CN101768963A - 自锁器及具有该自锁器的自锁型预应力锚索 - Google Patents

Abstract

一种自锁器及具有该自锁器的自锁型预应力锚索，该自锁器包括：承载钢板和限位钢板，所述承载钢板为圆柱体，其轴向设有供锚索穿过的等径直孔及用于锁定锚索的并呈对称分布锥形锚孔，所述锥形锚孔沿着锚索的张拉方向相反的方向渐缩锥度，且在锥形锚孔中设有与锚孔结构匹配的用于夹紧锚索的夹片；所述限位钢板呈圆板状，其通过螺栓紧固于所述承载钢板靠近其锥形锚孔大口的一侧，且该限位钢板中设置有刚好允许锚索穿过的圆孔。该自锁型预应力锚索在常规锚索结构的基础上，通过在自由段上设置自锁器来锁定锚索，充分利用了自由段地层的能量场，改善了锚固应力场分布，具有荷载分布均匀、降低反力结构规模、施工便捷、节约造价、便于环保等优点。

Description

自锁器及具有该自锁器的自锁型预应力锚索

技术领域

本发明涉及锚索工程，尤其涉及一种自锁型预应力锚索及应用在该自锁型预应力锚索中的自锁器。

背景技术

随着国家基建规模的不断扩大，锚索工程结构在滑坡、高边坡、隧道洞室、大坝基础、深基坑加固等永久性土木加固工程中得到大量应用。

如图1所示，现有预应力锚索按照其作用机理，包括：深埋于锚孔10底部并与孔壁通过注浆体粘结的锚固段11(图中A段)、位于孔内并可自由伸长的自由段12(图中B段)以及固定在孔口反力结构上的锚头13(图中C段)。预应力锚索张拉完毕并锚固后，利用锚固段、自由段和锚头实现应力平衡，反力结构外锚头处因锚具约束，施加的张拉荷载转化为锚头处集中力，预应力锚索的锚固段、自由段和反力结构外锚头共同组成整体应力场，实现对岩土体的加固。

如图1可以看出，现有预应力锚索的作用方式均为锚固段的综合作用力与反力结构之间的对拉作用，而自由段只是作为传力机构而存在，而，自由段地层作为整个锚固能量场中的一部分，目前的预应力锚索并没有有效发挥其能量场的作用，导致现有的预应力锚索存在如下局限性：

1、施工工艺：因锚固荷载需要反力结构进行平衡，而反力结构主要由钢筋砼组成，导致施工难度增大，工期延长，并且在特殊抢险工程中效果发挥得较缓。

2、应力场分布：因一般锚固部位浅表层岩(土)层力学强度较低，为了保证荷载平衡，只有采取降低锚固荷载或增大反力结构截面来弥补，造成材料浪费。另外，反力结构上基本处于集中荷载作用，容易因外锚头部位局部缺陷诱发突发性事故。

3、荷载损失：因自由段地层在力系中只起传递作用，而该段地层在张拉过程中一般有部分岩(土)体被破坏，在锁定后期有应力场的重新调整而产生变形，加剧锚固荷载的损失。

4、经济效益：正因为目前的预应力锚索存在材料浪费、施工难度较大及荷载损失严重等局限性，导致实际工程造价也有浪费的现象。

因此，研究一种新型预应力锚索结构，能够充分利用自由段地层的能量场，改善力系平衡模式，力求材料利用效率均衡，减少锚固荷载损失，将对工程实际有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自锁器及应用该自锁器的自锁型预应力锚索，其通过将自锁器设置于锚索的自由段上，实现锚索自锁，省去或减小外部反力结构，节省材料成本的同时缩短锚索施工工期，减少突发性破坏事故。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自锁器，用于锁定锚索，其包括：承载钢板和限位钢板，所述承载钢板为圆柱体，其轴向设有供锚索穿过的等径直孔及用于锁定锚索的并呈对称分布锥形锚孔，所述锥形锚孔沿着锚索的张拉方向相反的方向渐缩锥度，并在锥形锚孔中设有与锚孔结构匹配的用于夹紧锚索的夹片；所述限位钢板呈圆板状，其通过螺栓紧固于所述承载钢板靠近其锥形锚孔大口的一侧，且该限位钢板中设置有刚好允许锚索穿过的圆孔。

所述的自锁器，其中，还包括定位钢管及安装在定位钢管两端的前盖帽和后盖帽，所述前盖帽和后盖帽上设有供所述锚索穿过的通孔，所述承载钢板设于所述定位钢管内并位于所述定位钢管的后端，所述后盖帽设于所述承载钢板和所述限位钢板之间，所述定位钢管内注浆，所述前盖帽、后盖帽、承载钢板和限位钢板上均设有注浆用的注浆管孔和回浆管孔，在限位钢板、承载钢板和后盖帽上分别设置补浆用的补浆管孔。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种自锁型预应力锚索，包括：锚固段、自由段和锚头，所述自由段外壁设套管，其中，所述自由段上间隔设置多个上述自锁器，所述锚索与所述自锁器上的承载钢板接触的位置剥除套管。

所述的自锁型预应力锚索，其中，在所述锚索的自由段与锚固段交界的位置处设有弹性隔离袋，所述弹性隔离袋采用透水透气材质，所述弹性隔离袋内混合填充泡沫渣和注浆体的。

本发明的有益技术效果在于：该自锁型预应力锚索在常规锚索结构的基础上，通过在自由段上设置自锁器来锁定锚索，充分利用了自由段地层的能量场，改善了锚固应力场分布，具有荷载分布均匀、降低反力结构规模施工便捷、延缓锚固荷载损失、节约造价、便于环保等优点；另外，从锚索结构和锚固机理的角度看，自锁型预应力锚索是一种双向锚固的新型锚索结构，其通过自由段的钢绞线，使钻孔底部的内锚固段和自锁器锚固段的水泥浆柱同时承受压力，又通过注浆体与岩(土)体的粘结应力将自锁器的压力传递给岩(土)体，达到防护岩(土)体的目的，因锚固段和自由段内的注浆体同时受压，利于分摊锚索各段的压力，使锚索受压更均匀，延缓锚索老化；且，因采用自由段锁固锚索，可取消孔口的反力结构或减小反力结构规模，使得锚索的施工工期缩短，加快了锚固时效，预防突发性破坏事故。

附图说明

为更进一步阐述本发明为实现预定目的所采取的技术手段及功效，本发明结合如下的附图进行了详细说明，本发明的目的、特征与特点，将可由此得到深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术锚索工程的结构示意图；

图2是本发明自锁型预应力锚索的结构示意图；

图3是本发明自锁器的结构示意图；

图4是自锁器的结构分解示意图。

具体实施方式

本发明的自锁型预应力锚索是在常规锚索结构的自由段上设置自锁器，通过自锁器与锚索之间的锁定作用，将自锁器与孔周岩(土)层间的粘结强度传递至锚索上，从而提供自锁荷载。

图2所示为本发明自锁型预应力锚索的结构示意图，如图所示，用钢绞线编制的锚索1埋于锚孔10中，锚索11由锚固段11、自由段12和锚头13三段组成，锚孔10内注浆，锚固段11通过注浆体与锚孔10孔壁牢固粘结，锚头13通过反力结构固定于孔口处，该锚固段11和锚头13的结构与现有预应力锚索的结构一样，此处不再赘述。自由段12锚索表面设有套管(可为PE套管)，因此，尽管孔内注浆，但自由段锚索在拉力作用下仍可在套管内自由伸长。为了使张拉后的自由段锚索可锁定于锚孔10内，本发明的自锁型预应力锚索在自由段12上设置了多个自锁器21，该多个自锁器21分级分摊将锚索1锁定在锚孔10内。

如图3所示，该自锁器21包括：定位钢管211、承载钢板212、夹片213、限位钢板214以及前、后盖帽215、216。

参阅图4，定位钢管211呈中空管状，其管壁外部前端2111设有错，并在台阶至端部的表面设置螺旋反丝2112；管壁外部后端2113设置成由薄至厚的楔形状，表面光滑；管内注浆，在钢管内壁车丝，形成粗糙面，增大摩擦系数，提高钢管内壁与注浆体之间的粘结强度。该定位钢管211用于定位自锁器21，并保证自锁器21内的锚索与钻孔轴向方向一致，防止自锁器内锚索与孔周之间形成偏转角，加载后受剪破坏。在完整岩层钻孔内，可不采用定位钢管211，显然，若自锁器21取消定位钢管211，则与之匹配的前、后盖帽215、216也相应取消。

前、后盖帽215、216分别安装于定位钢管211的两端，靠近锚固段侧的为前盖帽215，靠近锚头13的为后盖帽216。前、后盖帽215、216均呈瓶盖状，在前盖帽215的帽盖上设有多个供锚索穿过的并呈对称分布的通孔2151，前盖帽215帽檐内侧加工成与定位钢管211前端配合的螺旋正丝，为了保证前盖帽215安装后可与定位钢管211整体表面保持平整性，前盖帽215的帽檐厚度应与定位钢管211的错台高度对应；后盖帽216的底板也设有多个供锚索穿过的通孔2161，后盖帽216帽檐内壁加工成与定位钢管211后端匹配的楔形喇叭口状。该前、后盖帽215、216主要用于封闭定位钢管211，与定位钢管211构成完整的定位器外装置，防止杂物进入定位钢管211内部，降低定位钢管211内注浆体的强度，影响注浆体与定位钢管211管壁的粘结强度，影响自锁效果，保证定位钢管与锚索连接牢固。

承载钢板212大致呈圆柱形，其上设有多个供锚索穿过的等径直孔2122及呈对称分布的锥形锚孔2121，直孔2122用于供锚索穿过，而锥形锚孔2121则用于锁定锚索1，当锚索1穿过承载钢板212时，其被均匀分成多股，该多股锚索分别依次、交错穿过前后多个自锁器21的承载钢板212上的等径直孔2122和锥形锚孔2121，即：在前一自锁器21上锁定其中的某股或某几股锚索，在后一自锁器21上相应锁定另一股或另几股锚索，依此类推，在几个自锁器21上分摊、交错锁定锚索，从而使设置在自由段12上的多个自锁器21能够均匀分摊预应力，使锚索上的各级自锁器21的预应力分配更合理，锁定更牢固。该锥形锚孔2121为沿锚索张拉方向相反的方向渐缩锥度的锥形孔，在实际操作中该锥形锚孔2121的大口朝向锚索1张拉的方向，小口向着锚索1张拉方向相反的方向，当锚索1插入锥形锚孔2121后，再在锚孔2121中放入与锚孔2121匹配的夹片213夹紧锚头锚索1。夹片213的结构采用现有锚固工程中工作锚中所用的夹片的结构，其为与锥形锚孔2121匹配的锥形板，每个锚孔用两块该锥形夹片效果最为理想。承载钢板212为自锁器21的关键部件，自锁器21通过其单向约束自由段锚索在施加张拉荷载后的回缩变形，在承载钢板212底部与定位钢管211内的注浆体之间形成接触压应力场，受变形协调影响，在注浆体和孔周岩土层之间形成粘结剪应力场，为锁定单元的锚索提供自锁荷载。

限位钢板214的结构与承载钢板212大致相同，其呈圆盘状，厚度小于承载钢板212的厚度，其设有刚好允许锚索1穿过的圆孔2141，因此，将限位钢板214固定于承载钢板212相对于锥形锚孔2121大口的一侧时，可固定夹片，防止其在施加张拉荷载过程中位移。而为了将后盖帽216一并固定于定位钢管211上，在限位钢板214、承载钢板212和后盖帽216上均设置两个螺孔3，后盖帽216安装在限位钢板214和承载钢板212之间，螺栓2146穿过承载钢板221、后盖帽216和限位钢板214上的螺孔2142将三者连接在一起。

为了更好的发挥定位钢管211的导向以及加载后自锁器能与孔周岩土层之间形成粘结剪应力场的作用，定位钢管211内还填充有注浆体。为了方便注浆，在前盖帽215、后盖帽216、承载钢板212和限位钢板214上设置注浆管孔4和回浆管孔5，在承载钢板212、限位钢板214和后盖帽216上分别设置补浆用的补浆管孔6。

自锁器21作为自锁型预应力锚索的一部分，其安装工作应在锚索制作的过程中一起完成，其安装步骤为：

(1)根据设计资料确定每个自锁器的位置，并在相应锚索的自由段上做出明显标志。

(2)对于无粘结锚索，应在标志位置处开始向锚固端方向约10cm段剥除套管并将防腐油脂擦除干净。

(3)将定位钢管211与前盖帽215拧紧，将锚索穿过前盖帽215上的锚孔2151并移动至锚索的标志位置附近，再将承载钢板212穿入锚索，使其上锥形锚孔2121的大口朝向锚头的方向，小口朝向锚索的锚固段，然后穿入后盖帽216和限位钢板214，最后，穿入注浆管及其它回浆管、补浆管等至自锁器的相应管孔内。

(4)调整锚索，使其上剥除套管的部分对应承载钢板212的锥形锚孔2121，在锥形锚孔2121内安装夹片213，再用胶布将承载钢板212两侧已剥除PE套裸露锚索部分缠绕保护起来。然后安装螺栓，螺栓固定端必须靠近锚固段侧，并将螺杆分别穿过后盖帽216、限位钢板214，再在限位钢板214外侧拧紧螺帽，要求承载钢板212上的夹片外露长度不超过1.0mm，最后移动定位钢管211与前盖帽215扣紧，即完成了一个自锁器的安装。

(5)按上述(3)、(4)步骤安装其它几个自锁器。

每根锚索上设置的自锁器21的个数以及自锁器21的设置位置，可根据现场工况而定，结合理论分析和试验结果，土层中锚索的自由段12的每一个自锁单元的有效长度不宜小于5.0m，岩层中每一个自锁单元的有效长度不宜小于3.0m。一般情况下自锁单元长度按等分原则进行分配，并且自锁器21距离孔口的距离不得小于1.5m。若自由段12穿越不同的地层，可根据地层强度特性设置不同的自锁长度。为了有效保证锚固效果，自锁器距离自由段和锚固段交接面处的最小距离不得小于5.0m。

按上述步骤安装完自锁器21后即可进行预应力锚索施工工序，该自锁型预应力锚索施工工序如下：

(1)在需锚固的边坡相应位置开钻锚孔10；

(2)将安装完自锁器21和弹性隔离袋31的锚索1下入锚孔10中，将砂浆注入锚孔10内直至溢满。

(3)待砂浆全部凝固后进行锚索1张拉，由于自由段锚索表面设有套管，因此，张拉锚索时，自由段12可自由伸长，且锚索在张拉完毕卸荷后可被设于自由段上的自锁器21锁止固定。

(4)封锚，将锚头固定在孔口反力结构上。

该自锁器21锁固锚索1的原理为：在预应力锚索施加张拉荷载过程中，锚索产生由锚固段11向孔口方向的位移，自锁器内夹片213咬合的锚索1在克服夹片反顶荷载后可自由伸长变形。当张拉千斤顶卸荷时，在锚固荷载作用下，锚索有产生向孔底端方向位移的趋势，此时自锁器内的夹片213与锚索1之间产生向锚固段11方向的荷载，并推动夹片213向承载钢板212的锥形锚孔2121内移动，增大承载钢板212对夹片213的支撑力，进而夹片213与锚索之间的咬合力增大，限制锚索的回缩位移，并在承载钢板212与注浆体接触面处产生压应力，自锁器21位置附近的注浆体受到压应力作用后，将产生向锚固段11方向的位移，受变形协调条件控制，将在注浆体和孔周岩土层接触面一带产生粘结剪应力，并将该应力扩散至孔周岩土层中。因此，锚固荷载通过自锁器21对注浆体的压缩作用部分或全部转化为自由段注浆体与孔周岩土层之间的粘结剪应力，使预应力锚索整体应力场达到新的平衡，实现了自锁效果。

从上述自锁器的作用机理分析还表明，要获得自锁器良好的自锁效果，还应保证预应力锚索的锚固段和自由段能产生独立的变形，以防锚索轴向荷载全部作用在注浆体上而影响其与孔周岩土层之间的粘结剪应力作用，因此，本发明的预应力锚索还包括一个安装于锚固段11和自由段12之间的弹性隔离袋22(参阅图2)，其用于隔离自由段12和锚固段11之间的注浆体，保证锚固段11和自由段12的注浆体能独立变形。该弹性隔离袋21制作工序如下：

a.采用土工布或厚棉布加工成长约100cm的套袖，套袖内径不得小于锚孔孔径，以保证套袖充填后能与孔壁紧密接触。

b.将套袖的一端绑扎在锚固段11与自由段12的交界处，然后均匀向套袖内填充泡沫渣，填充泡沫渣后的套袖外径不宜超过钻孔孔径。

c.将套袖内的注浆管凿开一个直径约20mm的孔眼，然后将另一端绑扎结实。

d.待注浆体凝固后，该部分混合凝固体强度远远低于注浆体强度，因此可作为弹性装置进行隔离锚固段11与自由段12。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种自锁器，用于锁定锚索，其特征在于，包括：承载钢板和限位钢板，所述承载钢板为圆柱体，其轴向设有供锚索穿过的等径直孔及用于锁定锚索的并呈对称分布的锥形锚孔，所述锥形锚孔沿着锚索的张拉方向相反的方向渐缩锥度，并在锥形锚孔中设有与锚孔结构匹配的用于夹紧锚索的夹片；所述限位钢板呈圆板状，其通过螺栓紧固于所述承载钢板靠近其锥形锚孔大口的一侧，且该限位钢板中设置有刚好允许锚索穿过的圆孔。

2.如权利要求1所述的自锁器，其特征在于，还包括定位钢管及安装在定位钢管两端的前盖帽和后盖帽，所述前盖帽和后盖帽上设有供所述锚索穿过的通孔，所述承载钢板设于所述定位钢管内并位于所述定位钢管的后端，所述后盖帽设于所述承载钢板和所述限位钢板之间，所述定位钢管内注浆，所述前盖帽、后盖帽、承载钢板和限位钢板上均设有注浆用的注浆管孔和回浆管孔，在限位钢板、承载钢板和后盖帽上分别设置补浆用的补浆管孔。

3.一种自锁型预应力锚索，包括：锚固段、自由段和锚头，所述自由段外壁设套管，其特征在于，所述自由段上间隔设置多个如权利要求1-2中任意一项所述的自锁器，所述锚索自由段与所述自锁器上的承载钢板接触的位置剥除套管。

4.如权利要求3所述的自锁型预应力锚索，其特征在于，在所述锚索的自由段与锚固段交界的位置处设有弹性隔离袋，所述弹性隔离袋外表采用透水透气材质，内部混合填充有泡沫渣和注浆体的。

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