由段长度除了满足本条规定外，尚需满足不小于5m的规定。自由段越长，铺杆拉力对備头位移越不敏感。在实际基坑工程设计时，如计算的自由段较短，宜适当增加自由段长度。
从上面规范中的规定可以看出,设置自由段的原因有三个:
1、为了减少预应力损失。
锚杆张拉时是自由段的钢筋或钢绞线产生弹性变形,锚杆自由段长度越长,预应力损失越小,锚杆拉力越稳定。自由段长度过小或没有自由段,锚杆张拉锁定后的弹性伸长较小,锚具变形、预应力筋回缩等因素引起的预应力损失较大。足够长的杆体自由段也可防止由于地层位移增大而引起传递荷载的显著增大。
2、为了将拉力传递到锚固体内。
如果自由段长度过小或没有自由段,使得一部分锚固段处于滑裂面内主动区,在基坑开挖过程中,当坑壁在主动土压力作用下出现变形时,主动区内的锚固段将产生向基坑内方向的摩阻力,削弱了锚固效果,所以破坏面处的抗力是很小的或有限的。只有当锚杆锚固段离潜在破坏面足够的远,才能有效发挥锚杆的抗力作用和保证地层开挖面与滑裂面间有足够的压应力区。
3、为了抗浮稳定。
当锚杆用于抗浮时,如果不将浮力传递到更深的土体内,有可能出现土体自重不足,而整体失稳的情况。