CN101691754A - 一种多盘体式锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑施工领域中的一种锚杆扩盘及承力面挤压装置，即多盘体式锚杆，加装在步履式液压水平长杆螺旋钻机的钻杆前端，主体结构分为钻头、油缸、挤扩机构和连接法兰四部分；装置后端为连接法兰部分，被动挤扩臂座外形制成法兰状与钻杆前端法兰用螺栓连接，被动挤扩臂用轴销铰接于被动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动，被动挤扩臂经中间铰链轴销与主动挤扩臂铰接，主动挤扩臂通过挤扩臂轴销铰接于主动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动；钻杆法兰焊接在钻杆前端外环形成一体；具有承载力大、成本低、环保好、操作简便、易于控制、安全稳定、配套性强、适用性广等优点。

Description

一种多盘体式锚杆

技术领域：

本发明属于建筑业岩土施工设备领域，涉及一种锚杆扩盘及承力面挤压装置，特别是一种多盘体式锚杆，用于土层锚杆施工，在步履式液压水平长杆螺旋钻机的钻杆前端加装该装置，在锚固段适当土层中实施一个或多个张扩挤压、形成盘状的密实承力土体，提高锚固段土体的密实度和抗剪强度。

背景技术：

目前，土层锚固技术遍及土木建筑领域的各个方面，如边坡、基坑、隧洞、地下工程、填体、码头、海岸、桥梁、高耸结构及悬索建筑的拉力型基础等。土层锚固是把受拉杆件(锚杆)埋入地层使其达到稳定状态的技术。锚杆的一端与工程结构物或挡土桩墙联结，另一端锚固于适当土层中承受结构物的上托力、拉拔力、倾覆力或挡土墙的土压力(统称承载力，下同)。由于锚杆使用领域广泛，使用价值大，许多工程技术人员都在寻求研究如何有效提高锚杆承载力，以达到更加安全稳定和高经济技术性能。研究表明，目前提高锚杆承载力的方式主要有刀切削、水切削(含水泥浆切削)、爆破等工艺。采用刀具切削式扩大头锚杆是在钻头上安装一组刀具，当钻到需要扩大头土层时，人工通过操纵机构将刀具在钻杆旋转状态下逐步扩张开，在旋转动力下，刀具对土体切削成与刀具直径大小相同的盘体，并随着钻杆的继续推进，形成一定长度的圆柱体，然后用水将切削下来的土清洗出来，植入锚杆，注浆而成扩大头锚杆。高压水或高压水泥浆切削式扩大头锚杆是在施工好的钻孔中的适合位置的土层中置入一高压水(浆)喷射装置，视情况分一次或多次利用水或水泥浆的巨大冲击力，切削土层形成扩大头，直至形成需要的扩大头尺寸，并随着装置的逐渐切削深入，形成有一定长度的圆柱体，利用切削水(浆液)将余土清除，植入锚杆，注浆而成扩大头锚杆。爆破扩大头锚杆是在已钻成的锚孔中适当部位，装填经防潮处理的适量炸药，将入口处封闭后引爆，利用爆破力挤压成锚杆扩大头，植入锚杆，注浆而成扩大头锚杆。上述三种锚杆扩大头方式各有利弊，在一定程度上提高了锚杆承载力，但也存在如下主要缺陷：一是先期位移较大，稳定性欠佳，采用高压水或高压水泥浆切削土层，或用刀具式切削土层形成扩大头，对土体扰动大，扩盘后，不仅没有提高盘体承力面土体强度及密实度，反而使扩大头周边土层强度降低，以致锚杆注浆后必须采取预应力张拉锚杆多次才能恢复和提高土体强度，承载力有效发挥时锚杆先期位移量比较大，对整个土层的稳定不利；二是适用范围有较大局限，爆破扩大头对土体有挤压作用，但在市区、人员密集区或敏感性建筑物旁使用受限，水比较丰富的地层防潮困难，而且爆破成型控制难尽人意；三是经济和环保效应不理想，切削、冲扩两种扩大头成型后都必须用水循环清洗出切削下来的泥土，特别是冲扩工艺，扩盘中使用液体量很大，造成工地泥浆排出增多，不利于施工现场文明卫生；同时由于材料浪费较大，经济性下降；四是成盘质量离散性大，在饱和黏土、干砂土层中，由于切削(包括刀切及水、浆切)对土体扰动过大，成盘率降低，盘体圆面积不规则现象较多。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的主要缺陷，寻求提供一种不仅能实施简便的锚杆扩盘——增大锚固段端承力面圆面积，而且能对扩盘承力面土体强行施加压应力，达到提高盘体承力面土体强度和密实度的锚杆扩盘及承力面挤压装置，即设计一种多盘体式锚杆，其与现有的步履式液压水平长杆螺旋钻机组合，使钻进、扩盘、挤压、喷浆四大工序有机结合为一体，不仅显著提高锚杆承载力，而且锚杆位移小，减少锚杆设置数量，缩短锚杆有效锚固深度，减少泥浆排出，使锚杆的安全稳定性更可靠，施工操作更便捷，更节省。

为了实现上述目的，本发明的主体结构分为钻头、油缸、挤扩机构和连接法兰四部分；装置后端为连接法兰部分，其被动挤扩臂座外形制成法兰状，与钻杆前端法兰用螺栓连接传递动力，并便于拆卸与维修；挤扩机构中被动挤扩臂用挤扩臂轴销铰接于被动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动，被动挤扩臂通过挤扩臂中间铰链轴销与主动挤扩臂铰接，主动挤扩臂通过挤扩臂轴销铰接于主动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动；为防止泥土在挤扩机构内空腔存积而防碍张扩收缩，在紧贴活塞杆外圆面、挤扩机构内圆空腔处设置防护套，防护套与油缸后端盖制成一体，随油缸沿活塞杆作前后往复运动，防护套后端口制成圆形刀状，将粘裹在活塞杆上的泥土及杂质剔除；防护套内圆面与活塞杆外圆面结合部设有多道防尘和密封圈，防止微尘及压力性水泥浆液渗入影响装置正常工作；装置的圆形表面制有与钻杆螺旋叶片外径、螺距一致的螺旋叶片；钻头部分为装置最前端，截面为十字形状，钻头与活塞杆或钻杆焊接一体，钻杆旋转时通过法兰带动活塞杆同步旋转，活塞杆带动钻头作同心旋转而实施钻进功能；钻杆法兰焊接在钻杆前端外环，与之形成牢固的一体；装置法兰与被动挤扩臂座制成一整体，既作为法兰连接传递动力，又作为被动挤扩臂座承受被动挤扩臂传递的各种应力。

本发明所述的油缸部分由油缸、油缸前后端盖、前后导向套组成、活塞、活塞杆、活塞固定卡环、油缸、油管、油管接头、中心通道和密封件机械配合连接组成，活塞杆前端与钻头焊接，后端通过法兰与钻杆前端法兰用螺栓连接，活塞由固定卡环固定在活塞杆上，活塞在活塞杆的位置固定不动；液压油作功时，活塞不动，而油缸沿活塞杆作前后往复运动，油缸的往复直线运动转变成挤扩臂扩张或收缩的径向运动；油管后端与钻机油道相连以取得液压油，前端通过油管接头在中心通道内与油缸油道相连以供给和回流油缸液压油；活塞杆与钻杆内外径一致，其中心通道管道和高压水(水泥浆)畅通，中心通道前端部制有两个喷嘴，供高压浆或高压水喷出，解决钻进时自行护壁和扩张挤压后同时喷浆进行盘体内腔先期护面，防止扩盘土体塌落；油缸前后导向套组成及活塞内外环均设置多道密封件，以防止液压油的泄漏而影响油缸正常工作，油缸前后端盖分别用外螺纹与油缸内螺纹连接，籍以压紧油缸前后导向套组成并抗拒油缸工作时通过导向套组成传递的巨大压力，防止导向套组成位移造成油缸工作失效。

本发明钻至设计深度后再往前钻入锚杆所需握裹长度，退回设计深度停止旋转，将液压油注入活塞后端油缸，油缸在液压油作用下往后移动，推动主、被动挤扩臂绕挤扩臂中间铰链轴销转动，挤扩臂逐步扩张挤压径向及后端面土体，使其被压缩成对称肢体状；油缸行至止点后，主、被动挤扩臂张扩成最大直径状；此时将液压油反向注油，活塞前端油缸内迅即充满液压油，油缸由后端往前端位移直至将挤扩臂拉直还原成圆柱形；将钻杆旋转一定角度，然后重复将液压油注入活塞后端油缸，油缸后移，带动主、被动挤扩臂绕挤扩臂中间铰链轴销转动，直至扩张成直径最大，对土体再次挤压成对称肢体状；然后将液压油从活塞前端油缸注入，油缸再次前行，带动挤扩臂收缩还原成圆形状，反复三次，一个完整的扩大盘体形成，扩大盘体圆面积为原钻孔圆面积的4倍以上；将钻杆退至需要再扩盘的土层，按上述方法重复操作一遍，又一个扩大盘体形成。满足设计扩大盘个数后，退出钻杆及装置，植入锚杆，注浆成为有多个扩大盘体且盘体的承力面预先受到强行挤压，使承力面土体密实度和强度都有很大提高进而使锚杆承载力提高显著的多盘体式锚杆。

本发明应用于建筑领域土层锚杆施工，应用时在步履式液压水平长杆螺旋钻机的钻杆前端加装该装置。该装置为一个圆形的，外表由2～10个挤扩臂组成，由压力油推动油缸并带动挤扩臂张开与钻杆轴线垂直，收缩与钻杆轴线平行的表面带螺旋叶片的具有钻进功能，可控制在土层适宜部位扩盘并同时对盘体承力面土体实施挤压；能在锚固段适当土层中实施一个或多个预先得到挤压张扩而形成盘状的密实承力土体，有效地提高锚固段土体的密实度和抗剪强度，提高锚杆承载力，达到安全稳定和高经济技术性能。

本发明与现有技术相比，具有承载力高、成本低、环保性好、操作简便、易于控制、安全稳定、配套性强、适用性广等优点。

附图说明：

图1为本发明装置的总体框架结构原理示意图。

图2为本发明装置未扩张状态剖面结构原理示意图。

图3为本发明装置扩张状态剖面结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构由钻头1、油缸前端盖2、油缸后端盖2′、油缸前导向套组成3、油缸后导向套组成3′、油缸4、活塞5、主动挤扩臂座6、被动挤扩臂座11、防护套7、主动挤扩臂8、被动挤扩臂10、挤扩臂中间铰链轴销9、螺旋叶片12、钻杆组成13、进出油管14、油管接头15、防护套防尘圈16、防护套密封圈17、活塞固定卡环18、钻杆中心通道19、喷嘴20、连接法兰21、挤扩臂轴销22、活塞杆23和油缸密封件24组成；钻头1截面为十字形状，通过焊接方式与活塞杆23前端连接成一体，钻机使钻杆旋转，钻杆通过法兰带动活塞杆旋转，活塞杆旋转就带动焊接一体的钻头实施钻进功能；油缸4表面的螺旋叶片与钻杆螺旋叶片12外形尺寸及功能一致，除钻进功能外，还具有将切削下来的土粒以斜面输送方式导出，以免粘裹螺杆，影响钻进的功能；

本实施例所述油缸部分由油缸4、前端盖2、后端盖2′、前导向套组成3、后导向套组成3′、活塞5、活塞固定卡环18、活塞杆23、油管14、油管接头15、中心通道19和油缸密封件24组成；活塞杆23(同时又兼这一长度段的钻杆)前端与钻头1焊接，后端通过法兰(被动挤扩臂座)11与钻杆前端法兰21用螺栓连接，活塞5由固定卡环18固定在活塞杆23上，活塞5在活塞杆23的位置是固定不动的，活塞5、导向套组成3和3′内外环都设有多道防止液压油渗漏的密封件24；油缸前后端盖2和2’通过外螺纹与油缸内螺纹紧密连接，分别将油缸前后导向套组成3和3′压紧，用以承受油缸工作时通过导向套组成传递的巨大压力，阻止导向套组成的位移而保证油缸正常工作；液压油作功时，活塞5不动，油缸4沿活塞杆23作前后往复运动，油缸4的往复直线运动带动主动挤扩臂8，并通过中间挤扩臂铰链轴销9又带动被动挤扩臂10作扩张或收缩的径向运动；活塞杆23与钻杆13内外直径相同，中心为圆形管道状的中心通道19，足供油管、高压水或水泥浆液畅通，进出油管14后端与钻机液压油道相连以取得压力油，前端通过油管接头15可在中心通道19内与油缸油道连接以供给和回流油缸液压油，中心通道19前端部制有两个喷嘴20，供高压水泥浆或压力水喷出，以解决钻进时自行护壁和扩张挤压后及时喷浆进行盘体内空腔表面预挂浆，防止成型后的盘体表面土体塌落而影响成盘质量。

本实施例所述挤扩机构由主动挤扩臂座6、被动挤扩臂座11、主动挤扩臂8、被动挤扩臂10、挤扩臂中间铰链轴销9、挤扩臂轴销22、防护套7、防护套防尘圈16和防护套密封圈17机械连接组成；主动挤扩臂座6与主动挤扩臂8，被动挤扩臂座11与被动挤扩臂10均用挤扩臂轴销22铰接，挤扩臂可沿挤扩臂轴销在相对应的挤扩臂座内仅能作径向旋转运动，不能做其它方向运动；挤扩臂中间铰链轴销9将主动挤扩臂8、被动挤扩臂10铰接，8、10两挤扩臂在外力作用下沿中间铰链轴销9作径向旋转运动，不能做其他方向的运动；为了防止主、被动挤扩臂中间铰链部分成死角影响扩张，中间铰链轴销9y坐标方向轴线与挤扩臂轴销22y坐标方向轴线不在同一平面，与钻杆中心半径前者大于后者；当油缸4往后移动时，油缸4后端盖2′上的主动挤扩臂座6推动主动挤扩臂8同位后移，应力通过主动挤扩臂8、中间铰链轴销9和被动挤扩臂10直接传至被动挤扩臂座11，由于被动挤扩臂座11与入土深度较大的钻杆连接，而钻杆又与外部钻机相连，故产生一个大于油缸后移的反力，主动挤扩臂8、被动挤扩臂10将承受的压力以挤扩臂中间铰链轴销9作为受力集中点，为平衡钻杆的反力和油缸的压力所产生的集中应力，两臂因挤扩臂中间铰链轴销9的设计角度而自然形成径向变形，使挤扩臂承受的水平应力变成径向扩张应力；随着油缸4的继续后移，主、被动挤扩臂扩张至径向止点，油缸4后移至止点，扩张运动停止，扩张应力随之消失；操纵液压阀改变供油方向，液压油从活塞5前端进入油缸4，油缸4改变运行方向从后往前移动，与油缸后端盖2′固定一体的主动挤扩臂座6带动主动挤扩臂8，并通过挤扩臂中间铰链轴销9又带动被动挤扩臂10相应往后移动；因钻杆13及与钻杆连接的钻机的阻力大于油缸4位移应力——即油缸4所产生的应力；被动挤扩臂座11位置相对不变，主、被动挤扩臂8和10在油缸4前移拉应力作用下，从径向最大止点位置被相应拉伸成径向收缩，油缸4行至前端止点时，主动挤扩臂8、被动挤扩臂10被拉直而恢复圆柱形状，一个“*”型肢体被扩张压迫成形；为防止泥土在挤扩机构内空腔存积而防碍张扩收缩，在紧贴活塞杆外圆面和挤扩机构内圆空腔部分，设置了防护套7，防护套7与油缸后端盖2’制成一体，随油缸4沿活塞杆23作前后往复运动；防护套7后端口制成圆形刀状，能确保将粘裹在活塞杆上的泥土及杂质剔除；防护套内圆面与活塞杆外圆面结合部还设有多道防尘圈16和密封圈17，防尘圈16主要防止微尘侵入，而密封圈17则防止压力性泥浆渗入活塞杆表面凝固后影响装置正常工作；因此，尽管装置是在条件极其恶劣复杂的地层深处工作，但通过多方面的预防措施，其工作可靠性耐久性都得到了保障；反复上述扩张及拉伸过程三次，一个完整的扩大盘体就顺利形成，并且扩大盘体的承力面土体预先得到压缩幅度大于150mm的很大压应力，使盘体处土体密实度和强度都有显著提高，盘体圆面积即锚固段端承面积比原锚固段圆面积增加了至少4倍以上，按以上方法在适当土层挤扩成多个扩大盘(以设计个数为准)体后，退出钻杆及装置，植入锚杆，注浆成为有多个扩大盘体且盘体的承力面预先受到强行挤压，使承力面土体密实度和抗剪强度都有很大提高进而使锚杆承载力比普通摩擦型锚杆提高3～4倍的多盘体式锚杆。

本实施例的锚杆承载力计算方法如下：

根据受力分析，单根预压扩盘锚杆的承载力可按下式计算：

T＝F+Q

式中T为单根预压扩盘锚杆的承载力(KN)；F为锚杆圆柱锚锢段的承载力(KN)；Q为锚杆圆柱预压扩盘段端承载力(KN)；其中：

F＝U_K/γ₀

式中U_K为单根预压扩盘锚杆的承载力的标准值(KN)；γ₀为荷载分项系数，可按建筑规范取值；其中：

U_k＝∑λ(τ_f+c)u_il_i

式中λ为锚杆抗拔系数，可按建筑规范取值；u_i为锚杆周围的破坏土面周长(m)；l_i为锚杆锚锢段的有效长度(m)，τ_f为土的不排水抗剪强度(kPa)；c为土体的粘聚力(kPa)；

$Q=\mathrm{\π}(d_2^2-d_1^2){\mathrm{\β\τ}}_{f}n/4$

式中d₁为锚杆圆柱段的直径(m)；d₂为锚杆预压扩盘的直径(m)；β为承载力系数；n为预压扩盘的个数。

本实施例的计算和现场试验表明，锚杆预压扩盘后，土的抗剪强度提高1.5倍以上，锚杆锚锢段破坏土面周长提高4倍以上，对于锚锢段长度4m的锚杆，锚锢端承载力提高5倍以上，单根锚杆的承载力提高3～4倍，预压扩盘的位置和数量可以通过承载力计算确定，锚杆的变形可以通过调整承载力来控制。

Claims (3)

1.一种多盘体式锚杆，主体结构分为钻头、油缸、挤扩机构和连接法兰四部分，其特征在于装置后端为连接法兰，被动挤扩臂座外形制成法兰状，与钻杆前端法兰用螺栓连接传递动力，被动挤扩臂用挤扩臂轴销铰接于被动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动，被动挤扩臂通过挤扩臂中间铰链轴销与主动挤扩臂铰接，主动挤扩臂通过挤扩臂轴销铰接于主动挤扩臂座内并沿挤扩臂轴销作旋转运动；在紧贴活塞杆外圆面、挤扩机构内圆空腔处设置防护套，防护套与油缸后端盖制成一体，随油缸沿活塞杆作前后往复运动，防护套后端口制成圆形刀状，将粘裹在活塞杆上的泥土及杂质剔除；防护套内圆面与活塞杆外圆面结合部设有多道防尘和密封圈，防止微尘及压力性水泥浆液渗入；装置的圆形表面制有与钻杆螺旋叶片外径、螺距一致的螺旋叶片；钻头位于装置最前端，截面为十字形状，钻头与活塞杆或钻杆焊接一体，钻杆旋转时通过法兰带动活塞杆同步旋转，活塞杆带动钻头作同心旋转而实施钻进功能；钻杆法兰焊接在钻杆前端外环，与之形成牢固的一体；装置法兰与被动挤扩臂座制成一整体，既作为法兰连接传递动力，又作为被动挤扩臂座承受被动挤扩臂传递的各种应力。

2.根据权利要求1所述的多盘体式锚杆，其特征在于油缸部分由油缸、油缸前后端盖、前后导向套组成、活塞、活塞杆、活塞固定卡环、油缸、油管、油管接头、中心通道和密封件机械配合连接组成，活塞杆前端与钻头焊接，后端通过法兰与钻杆前端法兰用螺栓连接，活塞由固定卡环固定在活塞杆上，活塞在活塞杆的位置固定不动；液压油作功时，活塞不动，而油缸沿活塞杆作前后往复运动，油缸的往复直线运动转变成挤扩臂扩张或收缩的径向运动；油管后端与钻机油道相连以取得液压油，前端通过油管接头在中心通道内与油缸油道相连以供给和回流油缸液压油；活塞杆与钻杆内外径一致，其中心通道管道和高压水或水泥浆畅通，中心通道前端部制有两个喷嘴，供高压浆或高压水喷出，解决钻进时自行护壁和扩张挤压后同时喷浆进行盘体内腔先期护面，防止扩盘土体塌落；油缸前后导向套组成及活塞内外环均设置多道密封件，以防止液压油的泄漏而影响油缸正常工作，油缸前后端盖分别用外螺纹与油缸内螺纹连接，压紧油缸前后导向套组成并抗拒油缸工作时通过导向套组成传递的巨大压力，防止导向套组成位移造成油缸工作失效。

3.根据权利要求1所述的多盘体式锚杆，其特征在于使用时，钻至设计深度后再往前钻入锚杆所需握裹长度，退回设计深度停止旋转，将液压油注入活塞后端油缸，油缸在液压油作用下往后移动，推动主、被动挤扩臂绕挤扩臂中间铰链轴销转动，挤扩臂逐步扩张挤压径向及后端面土体，使其被压缩成对称肢体状；油缸行至止点后，主、被动挤扩臂张扩成最大直径状；此时将液压油反向注油，活塞前端油缸内迅即充满液压油，油缸由后端往前端位移直至将挤扩臂拉直还原成圆柱形；将钻杆旋转一定角度，然后重复将液压油注入活塞后端油缸，油缸后移，带动主、被动挤扩臂绕挤扩臂中间铰链轴销转动，直至扩张成直径最大，对土体再次挤压成对称肢体状；然后将液压油从活塞前端油缸注入，油缸再次前行，带动挤扩臂收缩还原成圆形状，反复三次，一个完整的扩大盘体形成，扩大盘体圆面积为原钻孔圆面积的4倍以上；将钻杆退至需要再扩盘的土层，按上述方法重复操作一遍，又一个扩大盘体形成。满足设计扩大盘个数后，退出钻杆及装置，植入锚杆，注浆成为有多个扩大盘体且盘体的承力面预先受到强行挤压，使承力面土体密实度和强度都有很大提高进而使锚杆承载力提高显著的多盘体式锚杆。

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