CN104088277A - 一种土遗址加固锚杆及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土遗址加固锚杆及其设计方法，锚杆结构包括多个连接螺杆、多节胶木杆、多个阻力棒和胶木螺母，避免了传统的单一棒状设计理念。在胶木杆上交错90°的均匀分布阻力棒，所形成的阻力结构更有利于增强锚固力。根据锚固长度，通过连接螺杆将胶木杆连接成锚杆，以适用于各种长度遗址土体的锚固。选择胶木杆作为锚杆材料，可应用于干旱、半干旱、潮湿的土遗址加固环境。本发明根据土遗址的条件确定锚杆的结构参数，不同的土质条件决定了不同参数的锚杆，而运用本发明提出的方法，就能够根据不同土遗址的具体情况，设计出合适的锚杆。

Description

一种土遗址加固锚杆及其设计方法

技术领域

本发明涉及古代土遗址保护领域，具体的说是一种土遗址加固锚杆及其设计方法。

背景技术

我国西北地区遗存许多古代土建筑遗址，如陕西西安唐皇城墙含光门土遗址、甘肃秦安县的大地湾人类居住遗址、西夏王陵土遗址等。这些土建筑遗址历史悠久，有些已被列入世界文化遗产，具有很高的考古学和历史价值。由于年代久远，古代土遗址土体松散、强度低、孔隙率大，大部分都产生严重的开裂，最终导致坍塌破坏。土由于自身物理、力学性质和建造工艺决定了土遗址的脆弱性，因而针对土遗址的加固保护需要综合考虑较多因素。锚杆锚固技术是加固土遗址的重要方法，可以有效地提高土遗址的稳定性。

在土遗址保护领域现有常用的锚杆材料有木棒、碳纤维楠竹、碳纤维布复合材料、楠竹加筋复合材料等，现有的锚杆都采用棒状设计。如孙满利在岩土工程学报，2006，28(12)，2156—2159的文章中研究的木质锚杆，在干旱地区使用不易腐烂，经历几千年后仍然有较好的强度和支护作用。但是木质锚杆的含水量高，木锚杆的收缩必然大，会直接影响锚固质量和锚固效果。

王道勇在其硕士论文—锚杆技术在土遗址保护中的应用与研究中报道的碳纤维楠竹，是在楠竹表面粘贴碳纤维布，以提高锚杆与锚固体之间的表面摩擦系数，增强锚固力。但是与其他非木质锚杆材料相比，其强度较低，只能应用于小体量的土遗址加固，锚杆长度一般采用100cm或70cm，且仍然是在干旱地区应用。

CN202090343U中报道了一种碳纤维布复合锚杆，锚杆材质为UPUC管，体积适中，耐久性好，但强度相对较低，适用于1.5—4m长度遗址土体的锚固。CN2793196中报道了一种楠竹加筋复合锚杆，其体积大、耐久性好、强度较高，适用于大体量的土遗址加固。但是楠竹仍然是木质的，其在半干旱或潮湿地区，其耐久性仍然难以满足要求。

发明内容

为了克服现有锚杆在土遗址加固使用过程中，耐久性差、强度较低，不适用于各种长度遗址土体的锚固以及不适用于半干旱地区的土遗址环境加固等缺陷，本发明目的在于提供一种土遗址加固锚杆及其设计方法。

本发明所述土遗址加固锚杆包括多个连接螺杆、多节胶木杆、多个阻力棒和胶木螺母；其中：所述土遗址加固锚杆是由多节胶木杆根据所需长度，通过连接螺杆连接而成；在各胶木杆的圆周表面均布有2组阻力棒；所述胶木螺母套装在所述加固锚杆上，当所述加固锚杆装入土遗址内，该胶木螺母4的端面与土遗址的表面贴合。

所述位于各胶木杆的圆周表面的各组阻力棒沿胶木杆的轴向交错90°排列；所述各阻力棒的中心线与胶木杆的中心线之间的夹角为90°。

在所述各胶木杆、阻力棒、连接螺杆和胶木螺母的外表面均涂覆有厚度为2mm的植筋胶层。

所述土遗址加固锚杆的设计方法的具体过程是：

步骤1，确定锚杆材质：

步骤2，确定的锚杆直径；

根据被加固土遗址的土质条件确定锚杆的直径；根据式(1)和式(2)分别确定锚杆预应力筋的截面面积A和锚杆直径D：

$A\≥\frac{K\·N_t}{f_{\mathrm{ptk}}}---\left(1\right)$

A＝(πD²)/4   (2)

式(1)和式(2)中：A是锚杆预应力筋的横截面积；N_t为锚杆的轴向拉力设计值，单位为N；f_ptk为预应力筋材料强度标准值，单位为N/mm²；K为安全系数；D为锚杆直径；

步骤3：确定的锚杆中锚固段长度；根据式(3)确定遗址土体中圆柱形锚杆锚固段长度：

$L_a\≥\frac{K\·N_t}{\mathrm{\π}\·d_2\·q_s}---\left(3\right)$

式(3)中：L_a为锚固段长度；K为安全系数；N_t为锚杆设计的轴向拉力，单位为N；d₂为锚固体直径；q_s为土体与锚固体间粘结强度值，单位为kPa；

根据锚杆的锚固段长度L_a，确定制作该锚杆需要的胶木杆数量x，其中L_a＝1000x；

步骤4：确定阻力棒的参数；

所述阻力棒的参数包括阻力棒直径和长度；

根据式(4)和式(5)分别确定阻力棒直径D₁和长度L₁：

D₁＝(0.2～0.25)D   (4)

L₁＝(1.5～2)D   (5)

式(4)和式(5)中：D₁为阻力棒的直径；D为锚杆的直径；L₁为阻力棒的长度；

步骤5：确定阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式；

所述阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式包括阻力棒的数量、同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距L₂和楔入的角度α，所述阻力棒楔入角度α是指阻力棒中心线与胶木杆中心线之间的夹角；

在确定阻力棒的楔入的角度时，在相同的锚杆长度、锚杆直径、阻力棒长度和阻力棒直径条件下，锚固体直径、浆体组成和土体体质等外界测试环境相同条件下，设阻力棒楔入的角度α分别为45°和90°，设同组相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距L₂分别为100mm、200mm和400mm，对锚杆进行六组抗拉拔实验，通过比较测得的锚固力大小，确定楔入的角度α和同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距L₂分别为锚固力最高时的阻力棒楔入角和同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距；

在确定阻力棒的数量时，根据式(6)确定阻力棒数量y：

y＝(2L_a-4L₂)/L₂+1   (6)

式(6)中：y为阻力棒数量；L_a为锚固段长度；L₂为相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距间距；

步骤6：确定连接螺杆的参数；

根据式(7)和式(8)分别确定连接螺杆的直径D₂和长度L₃：

D₂＝2/3D   (7)

L₃＝L₂   (8)

式(7)和式(8)中：D₂为连接螺杆的直径；D为锚杆的直径；L₃为连接螺杆的长度；L₂为阻力棒的间距；

步骤7，胶木螺母的确定；根据式(9)和式(10)分别确定胶木螺母的外径D₃和厚度d：

D₃＝2D   (9)

d＝1.5D₁   (10)

式(9)和式(10)中：D₃为胶木螺母的直径；D为锚杆的直径；d为胶木螺母的厚度；D₁为阻力棒的直径；

步骤8，验证所述加固锚杆是否满足土遗址保护的要求；至此，完成了一种土遗址加固锚杆的设计。

通过对遗址土体的物理性能和力学性能测定，本发明提出了一种土遗址加固锚杆及其设计方法，使得本发明设计的一种土遗址加固锚杆具有以下优点：

1、避免了传统的单一棒状设计理念，在胶木杆上交错90°的均匀分布阻力棒，形成的这种阻力结构更有利于增强锚固力。所述交错90°是指相邻阻力棒空间上呈垂直关系；

2、根据锚固长度，通过连接螺杆将胶木杆连接成锚杆，以适用于各种长度遗址土体的锚固；所述通过连接螺杆纹连接的方式取代了传统的粘结剂结合方式，增强了锚固力；

3、选择胶木杆作为锚杆材料，具有可加工性强、抗腐蚀、抗生锈、强度大、韧性好等特点，并将胶木杆表面进行抛光打磨，可以增加锚杆与土体的摩擦力，增强锚固力。使得本发明设计的锚杆性能优异，可应用于干旱、半干旱、潮湿的土遗址加固环境；

4、整体均匀涂覆植筋胶，使各连接处受力均匀，提高了内聚、粘结和剪切强度，使得锚杆具有防腐、防锈、耐老化和抗疲劳的特点，起到增强锚固力的作用。

本发明中，锚杆的结构参数须根据土遗址的条件确定。各土遗址中的含水率、孔隙比、土体饱和度、土体粘聚力和内摩擦角的条件均不相同。不同的土质条件决定了不同参数的锚杆。而运用本发明提出的方法，就能够根据不同土遗址的具体情况，设计出合适的锚杆。

附图说明

图1是本发明中锚杆的结构示意图，其中1a是锚杆的装配图，1b是锚杆的剖视图，1c是1a中的A-A视图。

图2是胶木杆的弯曲荷载与跨中挠度曲线图。

图3是无悬空带模型网格划分图。

图4是无悬空带土体受力后变形图。

图5是无悬空带土体受力等位移矢量云图。

图6是无悬空带土体XY面应力云图。

图7是悬空带土体模型网格划分图。

图8是悬空带土体模型受重力后变形图。

图9是悬空带土体等位移矢量云图。

图10是悬空带土体XY面应力云图。

图11是悬空带土体塑性变形、开裂图。

图12是悬空带土体应力变化趋势云图。

图13是西半边土体受力位移变化趋势图。

图14是西半边土体受力等位移矢量云图。

图15是西半边受力位移等值云图。

图16是锚固后位移变化趋势模型图。

图17是锚固后塑性变形、开裂云图。

图18是锚固后等位移矢量云图。

图19是锚固后整体受力云图。

图20是隔墙最危险滑裂面计算模型图。

图21是锚杆拉力设计值计算模型图。

图22是图21中悬空带的受力分析。图中：

1.连接螺杆；2.胶木杆；3.第一组阻力棒；4.胶木螺母；5.第二组阻力棒；6.植筋胶层；7.底面；8.顶面；9.中部裂隙；10.锚固段。

具体实施方式

本实施例是一种土遗址加固锚杆，如附图1中所示，包括多个连接螺杆1、多节胶木杆2、多个阻力棒3和胶木螺母4。其中：各胶木杆2一端端面均安装有连接螺杆1，各胶木杆另一端端面中心均有与连接螺杆1配合的盲孔，使用时，根据所需锚杆长度，将各节胶木杆2通过连接螺杆首尾连接，形成了加固锚杆。在加固锚杆的圆周表面分布两组贯通该加固锚杆杆身的阻力棒安装孔，分别用于安装第一组阻力棒3和第二组阻力棒5。所述多个阻力棒分为两组，安装在该阻力棒安装孔内，并使所述各阻力棒的两端露出加固锚杆的圆周表面。各阻力棒安装孔的中心线与加固锚杆的中心线垂直相交，使安装后的各阻力棒的安装角α＝90°。所述两组阻力棒安装孔分别位于加固锚杆杆身不同的圆周上，使第一组阻力棒3的中心和第二组阻力棒5的中心分别处于加固锚杆圆周表面上不同象限内，所述各第一组阻力棒3的中心线和各第二组阻力棒5的中心线之间的夹角β为90°。所述胶木螺母4套装在所述加固锚杆上，位于该加固锚杆的尾端。当所述加固锚杆装入土遗址内，使该胶木螺母4的端面与土遗址的表面贴合，以增加对土遗址的支撑面积。

所述每组阻力棒均沿加固锚杆轴向排布，每组阻力棒中相邻的两个阻力棒之间的中心距L₂＝200。

胶木螺母4为圆形，中心为螺纹孔，使用时，套装在加固遗址土体外端的连接螺杆1上。所述各胶木杆表面均抛光打磨，并在胶木杆、阻力棒、连接螺杆和胶木螺母的外表面均涂覆有植筋胶，形成了厚度为2mm的植筋胶层6。胶木杆、阻力棒和胶木螺母三者的原材料均为河北环氧树脂厂生产的北信牌环氧树脂胶木杆。所述植筋胶购置于上海派尔科化工材料有限公司。

本实施例还提出了一种用于土遗址加固锚杆的设计方法。

本实施例中，所述锚杆用于西安市唐皇城含光门土遗址的加固，其具体步骤包括：

步骤1，确定锚杆材质：

表2所示为现有土遗址加固材料的性能。

表2楠竹、胶木杆、不锈钢性能对比

材料	型号	抗拉强度MPa	抗弯强度MPa	干缩湿胀率％	耐老化性能
						楠竹	Ф35	184.27	160.62	0.255	差
胶木杆	北信牌	1400	930	0.0004	优
						不锈钢	Q235	5.2×105	205	0.156	中等

备注：楠竹性能来自《交河故城保护加固技术研究》，胶木杆和不锈钢性能来自产品说明书。

采用WE-1000A液压万能试验机对纤维胶木杆的抗拉强度进行了测试，测试方法是按照金属材料室温拉伸试验法GB/T228-2002测试标准进行测试。测试结果如表3所示，胶木杆的平均抗拉强度为70.8N/mm²。

表3胶木杆的强度试验数据

备注：河北环氧树脂厂生产的北信牌环氧树脂胶木杆，其特征参数为：密度为2.1g/cm³,抗拉强度≥1360MPa，抗弯曲强度为930MPa，弹性模量为41Gpa，吸水率为0.013～0.04，线膨胀系数为3.0×10^-6/K。

为了表征锚杆的韧性，通过测定断裂韧性来表征材料的韧性，断裂韧性测试通过抗弯强度测试来实现。抗弯强度测试在西安建筑科技大学土木工程材料试验中心采用GW-40钢筋弯曲试验机进行了测试，测试方法参照纤维增强塑料弯曲性能试验方法GB/T1449-2005之标准进行测试。测试条件：经直径为35mm的胶木杆加工的胶木片，跨距为300mm，挠度棒的直径为22mm，试验速度为2mm/min。测试结果如附图2中弯曲荷载与跨中挠度曲线所示，依据抗弯强度公式(11)：

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{3P\·l}{2b\·h^2}---\left(11\right)$

式(11)中，σ_f为弯曲强度，单位：MPa；P为破坏荷载，单位：N；l为跨距，单位：mm；h为试验厚度，单位：mm；b为试样的宽度，单位：mm。根据公式(11)得到锚杆的抗弯强度σ_f为964MPa。

依据分级荷载弯曲模量计算公式(12)：

$E_f=\frac{l^3\·\mathrm{\ΔP}}{4b\·h^3\·\mathrm{\ΔS}}---\left(12\right)$

式(12)中，E_f为弯曲弹性模量，单位：MPa；△P为荷载～挠度曲线上初始直线段的荷载增量，单位：N；△S为与荷载增量△P对应的跨距中心处的挠度增量，单位：mm；l，b，h与上式相同。通过公式(12)得到锚杆的弯曲模量E_f为2732MPa。

综合以上实验测试结果表明，本发明选用胶木杆作为制作一种土遗址加固锚杆的原材料，该胶木杆不易生锈，有优异的耐老化性能、有一定的刚性和韧性、有较优异的抗弯强度，能够满足工程上夯土层锚固的需要。

步骤2，锚杆直径的确定；

根据被加固土遗址的土质条件确定锚杆的直径，通过式(1)和式(2)分别确定锚杆预应力筋的截面面积A和锚杆直径D：

$A\≥\frac{K\·N_t}{f_{\mathrm{ptk}}}---\left(1\right)$

A＝(πD²)/4   (2)

式(1)和式(2)中：A是锚杆预应力筋的横截面积，单位：mm²；N_t为锚杆的设计轴向拉力值，单位：N；f_ptk为预应力筋材料强度标准值，单位：N/mm²；K为安全系数；D为锚杆直径，单位：mm。

本实施例中，对西安市唐皇城含光门脱落的遗址土体进行采样分析，采用烘干法测定含光门门道遗址隔墙的含水率为3.3％，孔隙比e为0.41，土体饱和度S_r为21.7％，属于干燥土体；采用南京水利科学研究院出版的土工试验规程SL237-003-1999中土壤粘聚力和内摩擦角测定方法进行测定，得到土体粘聚力c为116.4kPa，土体内摩擦角为22.3°；采用环刀法测定土壤重度γ为19.2kN·m^-3。再通过建立基于含光门土遗址特点的土体本构模型，来确定临界滑裂面的剩余下滑力，进而计算得到锚杆的设计轴向拉力值。所述临界滑裂面的剩余下滑力也为最危险滑裂面的剩余下滑力。

所述确定锚杆直径的过程是：

第一步，边坡临界滑动面的确定

根据边坡破坏的特征，边坡破坏时滑面上节点位移和塑性应变将产生突变，滑动面位置在水平位移和塑性应变突变的地方，因此，可在ANSYS程序的后处理中通过绘制边坡水平位移或者等效塑性应变等值云图来确定滑动面。

在受重力荷载的作用下，模拟了土体的变形趋势，如图4、5、8、9、14和18所示，模拟了土体内部应力分布，如图6、10、15和19所示，以及土体应力作用下塑性变形坍塌区，如图11和16所示。

如图3～图7所示，从无悬空带的土体模型上可知：无悬空带墙体的最大位移为0.0753mm，应力分布比较均匀，最大应力主要集中在东西两半部分的节点处，这处节点是属于墙体的内部，不会产生滑裂等病害。

如图7～图15所示，从对悬空带的土体模型图分析可知：悬空带墙体的最大位移出现在左半部分墙体的左上角，最大位移为0.365mm，约为无悬空带墙体最大位移的5倍，应力分布不均衡，最大应力出现在悬空带的凹陷处，易在该处出现墙体的滑移面，从塑性变形区域图7也可以得出同样的结论。图16～图19所示，经锚固后，锚杆作用力属于墙体内力，墙体被锚杆锁住，墙体最大位移仍然出现在墙体左上角处，最大位移为0.0976mm，约为锚固前墙体最大位移的26.8％。

经计算机模拟，按照极限平衡法，建立隔墙最危险滑裂面的计算模型，如图20所示，然后按照有限元法应用ANSYS10.0软件，采用有限元强度折减法，不断降低强度折减系数，即不断降低土体的粘聚力c和内摩擦角，确定的隔墙最危险滑裂面为通过S点的一个弧线SM，该弧线与水平面的夹角θ为56°，最小稳定系数为5.3，远大于1，为稳定结构体。所述隔墙最危险滑裂面的计算模型图20中，V、R、S、M、E五个点组成的区域为土体的悬空带，E、F、M、H、J点均在中部裂隙9上，直线VR与直线OS交于Z点，弧线WE、RF、SM、ZH、OJ均为计算机模拟的滑裂面，其中确定的隔墙最危险滑裂面为弧线SM，弧线WE与直线VR交于W点，弧线RF与直线EM交于F点，弧线ZH与直线EM交于H点，弧线OJ与直线EM交于J点。

第二步，确定锚杆轴向拉力的设计值：

因为土体为有悬空带，本实施例建立了如图21所示的锚杆拉力设计值计算模型，在所述锚杆拉力设计值计算模型图21中，与隔墙最危险滑裂面的计算模型图20中各点的意义一样，确定的隔墙最危险滑裂面为通过S点的一个弧线SM，该弧线与水平面的夹角θ为56°，过F和H点分别加入倾角为φ的一根锚杆。

如悬空带的受力分析图22中所示，与隔墙最危险滑裂面的计算模型图20中各点的意义一样，过F和H两点的两根锚杆所在的延长线分别交直线VR于F’点和U点，过M点作直线BM平行于锚杆所在直线FF’，交直线VR于B点。q_s为土体与锚固体间粘结强度值，表示在受外界力作用下第一根锚杆所在直线FF’下滑到直线BM时，土体与锚固体分离的临界粘结强度。G表示悬空带的重力；T表示沿F→U直线方向，悬空带土体受到向下的下滑力；T’表示沿U→F直线方向，悬空带土体受到土体间向上的拉力。

临界滑裂面为通过S点的一个弧线SM方向。要得到锚杆轴向拉力的设计值，首先要确定沿临界滑裂面的剩余下滑力E_a。

临界滑裂面的剩余下滑力

锚杆轴向拉力的设计值为：

其中，γ为土壤重度，单位：kN·m^-3；E_a滑坡体剩余下滑力，单位：kN/m；l_a为两根锚杆之间的间距，单位：m；θ为最危险滑裂面SM弧线与水平面的夹角；η为滑动面与锚杆相交处滑动面倾角；φ为锚杆倾角；为滑动面土体的内摩擦角；n_s为锚杆的数量。

故，锚杆轴向拉力的设计值N_t＝32.4kN，预应力筋材料强度标准值f_ptk取值为70N/mm²，安全系数K取值为2，所以：

公式(1)中， $A\≥\frac{K\·N_t}{f_{\mathrm{ptk}}}=\frac{2\×32.4\×{10}^3}{70}=925.7{\mathrm{mm}}^2$

公式(2)中，A＝(πD²)/4≥925.7mm²，D≥34.3mm

故确定锚杆直径为35mm。

步骤3：锚杆中锚固段长度的确定；根据式(3)确定遗址土体中圆柱形锚杆锚固段长度：

$L_a\≥\frac{K\·N_t}{\mathrm{\π}\·d_2\·q_s}---\left(3\right)$

式(3)中：L_a为锚固段长度，单位：mm；K为安全系数；N_t为锚杆的设计轴向拉力，单位：N；d₂为锚固体直径，单位：mm；q_s为土体与锚固体间粘结强度值，单位：kPa。

根据含光门土质为干燥的硬性粉土，锚固体与中风化层土体的粘结强度标准值为130kPa，所以q_s取值为130kPa，安全系数K＝2，N_t＝32.4kN，d₂＝110mm，故

公式(3)中， $L_a\≥\frac{K\·N_t}{\mathrm{\π}\·d_2\·q_s}=\frac{2\×32.4}{3.14\×0.11\×130}=1440\mathrm{mm}$

确定锚杆的锚固段长度L_a＝1500mm，制作该锚杆需要1根1000mm和1根500mm的胶木杆通过连接螺杆连接而成。

步骤4：确定阻力棒的参数；

所述阻力棒的参数包括阻力棒直径和长度。

根据式(4)和式(5)分别确定阻力棒直径D₁和长度L₁：

D₁＝(0.2～0.25)D   (4)

L₁＝(1.5～2)D   (5)

本实施例中，公式(4)和公式(5)中系数均取中间值0.23和1.7，D＝35mm，因此确定阻力棒直径D₁＝0.23×35＝8mm，长度L₁＝1.7×35＝60mm。

步骤5：确定阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式；

所述阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式包括阻力棒的数量、相邻两个阻力棒中心线之间的间距和楔入的角度。所述阻力棒楔入角度α是指阻力棒中心线与胶木杆中心线之间的夹角。

本实施例中，在相同的锚杆长度、锚杆直径、阻力棒长度和阻力棒直径条件下，锚固体直径、浆体组成和土体体质等外界测试环境相同条件下，设阻力棒楔入的角度α分别为45°和90°，设同组相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距L₂分别为100mm、200mm和400mm，对锚杆进行六组抗拉拔实验，测试结果见表1：

表1正交实验结果表

由表1结果可知，确定的阻力棒楔入角度α为90°，同组相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距L₂为200mm。

根据式(6)确定阻力棒数量y：

y＝(2L_a-4L₂)/L₂+1   (6)

式(6)中：y为阻力棒数量，单位为根；L_a为锚固段长度，单位：mm；L₂为阻力棒的间距，单位：mm。

本实施例中，y＝(2L_a-4L₂)/L₂+1＝12，确定阻力棒数量为12根。

步骤6：确定连接螺杆的参数；

所述确定连接杆的参数包括连接螺杆的直径D₂和长度L₃。

通过式(7)和式(8)分别确定连接螺杆的直径D₂和长度L₃：

D₂＝2/3D＝70/3＝23mm   (7)

L₃＝L₂＝200mm   (8)

确定连接螺杆的直径＝23mm，长度L₃＝200mm，所述胶木杆一端端面的螺纹盲孔的深度＝100mm。

步骤7：胶木螺母的确定；根据式(9)和式(10)分别确定胶木螺母的外径D₃和厚度d：

D₃＝2D＝2×35＝70mm   (9)

d＝1.5D₁＝1.5×8＝12mm   (10)

所述胶木螺母中心采用丝锥过丝直径为D₂的孔，其中D₂＝23mm。

步骤8，验证所述加固锚杆是否满足土遗址保护的要求。锚杆质量通过拉拔试验检测，采用ZY-30锚杆拉力试验机。锚固拉拔测试结果见表4。

表4锚杆拉拔试验数据

备注：锚固体由锚杆和浆体组成，形状为圆柱体。

经过测试，所述的锚杆平均破坏荷载为66kN，大于锚固轴向拉力的设计值N_t，满足含光门土遗址保护的要求。至此，完成了针对西安市唐皇城含光门土遗址加固的锚杆的设计。

Claims (4)

1.一种土遗址加固锚杆，其特征在于，包括多个连接螺杆、多节胶木杆、多个阻力棒和胶木螺母；其中：所述土遗址加固锚杆是由多节胶木杆根据所需长度，通过连接螺杆连接而成；在各胶木杆的圆周表面均布有2组阻力棒；所述胶木螺母套装在所述加固锚杆上，当所述加固锚杆装入土遗址内，该胶木螺母4的端面与土遗址的表面贴合。

2.如权利要求1所述土遗址加固锚杆，其特征在于，所述位于各胶木杆的圆周表面的各组阻力棒沿胶木杆的轴向交错90°排列；所述各阻力棒的中心线与胶木杆的中心线之间的夹角为90°。

3.如权利要求1所述土遗址加固锚杆，其特征在于，所述各胶木杆、阻力棒、连接螺杆和胶木螺母的外表面均有厚度为2mm的植筋胶层。

4.一种如权利要求1所述土遗址加固锚杆的设计方法，其特征在于：具体过程是：

步骤1，确定锚杆材质：

步骤2，确定的锚杆直径；

根据被加固土遗址的土质条件确定锚杆的直径；根据式(1)和式(2)分别确定锚杆预应力筋的截面面积和锚杆直径D：

$A\≥\frac{K\·N_t}{f_{\mathrm{ptk}}}---\left(1\right)$

A＝(πD²)/4               (2)

式(1)和式(2)中：A锚杆预应力筋的横截面积；N_t为锚杆的设计轴向拉力值，单位为N；f_ptk为预应力筋材料强度标准值，单位为N/mm²；K为安全系数；D为锚杆直径；

步骤3：确定的锚杆中锚固段长度；根据式(3)确定遗址土体中圆柱形锚杆锚固段长度：

$L_a\≥\frac{K\·N_t}{\mathrm{\π}\·d_2\·q_s}---\left(3\right)$

式(3)中：L_a为锚固段长度；K为安全系数；N_t为锚杆的设计轴向拉力，单位为N；d₂为锚固体直径；q_s为土体与锚固体间粘结强度值，单位为kPa；

根据锚杆的锚固段长度L_a，确定制作该锚杆需要的胶木杆数量x，其中L_a＝1000x；

步骤4：确定阻力棒的参数；

所述阻力棒的参数包括阻力棒直径和长度；

根据式(4)和式(5)分别确定阻力棒直径D₁和长度L₁：

D₁＝(0.2～0.25)D   (4)

L₁＝(1.5～2)D   (5)

式(4)和式(5)中：D₁为阻力棒的直径；D为锚杆的直径；L₁为阻力棒的长度；步骤5：确定阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式；

所述阻力棒在胶木杆圆周上的分布形式包括阻力棒的数量、同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距L₂和楔入的角度α，所述阻力棒楔入角度α是指阻力棒中心线与胶木杆中心线之间的夹角；

在确定阻力棒的楔入角度时，在相同的锚杆长度、锚杆直径、阻力棒长度和阻力棒直径条件下，锚固体直径、浆体组成和土体体质等外界测试环境相同条件下，设阻力棒楔入的角度α分别为45°和90°，设同组相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距L₂分别为100mm、200mm和400mm，对锚杆进行六组抗拉拔实验，通过比较测得的锚固力大小，确定楔入的角度α和同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距L₂分别为锚固力最高时的阻力棒楔入角和同列阻力棒中相邻的两个阻力棒的中心距；在确定阻力棒的数量时，根据式(6)确定阻力棒数量y：

y＝(2L_a-4L₂)/L₂+1   (6)

式(6)中：y为阻力棒数量；L_a为锚固段长度；L₂为同组相邻两个阻力棒长轴中心线之间的间距间距；

步骤6：确定连接螺杆的参数；

根据式(7)和式(8)分别确定连接螺杆的直径D₂和长度L₃：

D₂＝2/3D   (7)

L₃＝L₂   (8)

式(7)和式(8)中：D₂为连接螺杆的直径；D为锚杆的直径；L₃为连接螺杆的长度；L₂为阻力棒的间距；

步骤7，胶木螺母的确定；根据式(9)和式(10)分别确定胶木螺母的外径D₃和厚度d：

D₃＝2D   (9)

d＝1.5D₁  (10)

式(9)和式(10)中：D₃为胶木螺母的直径；D为锚杆的直径；d为胶木螺母的厚度；D₁为阻力棒的直径；

步骤8，验证所述加固锚杆是否满足土遗址保护的要求；至此，完成了一种土遗址加固锚杆的设计。