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CN113718767B - 一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法 - Google Patents

一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法，该锚固结构包括设置在锚洞内的锚杆，所述锚杆下端设有弯钩，弯钩底部设有圆弧状刚性圆盘，锚洞内沿锚杆自下至上设置N组膨胀水泥砂浆，每组膨胀水泥砂浆上侧均设有硅酸盐水泥砂浆。该锚固结构和方法可以显著提高锚杆的抗拔承载力和抗弯性能，增强锚固段注浆体与地层间的剪切强度和黏结力，提升岩土体的锚固支护效果，且材料简单易得，可操作性强，成本低，推广性强。

Description

一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法
技术领域
本发明涉及岩土锚固技术领域，特别涉及一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法。
背景技术
在岩土工程中，锚固技术是一项被广泛使用的重要技术。其能通过埋设在地层中的锚杆，将结构物与地层有效衔接在一起，并凭借锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力，使得地层自身得到加固，从而增强被加固岩土体的强度，改善岩土体的应力状态，进一步保持结构物和岩土体的稳定性，为工程建设提供一定程度上的安全保障。
在实际的工程应用中，锚杆的抗拔承载力作为工程设计的一项重要参数，直接或间接地影响着工程的经济性和安全性。较高的锚杆抗拔承载力能够有效保证工程的锚固效果，而较低的锚杆抗拔承载力则会降低工程的稳定性和安全性。针对目前我国多使用的直状构造金属锚杆，以及轴心布置锚杆施工方法和普通硅酸盐水泥注浆技术，在一些工程实际应用中，往往会由于自身或环境条件的限制导致锚杆抗拔承载力低于设计值而出现锚固结构发生破坏，致使岩土体中的锚杆失效，最终导致工程局部失稳乃至垮塌，造成巨大损失。尤其针对岩土边坡、硐室锚固工程，不稳定的滑体需要较高的锚杆抗拔承载力，这时，结合现广为应用的预应力锚杆加固边坡的原理，亟需一种能够满足工程需求，显著提高锚杆抗拔力且经济可行性高、推广度强的锚杆装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法，可以显著提高锚杆的抗拔承载力和抗弯性能，增强锚固段注浆体与地层间的剪切强度和黏结力，提升岩土体的锚固支护效果，且材料简单易得，可操作性强，成本低，推广性强。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，包括设置在锚洞内的锚杆，所述锚杆下端设有弯钩，弯钩底部设有圆弧状刚性圆盘，锚洞内沿锚杆自下至上设置N组膨胀水泥砂浆，每组膨胀水泥砂浆上侧均设有硅酸盐水泥砂浆。
优选的方案中，所述膨胀水泥砂浆和硅酸盐水泥砂浆之间设有分隔板。
优选的方案中，所述膨胀水泥砂浆中膨胀剂含量Xn为5％～40％。
优选的方案中，所述膨胀水泥砂浆或/和硅酸盐水泥砂浆中含有玄武岩纤维。
优选的方案中，所述玄武岩纤维的含量为1.2kg/m3。
优选的方案中，N组所述膨胀水泥砂浆沿锚杆从下至上灌注膨胀剂含量Xn依次递减。
优选的方案中，当N＝2时，膨胀水泥砂浆从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照10％的量计依次递减；当N>2时，膨胀水泥砂浆从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照5％的量计依次递减。
优选的方案中，所述膨胀水泥砂浆的高度为20～30厘米。
优选的方案中，所述弯钩的自由端向远离锚杆的一侧倾斜。
本发明还提供一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构的锚固方法，包括如下步骤：
Step1：清理边坡；
Step2：钻孔，在岩质边坡上钻取多个锚洞；
Step3：锚杆下端制作弯钩，将圆弧状刚性圆盘通过螺帽和球形螺柱与弯钩连接；
Step4：配置硅酸盐水泥砂浆和不同膨胀剂含量Xn的膨胀性水泥砂浆，n＝1,2,3…N；
Step5：将锚杆垂直放入锚洞，确保锚杆底部位于锚洞正中位置，确保锚固体偏心受拉；
Step6：通过注浆设备向锚洞内注入膨胀剂掺量为X1的膨胀水泥砂浆直至弯钩底部，形成第一组膨胀水泥砂浆；灌注完成后，在其上方安置分隔板，在分隔板上方灌注硅酸盐水泥砂浆，直至灌注完成，形成第一组硅酸盐水泥砂浆，重复灌注膨胀水泥砂浆和硅酸盐水泥砂浆，直至第N组硅酸盐水泥砂浆灌注完成。
本发明提供的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构及其锚固方法，有效解决工程应用中锚杆抗拔承载力不足的问题。创新性地通过偏心安置预应力锚杆，将锚杆的弯钩状或直钩状构应用在锚固工程中，并运用圆弧状刚性圆盘，将传统拉力型锚杆转换为压力型锚杆，同时在水泥砂浆中应用膨胀剂和玄武岩纤维，尤其是在锚固体受拉区域，能够在显著增强锚杆抗拔承载力的同时，还可有效提高锚固体的韧性、耐久性和抗渗、抗冻融性能。该锚固结构及方法简单、经济，推广性强，同时材料简单易得，可操作性性强，成本低，推广性强，可广泛应用于边坡稳固工程、隧道与地下支护工程、深基坑支护工程、大坝坝体加固工程、地面高塔或高架结构的加固、道桥基础加固工程、井巷与矿山支护工程、现有结构补强与加固等工程领域中。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例一中锚固结构在土质边坡中的应用图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为圆弧状刚性圆盘的安装示意图；
图4为本发明装置在边坡中的受力分析示意图；
图5为本发明装置在边坡中的受力弯矩图；
图6为直角结构的弯钩的锚杆示意图；
图7为本发明优选的弯钩的结构示意图；
图8为本发明实例二中锚固结构在岩质边坡中的应用图；
图9为本发明实例三中锚固结构在硐室锚固中的应用图；
图中：锚洞1，锚杆2，弯钩3，圆弧状刚性圆盘4，膨胀水泥砂浆5，硅酸盐水泥砂浆6，分隔板7，螺帽8，球形螺柱9,潜在滑动面10。
具体实施方式
实施例1：如图1～3所示，一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，包括设置在锚洞1内的锚杆2，所述锚杆2下端设有弯钩3，弯钩3底部设有圆弧状刚性圆盘4，圆弧状刚性圆盘4向上弯曲，锚洞1内沿锚杆2自下至上设置N组膨胀水泥砂浆5，每组膨胀水泥砂浆5上侧均设有硅酸盐水泥砂浆6。
由于锚杆2下端设有弯钩3，将锚杆推广性地偏心安置于锚洞1中，显著地提高了锚杆2的抗弯性能。
具体使用时，弯钩3可以设置为如图6所示的直角弯钩或设置为图7所示的圆弧弯钩，针对不同工程特点，设置不同的偏心距离，能够较有针对性地提高锚杆的抗拔承载力和抗弯性能。
在弯钩3底部设置的圆弧状刚性圆盘4，可以选用铁质圆盘，通过设置圆弧状刚性圆盘4，一方面可增大受力面积，提高锚杆的抗拔承载力，另一方面可将拉力型锚杆转换为压力型锚杆，进一步提高锚杆的抗拔承载力和使用寿命周期。
通过设置多组膨胀水泥砂浆5，使锚固结构形成梯形状的多层扩头，产生扩头效应，增大锚固体与岩土体界面摩阻力，极大地提升了锚杆的抗剪强度和抗拔承载力。
同时，膨胀水泥砂浆的应用极大地提高了锚固体的耐水性和稳定性，同时增强锚固效果，有效缩短施工工期。
普通硅酸盐水泥砂浆与膨胀水泥砂浆的交替使用，一方面能够有效地减少膨胀剂的使用，节约成本，另一方面能够增强锚固体的强度，保证锚固体的稳定性。
优选的，所述膨胀水泥砂浆5和硅酸盐水泥砂浆6之间设有分隔板7。
分隔板7用来分隔硅酸盐水泥砂浆6与膨胀水泥砂浆5，使膨胀段充分发挥膨胀作用，普硅酸盐水泥砂浆6发挥其正常水泥锚固段作用，形成串状锚固体，提高抗拔力。同时利用分隔板7间隔布置，可减少膨胀水泥砂浆使用量，使之更加经济。
优选的，所述膨胀水泥砂浆5中膨胀剂含量Xn为5％～40％，膨胀剂可以选用硫铝酸钙类或氧化钙膨胀剂，例如：明矾石膨胀剂(主要成分是明矾石与无水石膏或二水石膏)或CSA膨胀剂(主要成分是无水硫铝酸钙)。
所述膨胀水泥砂浆5或/和硅酸盐水泥砂浆6中含有玄武岩纤维。水泥砂浆中加入的一定含量的玄武岩纤维，能增强锚固体的韧性，有效地防止水泥砂浆微裂缝的扩展，增强了锚固体的抗渗、抗冻融性能，提高了锚固体的耐久性，同时在锚杆偏心的前提下，更能够有针对性地在锚固体受拉部位处加入更多的膨胀剂和玄武岩纤维，增强其抗拉强度，保证锚固体的稳定性。在锚固结构不同的受力情况下，可利用受力分析和受力弯矩图找出锚固结构受力较大的区域，进行着重抗拉处理，在该区域中加入更多的玄武岩纤维、膨胀剂等。受拉区域比相应的受压区域膨胀剂含量多20-40％，尤其在受力弯矩大的区域。其中，对于弯矩的计算公式如下：
Figure BDA0003273581990000041
其中，x为距离边坡支挡结构的距离；
q为锚固段受到的侧反力。
所述玄武岩纤维的含量选为1.2kg/m3。
N组所述膨胀水泥砂浆5沿锚杆2从下至上灌注膨胀剂含量Xn依次递减。
当N＝2时，膨胀水泥砂浆5从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照10％的量计依次递减；当N>2时，膨胀水泥砂浆5从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照5％的量计依次递减。递减是为了保证注入的膨胀水泥浆的膨胀剂掺量不同，进而形成锚固体多层分层扩头，形成扩头效应，大幅度提高锚杆抗拔力。同时也能大幅降低锚杆与水与空气的接触概率，提高锚杆的耐久性，从而大幅提高锚杆抗拔力和使用寿命周期。
优选的，所述膨胀水泥砂浆5的高度为20～30厘米。具体的根据工程试验经验进行选取。
一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构的锚固方法，包括如下步骤：Step1：清理边坡，针对土质边坡，进行工程地质勘查与分析研究，确定潜在滑动面10的位置、规模、形态、大小及稳定状态。确定土质边坡的工程性质和稳定性重要程度，选择合理的破坏准则和安全系数，并在此基础上，进行锚杆布局、安设角度和预应力值的确定。
Step2：钻孔，在岩质边坡上钻取多个锚洞1，以高度为1.8m、直径为6cm的锚洞1为例。
Step3：设计锚杆尺寸为长度2m，外径22mm，采用高强度精轧螺纹钢筋制作，锚杆2下端弯曲制作弯钩3，将圆弧状刚性圆盘4通过螺帽8和球形螺柱9与弯钩3连接，并验算锚杆稳定性。
Step4：配置硅酸盐水泥砂浆和不同膨胀剂含量Xn的膨胀性水泥砂浆，n＝1,2,3…7。采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其中砂为标准砂，砂浆配合比为m(水泥)：m(标准砂)：m(水)＝450：1350：225，并掺入1.2kg/m3的玄武岩纤维；在普通硅酸盐水泥中配置不同的膨胀剂含量Xn，n＝1，2,3，…,7，膨胀剂含量依次为40％，35％，30％，25％，20％，15％，10％，同时保证锚固体受拉区域的膨胀剂含量多于相应受压区域的30％。在锚固段不同受力情况下受拉、受压区域不同，需要根据工程进行具体分析。如图4、5所示的受力情况下，则为锚固段上端受拉，下端受压。
Step5：将锚杆2垂直放入锚洞1，确保弯钩3底部位于锚洞1正中位置，确保锚固体偏心受拉。
Step6：通过注浆设备向锚洞1内注入膨胀剂掺量为X1的膨胀水泥砂浆直至弯钩3底部，形成第一组膨胀水泥砂浆5；灌注完成后，在其上方安置分隔板7，在分隔板7上方灌注硅酸盐水泥砂浆，直至灌注完成，形成第一组硅酸盐水泥砂浆6，重复灌注膨胀水泥砂浆5和硅酸盐水泥砂浆6，直至第七组硅酸盐水泥砂浆6灌注完成。
实施例2：与实施例1不同的，如图7和8所示，所述弯钩3的自由端向远离锚杆2的一侧倾斜。通过将弯钩3设置为向外弯曲，使锚杆在坚硬岩体中有着极强的适用性，能够达到“借力用力”的效果，致使锚杆受到坚硬岩体的反力，进一步提高了锚杆的锚固承载力，增强锚固效果，可长期稳定地保证锚固工程的锚固效果。尤其是适用于坚硬岩体层中。
具体的，如图7所示，弯钩3的弯曲直径为3.5倍锚杆2的直径。
实施例3：与实施例1和实施例2不同的如图9所示，以高度为1.8m、直径为6cm的锚洞为例，弯钩3设置为向外弯曲，锚固工作完成后，在锚杆锚固力的作用和地质体的变形移动下，锚杆2的弯钩3逐渐抵住至坚硬岩体，致使锚杆受到坚硬岩体的反力，进一步提高了锚杆的锚固承载力，增强锚固效果。
一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构能够显著提高锚杆的抗拔承载力，有效解决工程应用中锚杆抗拔承载力不足的问题。创新性地通过偏心安置预应力锚杆，将锚杆的弯钩状或直钩状构应用在锚固工程中，并运用圆弧状刚性圆盘，将传统拉力型锚杆转换为压力型锚杆，同时在水泥砂浆中应用膨胀剂和玄武岩纤维，尤其是在锚固体受拉区域，能够在显著增强锚杆抗拔承载力的同时，还可有效提高锚固体的韧性、耐久性和抗渗、抗冻融性能。该锚固结构及方法简单、经济，推广性强，同时材料简单易得，可操作性性强，成本低，推广性强，可广泛应用于边坡稳固工程、隧道与地下支护工程、深基坑支护工程、大坝坝体加固工程、地面高塔或高架结构的加固、道桥基础加固工程、井巷与矿山支护工程、现有结构补强与加固等工程领域中。

Claims (6)

1.一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，包括设置在锚洞（1）内的锚杆（2），其特征在于，所述锚杆（2）下端设有弯钩（3），弯钩（3）底部设有圆弧状刚性圆盘（4），圆弧状刚性圆盘（4）通过螺帽（8）和球形螺柱（9）与弯钩（3）连接，锚洞（1）内沿锚杆（2）自下至上设置N组膨胀水泥砂浆（5），每组膨胀水泥砂浆（5）上侧均设有硅酸盐水泥砂浆（6），所述弯钩（3）的自由端向远离锚杆（2）的一侧倾斜，所述膨胀水泥砂浆（5）中膨胀剂含量Xn为5%~40%，受拉区域比相应的受压区域膨胀剂含量多20~40%，所述膨胀水泥砂浆（5）或/和硅酸盐水泥砂浆（6）中含有玄武岩纤维，所述玄武岩纤维的含量为1.2kg/m3。
2.根据权利要求1所述的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，其特征在于，所述膨胀水泥砂浆（5）和硅酸盐水泥砂浆（6）之间设有分隔板（7）。
3.根据权利要求1所述的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，其特征在于，N组所述膨胀水泥砂浆（5）沿锚杆（2）从下至上灌注膨胀剂含量Xn依次递减。
4.根据权利要求3所述的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，其特征在于，当N=2时，膨胀水泥砂浆（5）从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照10%的量计依次递减；当N>2时，膨胀水泥砂浆（5）从下至上灌注膨胀剂含量Xn按照5%的量计依次递减。
5.根据权利要求1所述的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构，其特征在于，所述膨胀水泥砂浆（5）的高度为20~30厘米。
6.根据权利要求2所述的一种偏心弯钩状膨胀式预应力锚固结构的锚固方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：清理边坡；
Step2：钻孔，在岩质边坡上钻取多个锚洞（1）；
Step3：锚杆（2）下端制作弯钩（3），将圆弧状刚性圆盘（4）通过螺帽（8）和球形螺柱（9）与弯钩（3）连接；
Step4：配置硅酸盐水泥砂浆和不同膨胀剂含量Xn的膨胀性水泥砂浆，n=1,2,3…N；
Step5：将锚杆（2）垂直放入锚洞（1），确保锚杆（2）底部位于锚洞（1）正中位置，确保锚固体偏心受拉；
Step6：通过注浆设备向锚洞（1）内注入膨胀剂掺量为X1的膨胀水泥砂浆直至弯钩（3）底部，形成第一组膨胀水泥砂浆（5）；灌注完成后，在其上方安置分隔板（7），在分隔板（7）上方灌注硅酸盐水泥砂浆，直至灌注完成，形成第一组硅酸盐水泥砂浆（6），重复灌注膨胀水泥砂浆（5）和硅酸盐水泥砂浆（6），直至第N组硅酸盐水泥砂浆（6）灌注完成。
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