CN109797751B - 一种可适应大变形的锚杆结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可适应大变形的锚杆结构及其制造方法，锚杆结构包括锚杆杆体，所述锚杆结构还包括锚杆杆体的钢套管；钢套管内壁与锚杆杆体摩擦配合，所述钢套管为开口管并由螺纹紧固件锁定，通过调节钢套管的开口大小而能调节钢套管和锚杆杆体之间的摩擦力，所述钢套管具有若干段。本发明能够避免因围岩或边坡变形过大造成锚杆杆体与握裹砂浆或握裹砂浆和岩土体之间的摩擦力减弱甚至消失，避免锚杆支护作用减弱甚至失效。

Description

一种可适应大变形的锚杆结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种可适应大变形的锚杆。适用于地下洞室或边坡、基坑等支护工程，用以代替传统锚杆。

背景技术

在地下洞室或边坡、基坑支护工程中，锚杆支护作为保证地下洞室或者边坡、基坑稳定的重要手段，在岩土工程中得到广泛的应用。锚杆的主要作用是通过锚杆体与周边岩土体间的摩擦力，形成一个锚杆-岩土体的复合结构来加固地下洞室或边坡、基坑等，使工程达到自身稳定。

传统的锚杆杆体与周围的握裹砂浆已经牢固粘结，通过握裹砂浆与周围的岩土体进行相互作用，当施工开挖导致地应力调整等原因，洞室或边坡往临空面发生过大变形时，锚杆杆体与加固岩土体之间不协调的变形量将使锚杆杆体与岩土体间发生滑移；由于砂浆的抗拉强度较低，过大的滑移量将导致不协调变形量较大部位的砂浆发生破坏（通常为锚固孔口段一定范围，以及穿结构面的一定范围），使锚杆与握裹砂浆间或握裹砂浆和岩土体间的摩擦力减弱甚至消失，从而减弱对岩土体的加固作用，对地下洞室或边坡、基坑的稳定安全产生不利影响。

目前适应大变形的锚杆结构都是在锚杆外锚头上进行改进，在锚杆杆体上仍与传统锚杆一致，仍存在岩土体发生大变形导致锚杆与握裹砂浆间或握裹砂浆和岩土体间的摩擦力减弱甚至消失的现象。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、制造方便的可适应大变形的锚杆结构，避免因围岩或边坡变形过大造成锚杆杆体与握裹砂浆或握裹砂浆和岩土体之间的摩擦力减弱甚至消失，造成锚杆支护作用减弱甚至失效。为此，本发明采用以下技术方案：

一种可适应大变形的锚杆结构，包括锚杆杆体，其特征在于所述锚杆结构还包括锚杆杆体的钢套管；钢套管内壁与锚杆杆体摩擦配合，所述钢套管为开口管并由螺纹紧固件锁定，通过调节钢套管的开口大小而能调节钢套管和锚杆杆体之间的摩擦力，所述钢套管具有若干段。

在采用上述技术方案的基础上，本实用新型还可同时采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

,在锚固孔和钢套管之间填充砂浆凝固体，所述锚杆和钢套管之间的抗剪强度小于钢套管和砂浆凝固体之间的抗剪强度，也小于砂浆凝固体和锚固孔壁的围岩之间的抗剪强度。

钢套管的开口部位设置舌部，所述舌部上设置与螺纹紧固件连接的孔，所述钢套管的至少部分舌部的端部到钢套管的中心距离与锚固孔的半径一致。

所述钢套管内壁具有一定的粗糙度，所述锚杆杆体表面也具有一定的粗糙度。

所述钢套管外壁设有月牙肋结构。

所述锚杆杆体为预张拉锚杆，所述锚杆杆体包括锚固段和张拉自由段，所述钢套管套在张拉自由段外。

所述锚杆结构还包括找平混凝土、拱形的钢垫板以及螺母；所述锚杆杆体（1）的一端依次穿过找平混凝土上的锁定孔和拱形的钢垫板的中心预留孔后通过螺母锁定在钢垫板上。

所述钢套管沿锚杆杆体张拉自由段全长布置。

所述锚杆杆体锚固段长度根据所选用的材料由试验确定，所述锚固段范围内需填充高强锚固剂。

所述锚杆杆体张拉自由段全长外套所述钢套管，通过对所述钢套管预紧使得所述钢套管与所述锚杆杆体之间可承受一定的摩擦力，当预紧力一定时，该摩擦力不随所述钢套管与所述锚杆杆体间的滑移而改变，通过改变对所述钢套管的预紧力调节所述钢套管与所述锚杆杆体之间可承受的摩擦力，该摩擦力小于握裹砂浆与所述钢套管之间的所能承受的剪切力，也小于砂浆凝固体和锚固孔壁的围岩之间的剪切力，最合适的预紧力通过抗拔试验确定。

锚杆杆体上设置钢套管的长度范围，也可以根据岩土体发生大变形的深度来进行灵活确定，即可仅在大变形深度范围内设置钢套管和粗糙的锚杆杆体。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种可适应大变形的锚杆结构的施工方法。为此，本发明采用以下技术方案：

一种可适应大变形的预应力锚杆施工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）确定钢套管的预紧力；

根据岩土体质量类别，拟采取的灌浆砂浆材料，及注浆、插杆施工工艺，按经验预估砂浆凝固体与常规锚杆间的抗剪强度以此作为钢套管和砂浆凝固体间的抗剪强度，或直接由试验确定；进行不同预紧力下的拉拔试验，确定在不同预紧力下，锚杆杆体与钢套管间的摩擦力大小，并换算成抗剪强度，确定合适的预紧力大小，使锚杆杆体与钢套管间的抗剪强度小于砂浆凝固体与钢套管间的抗剪强度、以及砂浆凝固体与锚固孔壁的围岩间的抗剪强度；

（2）根据数值分析成果或经验判断，估计岩土体发生大变形的可能深度范围，确定锚杆杆体进行粗磨砂处理的范围和设置钢套管的范围；或直接选择张拉自由段全长进行磨粗砂处理和设置钢套管；

（3）在工厂车间或施工现场预先完成锚杆杆体粗磨砂处理和钢套管的组合安装，包括调紧螺纹紧固件至设计要求以保证符合抗剪强度要求；

（4）若锚杆杆体不施加预应力，则将锚杆和钢套管的组合体进行插杆、注浆施工；若施加预应力，则将锚杆和钢套管的组合体插杆，其中，钢套管仅套在张拉自由段的锚杆杆体外，然后对锚固段的锚杆杆体对应的锚固孔部分注高强锚固剂待强，再紧固与锚杆杆体螺纹连接的螺帽，张拉锚杆杆体至设计锁定荷载并达到稳定后，在张拉自由段范围内进行砂浆的注浆施工，握裹砂浆与围岩和所述钢套管粘结牢固。

本发明结构简单、制作方便、受力均匀、安全可靠，当岩土体发生大变形，当所述钢套管与所述锚杆杆体之间的摩擦力超过其可承受的最大摩擦力时，所述钢套管与所述锚杆杆体之间发生滑移，直到锚杆和岩土体间相对稳定，滑移停止，锚杆荷载稳定。滑移过程中及结束后，所述钢套管与所述锚杆杆体之间的摩擦力仍能保持恒定、不会有太大变化，因而所述钢套管与所述锚杆杆体之间的摩擦力不会因滑移过大而减弱，同时，所述钢套管与握裹砂浆和岩土体同步移位，所述钢套管与握裹砂浆间保持良好胶结，从而避免了锚杆支护作用减弱或失效。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的张拉自由段的另一个部位的剖视图。

具体实施方式

参照附图1、2、3。本实施例以预应力锚杆为例。所述提供可适应大变形的锚杆结构，包括锚杆杆体1、找平混凝土2、钢垫板4、螺母5以及锚杆杆体1的钢套管6，所述钢套管6单根长100mm(不限于100mm)，所述钢套管6为开口管，沿其长度方向具有自头至尾的一条开口并由螺纹紧固件锁定，钢套管6内壁具有一定的粗糙度，比如经过磨粗砂处理，且其和锚杆杆体1之间的摩擦力既可调又不易摩失，外壁设有月牙肋61，钢套管6的开口部位伸出一舌部62，所述舌部62可采用钢板的形式，所述舌部62设置有孔，通过螺纹紧固件中的螺杆10穿过孔并用螺帽11旋进，通过调节螺母的旋进量，可以调节钢套管6的开口大小，调节所述钢套管对锚杆杆体1的预紧力，调节两者之间的摩擦力。

所述锚杆杆体1张拉自由段部分也优选具有一定的粗糙度，比如经过磨粗砂处理，通过对钢管套6预紧使得钢套管6与锚杆杆体1之间可承受一定的摩擦力，钢管套6具有多段，沿锚杆杆体1张拉自由段全长布置，锚杆杆体1张拉自由段孔口部位预留张拉锁定荷载所需位移量(若为普通砂浆锚杆，可不预留)。

所述带钢套管6的预应力锚杆杆体1一端插入锚固孔中，所述预应力锚杆杆体1锚固段范围内填充高强锚固剂7，预应力锚杆杆体1另一端依次穿过找平混凝土2上的锁定孔3和钢垫板4的中心预留孔9后通过螺母5锁定在钢垫板4上，待高强锚固剂7达到设计强度后，通过对螺母5进行旋紧从而对锚杆施加预应力。待所述预应力锚杆杆体1张拉到设计锁定荷载并达到稳定后在张拉自由段范围内填充水泥砂浆8。所述钢套管的舌部具有多个，可以至少部分舌部比较长，隔一定距离设置较长的舌部，其端部到钢套管的中心距离与锚固孔的半径一致，接近或接触锚杆钻孔孔壁，这样，所述舌部还具有对钢套管6和锚杆杆体1中心定位的作用。

所述钢垫板4呈拱形结构，在岩土体发生大变形锚杆荷载增大时，钢垫板在锚杆荷载下可发生形变，使锚杆外锚头适应变形。所述钢垫板4中心位置开有供锚杆杆体1穿过的所述孔9。

本锚杆结构的施工工艺包括以下步骤：

（1）确定钢套管6的预紧力。根据岩土体质量类别，拟采取的灌浆砂浆材料，及注浆、插杆施工工艺，按经验预估砂浆凝固体与常规锚杆间的抗剪强度以此作为钢套管和砂浆凝固体间的抗剪强度，或直接由试验确定；进行不同预紧力下的拉拔试验，确定在不同预紧力下，锚杆杆体与钢套管间的摩擦力大小，并换算成抗剪强度。确定合适的预紧力大小，使锚杆杆体与钢套管间的抗剪强度小于砂浆凝固体8与钢套管间的抗剪强度、以及砂浆凝固体8与锚固孔壁100的围岩间的抗剪强度。

（2）根据数值分析成果或经验判断，估计岩土体发生大变形的可能深度范围，确定锚杆杆体进行粗磨砂处理的范围和设置钢套管的范围；或直接选择张拉自由段全长进行磨粗砂处理和设置钢套管。

（3）在工厂车间或施工现场预先完成锚杆杆体粗磨砂处理和钢套管的组合安装，包括调紧螺纹紧固件至设计要求以保证符合抗剪强度要求，以及钢套管上的舌部朝向的合适布置，以及长短舌部（即图2中的其定位作用的舌部和图3中的不起定位作用的短舌部）的合适间隔。

（4）按传统施工方式完成钻锚固孔100、孔口找平混凝土等工序的施工，若锚杆不施加预应力，则按传统砂浆锚杆施工方式将锚杆和钢套管的组合体进行插杆、注浆施工；若施加预应力，则按传统预应力锚杆施工方式将锚杆和钢套管的组合体插杆，其中，钢套管仅套在张拉自由段的锚杆杆体外，然后对锚固段的锚杆杆体对应的锚固孔部分注高强锚固剂7待强，再紧固螺帽11，张拉锚杆杆体至设计锁定荷载并达到稳定后，在张拉自由段范围内进行砂浆8的注浆施工，握裹砂浆与围岩和所述钢套管粘结牢固。

附图标号101为砂浆8的灌浆管，附图标号102为砂浆8的回浆管。

本发明的工作原理如下：

1、不考虑围岩屈服破坏的情况下，锚杆与围岩间的滑移剪切破坏，主要由锚杆杆体1与钢套管6间的抗剪强度、钢套管6和砂浆凝固体8间的抗剪强度、以及砂浆凝固体8与锚固孔壁100的围岩间的抗剪强度决定。锚杆杆体1与钢套管6间的抗剪强度在三种之中最低，因此在围岩出现大变形时，锚杆杆体1与钢套管6间的剪切力会最先达到抗剪强度。

2、当锚杆杆体1与钢套管6间的摩擦力小于其抗剪强度时，锚杆杆体1、钢套管6和岩土体的相对位置将保持不变。

3、岩土体发生较大变形，锚杆杆体1和岩土体间发生较大的相对变形，当锚杆杆体1与钢套管6间的摩擦力超过其抗剪强度时，锚杆杆体1和钢套管6间将产生滑移，直到锚杆1和岩土体间相对稳定，滑移停止，锚杆荷载稳定。滑移过程中及结束后，锚杆杆体1与钢套管6之间的摩擦力仍能保持恒定，因而锚杆杆体1与钢套管6之间的摩擦力不会因滑移过大而减弱或不会有大的变化，同时由于岩土体变形，锚杆荷载增加，钢垫板4发生形变，此时锚杆荷载也会因为伸长率的变化而进行调整，直到锚杆杆体1和钢套管6间相对稳定，锚杆荷载稳定。

4、由于设置的锚杆杆体1与钢套管6间的抗剪强度小于砂浆凝固体8与钢套管6间的抗剪强度、以及砂浆凝固体8与锚固孔壁100的围岩间的抗剪强度，因此在调整过程中，钢套管6与砂浆凝固体8间、砂浆凝固体8与锚固孔壁100的围岩间均保持相对位置不变，仅锚杆杆体1和钢套管6间产生一定相对滑移，由于锚杆杆体1与钢套管6之间的摩擦力不易摩失，滑移过程中和滑移后仍保持其设计的摩擦力。并且在张拉自由段，钢套管6分为多段，锚杆杆体1只在应变较大的深度和对应的那段钢套管6发生相对滑移，而其它段的钢套管仍然和锚杆杆体1之间保持设计的静摩擦力，进一步保持了摩擦力的整体稳定。

如果需要，还可以通过调节螺帽5随时调节锚杆杆体1的应力，由于锚杆杆体1与钢套管6之间的摩擦力不易摩失，因此，本发明的结构能够在工程完毕后依然可以根据需要而反复调节锚杆杆体1的应力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种可适应大变形的锚杆结构，包括锚杆杆体（1），其特征在于，所述锚杆结构还包括锚杆杆体（1）的钢套管（6）；钢套管（6）内壁与锚杆杆体（1）摩擦配合，所述钢套管为开口管并由螺纹紧固件锁定，通过调节钢套管的开口大小而能调节钢套管和锚杆杆体之间的摩擦力；所述钢套管（6）具有若干段；

在锚固孔和钢套管之间填充砂浆凝固体，所述锚杆和钢套管之间的抗剪强度小于钢套管和砂浆凝固体之间的抗剪强度，也小于砂浆凝固体和锚固孔壁的围岩之间的抗剪强度。

2.如权利要求1所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，钢套管的开口部位设置舌部，所述舌部上设置与螺纹紧固件连接的孔，所述钢套管的至少部分舌部的端部到钢套管的中心距离与锚固孔的半径一致。

3.如权利要求1所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，所述钢套管（6）内壁具有粗糙度，所述锚杆杆体表面也具有粗糙度。

4.如权利要求1所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，所述钢套管外壁设有月牙肋结构。

5.如权利要求1所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，所述锚杆杆体（1）为预张拉锚杆，所述锚杆杆体（1）包括锚固段和张拉自由段，所述钢套管套在张拉自由段外。

6.如权利要求5所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，它还包括找平混凝土（2）、钢垫板（4）以及螺母（5）；所述锚杆杆体（1）的一端依次穿过找平混凝土（2）上的锁定孔（3）和拱形的钢垫板（4）的预留孔（9）后通过螺母（5）锁定在钢垫板（4）上。

7.如权利要求5所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于，所述钢套管（6）沿锚杆杆体（1）张拉自由段全长布置。

8.如权利要求5所述的一种可适应大变形的锚杆结构，其特征在于：所述锚固段范围内填充高强锚固剂（7）。

9.如权利要求1-8任一项所述的可适应大变形的锚杆结构的施工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）确定钢套管的预紧力；

根据岩土体质量类别，采取的灌浆砂浆材料，及注浆、插杆施工工艺，预估砂浆凝固体与常规锚杆间的抗剪强度以此作为钢套管和砂浆凝固体间的抗剪强度，或直接由试验确定；进行不同预紧力下的拉拔试验，确定在不同预紧力下，锚杆杆体与钢套管间的摩擦力大小，并换算成抗剪强度，确定预紧力大小，使锚杆杆体与钢套管间的抗剪强度小于砂浆凝固体与钢套管间的抗剪强度、以及砂浆凝固体与锚固孔壁的围岩间的抗剪强度；

（2）根据数值分析成果或经验判断，估计岩土体发生大变形的深度范围，确定锚杆杆体进行粗磨砂处理的范围和设置钢套管的范围；或直接选择张拉自由段全长进行磨粗砂处理和设置钢套管；

（3）在工厂车间或施工现场预先完成锚杆杆体粗磨砂处理和钢套管的组合安装，包括调紧螺纹紧固件至设计要求以保证符合抗剪强度要求；

（4）若锚杆杆体不施加预应力，则将锚杆和钢套管的组合体进行插杆、注浆施工；若施加预应力，则将锚杆和钢套管的组合体插杆，其中，钢套管仅套在张拉自由段的锚杆杆体外，然后对锚固段的锚杆杆体对应的锚固孔部分注高强锚固剂待强，再紧固锚杆杆体螺纹连接的螺帽，张拉锚杆杆体至设计锁定荷载并达到稳定后，在张拉自由段范围内进行砂浆的注浆施工，握裹砂浆与围岩和所述钢套管粘结牢固。