CN109322622B - 一种岩土体的冰胀扩孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩土体的冰胀扩孔方法，在需要扩孔的土体中钻孔，在钻孔中放入柱状囊体，在柱状囊体内部注入一定量的冷冻介质；通过速冻机对冷冻介质进行速冻，使得柱状囊体底部的冷冻介质在凝结之后膨胀，在其体积膨胀之后将钻孔底部进行胀开并实现其扩孔；扩孔结束之后，冷冻介质融化，再将熔化之后的废液排出钻孔。此工艺操作简便、施工快捷且大幅提高了扩孔的效率，有效解决了传统的扩孔设备繁多操作复杂、占地面积大、工期长和花费大量人力物力的缺点，大大减少经济损失。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程中锚杆支护技术领域，具体地涉及一种岩土体的冰胀扩孔方法。
背景技术
近年来，国内外岩士工程领域针对传统锚杆改进展开了大量的研究。包括：土工织物锚，该织物锚能在拉力作用下将锚板上方的土体向外挤压，形成土工织物包裹体，从而调动较大范围内的土体参与工作，达到增大基础抗拔力的目的；自扩锚模型，实现锚头在土体中自张为扩大头，且拉拔试验表明其抗拔力较传统锚杆有很大提高。类似的研究成果还有圆锥型锚杆、螺旋叶片锚杆、涨壳式锚杆等。因此，通过扩大锚杆端部以增加受力面积是目前新型锚杆的一个研究热点，也是提高锚杆承载力的一种重要措施。
扩孔型锚杆支护技术已经成功应用于桥梁隧道、基坑基础工程、大坝加固与边坡问题中，并取得了较好的支护效果。其扩孔是在钻孔成孔后，根据设计要求进行定位、定量扩孔，形成一个有局部扩大体的锚杆孔。注浆后，扩大体增加了锚固体与土体的接触面积，锚杆端承作用与摩擦作用的结合使得锚杆锚固力得到了较大提高。
目前，国内外关于岩土工程中的扩孔方法主要包括机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔及压浆扩孔。机械扩孔有活塞往返移动，需要液压装置。适用于密实土和粘性土层，在较差土质层中容易导致踏孔；爆炸扩孔，震动较大，破坏了土体原来的本构关系，现场管理困难，具有不确定安全因素，由于爆炸产生的能量很大，因此仅适用于埋深很大的底部扩大型锚杆；水力扩孔，需要高压射水设备，返浆过程容易造成材料浪费及环境污染。因此开发锚杆端部扩孔技术已经成为岩土支护工程中扩孔型锚杆支护技术发展的关键问题。
发明内容
为解决上述工程问题，本发明提供一种岩土体的冰胀扩孔方法及施工方法，此工艺操作简便、施工快捷且大幅提高了扩孔的效率，有效解决了传统的扩孔设备繁多操作复杂、占地面积大、工期长和花费大量人力物力的缺点，大大减少经济损失。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种岩土体的冰胀扩孔方法，在需要扩孔的土体中钻孔，在钻孔中放入柱状囊体，在柱状囊体内部注入一定量的冷冻介质；通过速冻机对冷冻介质进行速冻，使得柱状囊体底部的冷冻介质在凝结之后膨胀，在其体积膨胀之后将钻孔底部进行胀开并实现其扩孔；扩孔结束之后，冷冻介质融化，再将熔化之后的废液排出钻孔。
所述土体为不透水层时，直接在钻孔内部注入一定量的水作为冷冻介质，无需放置柱状囊体，并采用液氮速冻机直接对水进行冰冻。
所述土体为透水层时，采用高弹防水材料制作柱状囊体，并在柱状囊体内注入水封口后，投入到孔底在进行速冻。
采用速冻机对冷冻介质进行速冻，速冻时采取由上至下的顺序，先冻结上层使其封口产生竖直向约束，防止冷冻介质凝固成冰时膨胀仅沿孔轴向发生。
在速冻过程中，在冷冻介质的液面通过轴向施压系统提供一个稳定的轴向压力，其压力大小控制在5-10Mpa。
在一次扩孔结束之后，如扩孔无法得到预定尺寸大小，通过多次循环冻融，直到扩孔尺寸达到设计要求。
所述轴向施压系统包括多层反力垫板，反力垫板之间通过多根反力支架杆相连，所述反力垫板之间设置有液压千斤顶，所述液压千斤顶的活塞杆末端安装有连杆，所述连杆的底部末端安装有用于对冷冻介质进行封堵的圆形压板。
在扩孔结束之后，并排出废液之后，向钻孔内部插入锚杆，并通过向钻孔及扩孔内部填充水泥浆。
所述水泥浆采用普通水泥砂浆或者掺有膨胀剂的水泥砂浆。
所述柱状囊体采用高弹软硅胶或乳胶膜材料制成。
本发明有如下有益效果：
1、本发明首次提出了冰和膨胀剂扩孔的技术，相较于传统扩孔技术，本发明有效避免了机械扩孔、爆炸扩孔和水力扩孔时需要大量外加设备的情况，提高了土体扩孔的效率。
2、本发明首次提出了一种借助水在低温情况下凝结成冰体积膨胀来扩孔的方法，较机械扩孔、爆炸扩孔和水力扩孔技术而言材料易得，且在施工时操作简单，极大减少了人力物力的消耗，减少了相关经济损失。
3、本发明首次提出了一种借助膨胀剂遇水膨胀来扩孔的方法，较机械扩孔、爆炸扩孔和水力扩孔技术而言无需外加设备，且在扩孔结束后，膨胀剂与无粘性散粒体的混合物可捣散回收，当作下一次扩孔的散粒材料。
4、本发明的采用冰作为土体扩孔的材料，当扩孔结束后可将其融化，借助排水泵将废液排出孔内，保证了扩孔的质量。
5、本发明的对钻孔土层性质要求较低，不透水层可直接在孔内注入测算所得一定量体积的水进行冰冻扩孔；透水层则采用高弹防水纤维制作一直径与钻孔直径相同球状囊体。在囊体内注入水封口后，投入到孔底再进行冰冻扩孔。
6、本发明的冰作为土体扩孔的材料，待扩孔的大小可以采取多次冻融循环以达到目的，增强了本发明的实用性。
7、本发明在采用冰冻法扩孔时可在冰面施加一个轴向压力，迫使水变成冰时对孔壁的膨胀力更大，可达到更好的扩孔效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所涉及的不透水岩土层中冰冻法扩孔剖面整体示意图；
图2为本发明所涉及的透水岩土层中冰冻法扩孔剖面整体示意图；
图3为本发明所涉及的端部扩大头锚杆破坏示意图。
图4为本发明所涉及的轴向施压架装置图。
图中：柱状囊体1、冷冻介质2、速冻机3、水泥浆4、锚杆5、轴向施压系统6、液压千斤顶7、反力支架杆8、反力垫板9、连杆10、圆形压板11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
请参阅图1-4，一种岩土体的冰胀扩孔方法，在需要扩孔的土体中钻孔，在钻孔中放入柱状囊体1，在柱状囊体1内部注入一定量的冷冻介质2；通过速冻机3对冷冻介质2进行速冻，使得柱状囊体1底部的冷冻介质2在凝结之后膨胀，在其体积膨胀之后将钻孔底部进行胀开并实现其扩孔；扩孔结束之后，冷冻介质2融化，再将熔化之后的废液排出钻孔。通过采用上述的冰胀扩孔方法
进一步的，所述土体为不透水层时，直接在钻孔内部注入一定量的水作为冷冻介质2，无需放置柱状囊体1，并采用液氮速冻机直接对水进行冰冻。
进一步的，所述土体为透水层时，采用高弹防水材料制作柱状囊体1，并在柱状囊体1内注入水封口后，投入到孔底在进行速冻。
进一步的，采用速冻机3对冷冻介质2进行速冻，速冻时采取由上至下的顺序，先冻结上层使其封口产生竖直向约束，防止冷冻介质2凝固成冰时膨胀仅沿孔轴向发生。
进一步的，在速冻过程中，在冷冻介质2的液面通过轴向施压系统6提供一个稳定的轴向压力，其压力大小控制在5-10Mpa。采用上述结构迫使水变成冰时对孔壁的膨胀力更大，可达到更好的扩孔效果。
进一步的，在一次扩孔结束之后，如扩孔无法得到预定尺寸大小，通过多次循环冻融，直到扩孔尺寸达到设计要求。
进一步的，所述轴向施压系统6包括多层反力垫板9，反力垫板9之间通过多根反力支架杆8相连，所述反力垫板9之间设置有液压千斤顶7，所述液压千斤顶7的活塞杆末端安装有连杆10，所述连杆10的底部末端安装有用于对冷冻介质2进行封堵的圆形压板11。在作业过程中，通过液压千斤顶7驱动连杆10，通过连杆10驱动圆形压板11，进而通过圆形压板11对钻孔进行封堵，进而对其内部的液体介质产生一定的压力。
进一步的，在扩孔结束之后，并排出废液之后，向钻孔内部插入锚杆5，并通过向钻孔及扩孔内部填充水泥浆4。通过填充水泥浆4能够增强锚杆5的抗拉拔能力。
进一步的，所述水泥浆4采用普通水泥砂浆或者掺有膨胀剂的水泥砂浆。通过采用上述的水泥砂浆，能够对锚杆5进行有效的锚固。
进一步的，所述柱状囊体1采用高弹软硅胶或乳胶膜材料制成。通过采用上述结构的柱状囊体1保证了其用于透水层时，能够有效的避免水的渗漏。
实施例2：
一种土体扩孔方法，当采用水凝结成冰膨胀扩孔时其特征在于包括以下步骤：
Step1：钻孔完成后，将孔周杂物清理干净，以防止杂物掉进孔内，影响扩孔效果。
Step2：根据待扩孔大小测算出所需要的水的用量，若土层为透水层则根据所需水量用高弹纤维材料缝制一枚直径与孔径等大的囊体，将水装入囊体后密封；若为不透水成则直接在孔内注入所需的水量。
Step3：将液氮速冻设备伸入孔内，由上及下进行冻结。
Step4：一次冻结完成后，撤离冻结设备，待冰融化后再加入测算所得的水量，进行再次速冻，以达到扩孔设计值。
Step5：当扩孔达到设计之后，将融化了的废水从钻孔内吸出。
Step6：扩孔清理完毕后，植入锚杆，浇注水泥浆，完成锚杆施工。
本发明的优点：
本发明首次提出了一种以水凝结成冰体积膨胀来对岩土体扩孔的方法，相较于传统扩孔技术，本发明有效避免了机械扩孔有活塞往返移动，需要液压装置，在较差土质层中容易导致踏孔；爆炸扩孔，震动较大，现场管理困难，具有不确定安全因素；水力扩孔，需要高压射水设备，返浆过程容易造成材料浪费及环境污染等问题，提高了土体扩孔的效率。使用水作为扩孔材料进行扩孔的施工手段，较机械扩孔法、爆炸扩孔法和水力扩孔法等扩孔技术而言利用水凝结成冰体积膨胀的特性，无需施加外力设备，节约了成本。且在施工时操作简单，极大程度上减少了人力物力的消耗。利用所提出的水扩孔完成后均可回收，可使得扩孔材料可以反复多次利用。且结构简单，材料易得，易操作、施工快捷，扩孔质量好，大幅节约所需资金、提高了土体扩孔效率。广泛适用于桥梁隧道、基坑基础工程、大坝加固与边坡问题等需要对锚杆抗拔要求较高的工程中，具有广泛的工程意义及经济效益。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征其在于：在需要扩孔的土体中钻孔，在钻孔中放入柱状囊体（1），在柱状囊体（1）内部注入一定量的冷冻介质（2）；通过速冻机（3）对冷冻介质（2）进行速冻，使得柱状囊体（1）底部的冷冻介质（2）在凝结之后膨胀，在其体积膨胀之后将钻孔底部进行胀开并实现其扩孔；扩孔结束之后，冷冻介质（2）融化，再将融 化之后的废液排出钻孔；
在速冻过程中，在冷冻介质（2）的液面通过轴向施压系统（6）提供一个稳定的轴向压力，其压力大小控制在5-10Mpa；
所述轴向施压系统（6）包括多层反力垫板（9），反力垫板（9）之间通过多根反力支架杆（8）相连，所述反力垫板（9）之间设置有液压千斤顶（7），所述液压千斤顶（7）的活塞杆末端安装有连杆（10），所述连杆（10）的底部末端安装有用于对冷冻介质（2）进行封堵的圆形压板（11）。
2.根据权利要求1所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：所述土体为不透水层时，直接在钻孔内部注入一定量的水作为冷冻介质（2），无需放置柱状囊体（1），并采用液氮速冻机直接对水进行冰冻。
3.根据权利要求1所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：所述土体为透水层时，采用高弹防水材料制作柱状囊体（1），并在柱状囊体（1）内注入水封口后，投入到孔底再进行速冻。
4.根据权利要求1所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：采用速冻机（3）对冷冻介质（2）进行速冻，速冻时采取由上至下的顺序，先冻结上层使其封口产生竖直向约束，防止冷冻介质（2）凝固成冰时膨胀仅沿孔轴向发生。
5.根据权利要求1所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：在一次扩孔结束之后，如扩孔无法得到预定尺寸大小，通过多次循环冻融，直到扩孔尺寸达到设计要求。
6.根据权利要求1所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：在扩孔结束之后，并排出废液之后，向钻孔内部插入锚杆（5），并向钻孔及扩孔内部填充水泥浆（4）。
7.根据权利要求6所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：所述水泥浆（4）采用普通水泥砂浆或者掺有膨胀剂的水泥砂浆。
8.根据权利要求1或3所述的一种岩土体的冰胀扩孔方法，其特征在于：所述柱状囊体（1）采用高弹软硅胶或乳胶膜材料制成。
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