CN103982210A - 一种承台型锚杆锚固技术 - Google Patents

Abstract

承台型锚杆锚固技术主要应用于岩土工程加固领域。本发明是在传统锚杆上增加一个或多个承台体，由承台体与杆体共同组成锚固系统，即沿锚杆长度方向每间隔一定距离增加一个或多个承台，从而改变传统锚杆荷载的传递方式及其受力机制。从而提高了单根锚杆的承载力。根据承台及杆体对岩体的作用特点和承载特性，给出了承台型锚固技术中三种常见的承台体破坏模式、承台尺寸的设计、承载力的计算方法。本发明技术可以有效地提升锚杆的加固效果。

Description

一种承台型锚杆锚固技术

技术领域

本发明属于锚杆加固支护技术领域，特别涉及一种承台型锚杆锚固技术。

技术背景

从国内外锚杆加固的应用情况来看，锚杆的承载力主要是依靠锚固段提供的侧摩阻力来承担；目前锚杆的形式有多种，但从作用原理上看，主要是采取各种措施来增大锚杆侧摩阻力，以提高其极限承载力。为此，研究和探索增大承载力的技术方法或改变传统锚固段锚杆与周围土体的作用机制，提高锚固段的承载力，是急需解决的关键技术问题。承台型锚杆正是在这一背景下提部的新的锚固技术。

发明内容

为了提高锚杆的承载力与锚固效果，承台型锚杆是在锚杆长度方向每隔一定间距增加一个承台，改变了传统锚杆荷载的传递方式及其受力机制，从而提高单根锚杆的承载力。其主要特点是在软岩的条件下，沿锚杆轴线方向设计一个或多个承台，在硬岩的条件下沿锚杆轴线方向设计一个，承台可视为扩径体，即多个扩径体的锚固力与传统锚固力的作用机制不同，表现为未扩径段与扩径段接合处增加一个“承台”体，从承载能力考虑，承台直径过大易破坏、高度大无法全部发挥承载力，考虑到浇注材料的力学属性以及围岩的力学性能，故对承台浇注体的破坏模式进行归类计算，建立了系统的评价与计算公式。增加承台体使得新型锚杆承载力与传统锚杆承载方式有着本质性区别，从而大幅提高了锚杆的锚固力。

其作用原理与高压灌浆技术提高锚固力的原理不同；该技术方法是用液压挤扩与切削相结合的原理，沿钻孔轴的方向设计一个或多个承台体，即沿钻孔长度方向非等直径，然后通过特制钢筋支架与灌注混凝土，在局部形成承台体，从而达到提高锚杆锚固力与受力均匀分布的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1承台示意图

图2单承台锚杆的三种破坏模式示意图

图3围岩破坏时的应力平衡示意图

具体实施方式

1、三种破坏模式下承台承载力计算理论

承台型锚杆的破坏模式主要有以下四种：一是围岩的强度较低时(软弱围岩)，围岩产生破坏。二是锚固剂的强度较低时，锚固剂与围岩之间抗剪破坏，即残余承台与整个注浆体沿着钻孔孔径整体拔出。三是承台破坏，锚固剂留在岩体内，锚杆被拔出。四是锚杆抗拉破坏(此情况下的最大拉拔力即所选用钢筋的抗拉值，本发明不予讨论)。其中承台型锚杆破坏时三种可能的破坏面的示意图如图2所示，下面仅讨论三种破坏模式下的承载力计算公式。

1)当围岩发生破坏时的最小拉拔力F₁

$F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\π}{L}_i{\mathrm{\τ}}_i---\left(1\right)$

式中：F₁——围岩破坏情况下，破坏面取最小直径时的拉拔力；

D₁——承台的直径，即围岩破坏时最小的破坏面直径；

τ_i——第i层围岩的有效抗剪强度；

L_i——第i层能提供有效抗剪强度的围岩厚度；其中：

L₁——能提供有效抗剪强度的围岩厚度；

n——能提供有效抗剪强度的围岩层数。

2)当锚固剂与围岩之间发生破坏时的最小拉拔力F₂

①锚固剂与围岩之间抗剪破坏情况下，考虑锚固剂的抗剪强度时的最小拉拔力

F₂′＝πD₂L₂τ₂   (2)

式中：F₂——考虑锚固剂的抗剪强度时，承台以上锚固范围内的拉拔力

D₂——扩孔直径，即锚固剂与围岩之间抗剪破坏时最小的破坏面直径

τ₂——锚固剂的有效抗剪强度

L₂——承台以上的锚固长度

②锚固剂与围岩之间抗剪破坏情况下，考虑在L₂深度范围内围岩的总抗剪强度低时的最小拉拔力

$F_2^{\′\′}=\underset{I=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\π}{D}_2{L}_i{\mathrm{\τ}}_i---\left(3\right)$

式中：F₂″——锚固剂与围岩之间抗剪破坏情况下，考虑围岩的抗剪强度时，承台以上锚固范围内的拉拔力

τ_i——第i层围岩的有效抗剪强度

L_i——第i层能提供有效抗剪强度的围岩厚度；其中：

n——承台以上的锚固长度内，能提供有效抗剪强度的围岩层数

当F₂′≤F₂″时，取F₂＝F₂″+F_P；当F₂′＞F₂″时，取F₂＝F₂′+F_P。其中F_P为承台的最大承载力。

3)锚杆被拔出时的最小拉拔力F₃

F₃＝πD₃L₃τ₃+F_p   (4)

式中：F₃——考虑锚固剂与锚杆之间抗剪破坏时，承台以上锚固范围内的拉拔力

D₃——锚杆直径，即锚固剂与锚杆之间抗剪破坏时最小的破坏面直径

τ₃——锚固剂与钢筋之间的有效抗剪强度

L₃——承台以上的锚固长度

4)承台承载力的计算

当盘厚一定时，盘的径的增加，会提高承台的抗压承载力，但是会导致承台直接剪裂破坏，对承台的承载力有消极影响。当盘径一定时，盘厚的增加会提高承台的抗剪承载力，但是会导致上台面抗压破坏，因此对盘厚的增加对承台承载力的增加效果不明显。虽然同等盘径的情况下，承台越厚其承载力越有保障，但是由于施工条件的限制，当盘径一定时，应尽量选取较小的盘厚。因此在实际应用中我们设计为让承台呈现抗剪破坏。

从承台的受力形态可知，承台在受力的情况下，下台面将会脱离(因为水泥砂浆的抗拉能力很弱，导致承台在受力初始就会断开)，彼时上台面受压，倘若忽略承台侧边的摩阻力，则此时承台的受力状态类似于悬臂梁受压。参考房屋建筑学中牛腿中的计算原理，可知当盘径与盘厚的关系满足A＞H时(参考图1)，承台的受力情况与“长牛腿”的受力情况相似(长牛腿又与悬臂梁受力情况相似)；当盘径与盘厚的关系满足A≤H时(参考图1)，承台的受力情况与“短牛腿”的受力情况相似。

由上述分析可知，“短牛腿”的受力情况最接近于承台的受力情况。承台最有可能是斜剪破坏或者是剪切破坏。

考虑承台为抗剪破坏，在承台为破坏时，上台面始终与围岩处于挤压状态所以在进行承载力的计算时应考虑上台面侧摩阻力的影响，其应力状态如图2所示，则承台的承载力可按(5)计算。

F_p＝πD₄L₄τ₄+πD₁L₅τ₅+N·A_sf_ysinθ   (5)

式中：F_p——承台的承载力

D₄——承台破坏时的破坏面直径

τ₄——承台内的有效抗剪强度

L₄——承台的厚度

L₅——上台面沿锚杆方向的投影

τ₅——上台面与围岩之间的抗剪强度

N——伸展支架的个数

A_s——伸展支架钢筋横截面面积

f_y——伸展支架钢筋的强度设计值

θ——伸展支架张开后，钢筋与锚杆之间的夹角

对比F₁、F₂、F₃三种结果，选择其中的最小值即为承台型锚杆的极限抗拔力。

2、承台尺寸设计

1)承台直径与承台厚度的设计

承台直径与厚度是相互制约的关系，所以需要综合性的考虑破坏条件，得到二者的关系式。由上面分析可知：当承台厚度一定时，承台直径减少，会降低承台的抗压承载力，因上台面承受压荷载，可将承台看做是试件抗压，此时考虑承台抗压能力可得式(6)。

$F_y=\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{\σ}(D_1^2-D_2^2)---\left(6\right)$

式中：F_y——承台的抗压破坏力

σ——承台抗压强度

再由式(7)可得承台的抗剪承载力，F_p＝πD₄L₄τ₄+πD₁L₅τ₅+N·A_sf_ysinθ。

此时，令承台的抗剪承载力等于承台的抗压承载力，即F_y＝F_p，可得到承台直径与厚度的最佳值。当其它试验参数给出后，即可得到承台直径与厚度的最佳设计关系。

2)承台直径的设计

当承台型锚杆破坏时，对应于上述三种破坏模式，如果发生第二种和第三种破坏时，承台都已经破坏，此时承台盘径越大越好(相对应的盘厚也要增加)；如果发生第一种围岩破坏时，此时围岩的强度较低，而承台型锚杆的强度就取决于承台的强度和围岩的抗剪强度。其受力平衡示意图如图3所示。

此时围岩的抵抗力按式(7)计算。

$F_w=F_1{=\mathrm{\Σ}}_{i=l}^n\mathrm{\π}{D}_1{L}_i\·{\mathrm{\τ}}_i---\left(7\right)$

为了保障盘式锚杆有最大的拉拔力，则要求F_y≥F_w。当围岩强度一定大时，围岩不会破上，承台会破坏，此时根据施工条件设计承台，但是由于扩孔钻具的限制，承台的直径不会太大。

3)承台钢筋支架保护层厚度的设计

根据《混凝土结构设计规范》(OB50010-2010)，混凝土的保护层的最小厚度如表1所示。且由该规范的规定可知：处于一类环境且由工厂生产的预制构件，当混凝土强度等级不低于C20时，其保护层厚度可按表1中规定减少5mm，但预应力钢筋的保护层厚度不应小于15mm。预制钢筋混凝土受弯构件钢筋端头的保护层厚度不应小于10mm；板、墙、壳中分布钢筋的保护层厚度不应小于表1中相应数值减10mm，且不应小于10mm；梁、柱中箍筋和构造钢筋的保护层厚度不应小于15mm。

表1混凝土的保护层的最小厚度c(mm)

环境类别	板、墙、壳	梁、柱、杆
			一	15	20
二a	20	25
			二b	25	35
三a	30	40
			三b	40	50

注：混凝土的强度等级不大于C25时，表中保护层厚度数值应增加5mm。

Claims (3)

1.一种承台型锚杆锚固技术，特征在于：

承台型锚杆锚固技术是在传统锚杆的锚固段沿杆向增加一个或多个承台，整个体系由承台与杆体共同组成锚固系统，即沿锚杆长度方向每间隔一定距离增加一个承台，改变了传统锚杆荷载的传递方式及其受力机制，从而提高单根锚杆的承载力。

2.根据权利要求1所述的承台型锚杆锚固技术，单承台型锚杆的极限抗拔力计算式为：

①承台承载力的计算F_p

F_P＝πD₄L₄τ₄+πD₁L₅τ₅+N·A_sf_ysinθ

②当围岩发生破坏时的最小拉拔力F₁

$F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\π}{L}_i{\mathrm{\τ}}_i$

③当锚固剂与围岩之间发生破坏时的最小拉拔力F₂

F₂′＝πD₂L₂τ₂

$F_2^{\′\′}=\underset{I=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\π}{D}_2{L}_i{\mathrm{\τ}}_i$

当F₂′≤F₂″时，取F₂＝F₂″+F_P；当F₂′＞F₂″时，取F₂＝F₂′+F_P。

④当锚杆被拔出时的最小拉拔力F₃

F₃＝πD₃L₃τ₃+F_p

对比F₁、F₂、F₃值的大小，其中的最小值即为承台型锚杆的极限抗拔力。

3.根据权利要求1所述的承台型锚杆锚固技术，承台尺寸设计参数为：

①承台直径与厚度的设计

$F_y=\frac{\mathrm{\π}}{4}\mathrm{\σ}(D_1^2-D_2^2)$

根据计算的承台抗剪承载力与抗压承载力，令其值相等，即F_y＝F_p，可得到承台直径与厚度的最佳值。

②承台直径的设计公式

$F_w=F_1{=\mathrm{\Σ}}_{i=l}^n\mathrm{\π}{D}_1{L}_i\·{\mathrm{\τ}}_i$

为了保障锚杆有最大的拉拔力，则要求：F_y≥F_w。