CN110629753B - 一种自扩速锚式锚具及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自扩速锚式锚具及其应用方法，包括壳体、弹性钢板及膨胀锚固药包；弹性钢板的一端焊接于受力板上，自由端被约束套从外部束缚；膨胀锚固药包包括锚固药包体及设于锚固药包体内的高膨胀性高分子聚合物；还包括药包切割装置，弹性钢板无约束后带动药包切割装置割破锚固药包体，高膨胀性高分子聚合物混合后溢出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。本发明为一种在钻孔底部解除约束后可以自动张开的伞状受力结构，取代和补偿锚固段长度减少后造成的抗拔力损失，满足工程需要。膨胀锚固药包内的高膨胀性高分子聚合物混合后可迅速膨胀并充填钻孔底部的扩大穴并快速固化产生握裹力，施工效率高且可以满足多种特殊环境下的施工要求。

Description

一种自扩速锚式锚具及其应用方法

技术领域

本发明涉及应用于岩土工程中的锚具技术领域，更具体地说，涉及一种自扩速锚式锚具及其应用方法。

背景技术

锚索结构一般由内锚头、锚索体和外锚头三部分共同组成。内锚头又称锚固段或锚根，是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基，按其结构形式分为机械式和胶结式两大类，胶结式又分为砂浆胶结和树脂胶结两类，砂浆式又分二次灌浆和一次灌浆式。外锚头又称外锚固段，是锚索借以提供张拉吨位和锁定的部位，其种类有锚塞式、螺纹式、钢筋混凝土圆柱体锚墩式、墩头锚式和钢构架式等；锚索体，是连结内外锚头的构件，也是张拉力的承受者，通过对锚索体的张拉来提供预应力，锚索体由高强度钢筋、钢绞线或螺纹钢筋构成。

锚索作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚索分为自由段和锚固段，自由段将锚索头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚索施加预应力；锚固段是指水泥浆体或者其他固结体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是增大锚固体与土层的粘结摩擦作用，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。锚索钢绞线依靠其锚固段与水泥浆体的粘结摩擦力进行固定并增加锚固体的承压作用。

在工程实践中发现，采用常规水泥浆作为固结体需要较长时间固结体才能达到完全固化的效果。但在很多情况下，特别是在抢险工程中，要求固结体尽快发挥锚固体的作用，因此需要开发一种能快速固结的锚固材料。

近年来由于建筑物不断密集，锚索长度受到限定时，由于锚固段对钢绞线的握裹力与锚固段的长度正相关。当锚固段长度受限，是锚索的抗拉力也受到限制，因此需要开发一种可以大幅提高受力面积以弥补锚固段长度减少后造成的抗拔力不足的内锚头。

当地层承载力较低时，常规注浆锚索注浆形成的锚固体与土体摩擦力较低，不能提供足够的锚固力，因此需要开发一种快速扩大锚头的工艺方法解决锚固力不足的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种自扩速锚式锚具及其应用方法，可以快速固结成锚，且受力面积大，解决上述的问题。

本发明的技术解决方案是：本发明提供一种自扩速锚式锚具，包括壳体、弹性钢板及膨胀锚固药包；

所述壳体包括受力板、固定钢筋和固定板，所述固定钢筋穿过所述受力板和固定板，使三者形成一个整体；

所述弹性钢板的一端焊接于所述受力板上，自由端被约束套从外部束缚；

所述膨胀锚固药包设于所述壳体内，包括锚固药包体及设于所述锚固药包体内的高膨胀性高分子聚合物；

还包括药包切割装置，与所述弹性钢板相连接，当所述约束套与所述弹性钢板的自由端脱离时，所述弹性钢板带动所述药包切割装置割破所述锚固药包体，所述高膨胀性高分子聚合物混合后溢出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。

进一步的，所述受力板为圆形钢板，从边缘到圆心设有两重通孔，分别为第一安装孔和连接孔，多个所述第一安装孔和连接孔分别以所述受力板的圆心为中心环形阵列排布；所述固定钢筋穿过所述第一安装孔将所述受力板和固定板连接，所述连接孔用于供锚索的钢绞线穿过，再通过P形锚固定于所述受力板上。

进一步的，所述固定板上设有多个第二安装孔，且与所述第一安装孔的位置相对应。

进一步的，所述固定钢筋为圆柱状钢筋，上端和下端均设有螺纹，上下端穿过所述第一安装孔和第二安装孔后分别在所述受力板和固定板两侧用螺栓固定。

进一步的，所述弹性钢板折弯成第一弹性钢板和第二弹性钢板，所述第一弹性钢板和第二弹性钢板之间的夹角大于90度；所述第一弹性钢板焊接于所述受力板的侧部，所述第二弹性钢板为自由端，被所述约束套束缚，使所述第二弹性钢板与第一弹性钢板之间形成180度角。

进一步的，所述药包切割装置包括设于所述锚固药包体内的药包切割刀以及一端连接在所述第二弹性钢板内侧、另一端连接所述药包切割刀的钢丝绳，所述第二弹性钢板内侧设有圆环用于系所述钢丝绳；

当所述约束套与所述第二弹性钢板脱离时，所述第二弹性钢板受自身弹力向两侧弹，牵引所述钢丝绳及药包切割刀向下运动，所述锚固药包体被所述药包切割刀割破，所述高膨胀性高分子聚合物混合后漏出。

本发明还提供一种自扩速锚式锚具应用方法，包括如下步骤：

S1、采用跟管钻机成孔钻进到预设的深度留置套管与地层中，安装锚索及锚具；

S2、根据钢绞线股数选择对应的锚具，抬起安装好的锚索体将自扩速锚式锚具从导管口插入到约束套抵近导管口处，取下约束套，继续推送锚索体将约束套的约束作用转移到套管；

S3、取下约束套后，锚具的弹性钢板受导管的约束不能弹开，利用钢绞线继续向内推送，推进自扩速锚式锚具进入到钻孔深处；

S4、当自扩速锚式锚具穿越导管的端部进入扩大穴后，弹性钢板失去导管的约束力后，立即弹开，形成伞状结构，弹性钢板弹开的同时，拉拽锚固药包切割装置的钢丝绳，使锚固药包内的高膨胀性高分子聚合物混合后漏出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。用钻机前后拖动锚索，张开后的弹性钢板切割土体形成扩大腔，同时可彭胀药体对空腔进行膨胀填充，形成扩大锚固体。

S5、取出导管，当锚固体强度达到预设强度后，按预设的参数对锚索进行张拉锁定。

实施本发明的自扩速锚式锚具及其应用方法，具有以下有益效果：设计一种在钻孔底部解除约束后可以自动张开的伞状受力结构，该结构受力面积远大于钢绞线单位长度的摩擦面积，因此可以取代和补偿锚固段长度减少后造成的抗拔力损失，满足工程需要。本发明还设计了一种锚固药包，药包内的高分子聚合物、发泡剂、促进剂、固化剂混合后可迅速膨胀并充填钻孔底部的扩大穴并快速固化产生握裹力。具有抗拔力大，锚固速度快的特点，施工效率高且可以满足多种特殊环境下的施工要求，特别适合在地下水流动性比较好可能破坏常规水泥浆固结的场合或土质较差时不能提供足够锚应力的地层以及抢险工程要求快速锚固的情形。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明自扩速锚式锚具使用前的结构示意图；

图2为本发明自扩速锚式锚具安装到导管后的示意图；

图3为本发明自扩速锚式锚具脱离导管约束后的示意图；

图4为膨胀锚固药包化学反应膨胀后的的示意图。

具体实施方式

图1至图4示出本发明自扩速锚式锚具的一个优选实施例，其包括壳体1、弹性钢板2及膨胀锚固药包3；壳体1包括受力板11、固定钢筋12和固定板13，固定钢筋12穿过受力板11和固定板13，使三者形成一个整体；弹性钢板2的一端焊接于受力板11上，自由端被约束套4从外部束缚；膨胀锚固药包3设于壳体1内，包括锚固药包体31及设于锚固药包体31内的高膨胀性高分子聚合物32；还包括药包切割装置5，与弹性钢板2相连接，当约束套4与弹性钢板2的自由端脱离时，弹性钢板2带动药包切割装置5割破锚固药包体31，高膨胀性高分子聚合物32混合后溢出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。本发明设计一种在钻孔底部解除约束后可以自动张开的伞状受力结构，由壳体1和弹性钢板2构成，该结构受力面积远大于钢绞线单位长度的摩擦面积，因此可以取代和补偿锚固段长度减少后造成的抗拔力损失，满足工程需要。本发明还设计了一种膨胀锚固药包3，膨胀锚固药包3内装有高膨胀性高分子聚合物32，高膨胀性高分子聚合物32由高分子聚合物、发泡剂、促进剂、固化剂化合物构成，混合后可迅速膨胀并充填钻孔底部的扩大穴并快速固化产生握裹力。该发明具有良好的实用性特别适于锚索长度受限、地下水流动性好容易破坏水泥浆固结强度等需要快速发挥锚索锚固作用的场合，以下将对自扩速锚式锚具的各个部分做具体说明。

本实施例中壳体1包括受力板11、固定钢筋12和固定板13，固定钢筋12连接受力板11和固定板13从而形成一个整体。受力板11为圆形钢板，从边缘到圆心设有两重通孔，分别为第一安装孔和连接孔，多个第一安装孔和连接孔分别以受力板11的圆心为中心环形阵列排布，固定板13上设有多个第二安装孔，且与第一安装孔的数量和位置相对应，也呈环形阵列排布。固定钢筋12为直径8-15mm的圆柱状钢筋，其长度满足安装膨胀锚固药包3及药包切割装置5的需要，通常为数十厘米长，上端和下端均设有螺纹，螺纹的长度大于受力板11和固定板13的厚度，使得该固定钢筋12的两端分别穿过受力板11和固定板13后，在板的里外都可以用螺母拧紧固定。第一安装孔和第二安装孔的直径与固定钢筋12的直径相同，固定钢筋12的上下两端分别穿过第一安装孔和第二安装孔后在受力板11和固定板13两侧用螺栓拧紧固定，这样受力板11、固定板13和固定钢筋12三者连接形成了壳体1。连接孔用于供锚索的钢绞线100穿过，孔洞的直径略大于钢绞线100的直径，使钢绞线100可以穿过该连接孔，这些孔洞的数量根据锚索的钢绞线100的根数确定，通常为2个以上6个以下。在使用本发明的自扩速锚式锚具时，将钢绞线100穿过连接孔后套入P形锚200，用液压钳挤压P形锚200使之变形挤压钢绞线100形成大于连接孔的端头，再将端头点焊在受力板11上从而固定钢绞线100。

本实施例中弹性钢板2折弯成第一弹性钢板21和第二弹性钢板22，第一弹性钢板21和第二弹性钢板22之间的夹角大于90度；第一弹性钢板21焊接于受力板11的侧部，第二弹性钢板22为自由端，被约束套4束缚，使第二弹性钢板22与第一弹性钢板21之间形成180度角，即第一弹性钢板21和第二弹性钢板22平行。弹性钢板2从外观上看类似反转的厂字形，数量为2个或以上，这些弹性钢板2焊接于受力板11上后，在无约束条件下，自然形成一个伞状构造，在约束套4的作用下，这些弹性钢板2可以被约束成筒状体，这个筒状结构的外径小于钻孔导管的内径。当解除约束套4的约束后，弹性钢板2可以复原成伞状结构。弹性钢板2的厚度约5毫米，宽度5厘米左右，约束条件下其长度约20厘米左右，其线长度主要依据扩大穴的直径确定，即当弹性钢板2解除约束弹开后形成的‘伞’的直径略小于扩大穴的直径。约束套4是一个环状体，该环状体的内径略大于弹性钢板2受约束后形成筒状体的外径，使筒状体可以套入约束套4。约束套4的外径大于或等于导管的外径，当自扩速锚式锚具在外力的作用下插入导管口时，约束套4抵近导管口。导管的管壁与约束套4相抵，自扩速锚式锚具继续往里推进是将约束套4推出留于孔外，同时将约束套4的约束作用转移到导管，利用导管对弹性钢板2进行约束使弹性钢板2不可弹开。

本实施例中药包切割装置5包括设于锚固药包体31内的药包切割刀51以及一端连接在第二弹性钢板22内侧、另一端连接药包切割刀51的钢丝绳52，钢丝绳52可以有三股，三股钢丝绳的一端连接在一起，另外的三端分别连接在两个第二弹性钢板22内侧及药包切割刀51端部，第二弹性钢板22内侧设有圆环用于系钢丝绳52；当约束套4与第二弹性钢板22脱离时，第二弹性钢板22受自身弹力向两侧弹，形成伞状，牵引钢丝绳52向两侧拉伸，钢丝绳52带动药包切割刀51向下运动，锚固药包体31被药包切割刀51割破，使膨胀锚固药包3内的高膨胀性高分子聚合物32混合，膨胀锚固药包3内的化学品混合后迅速膨胀填充扩大穴的空间，膨胀填充物在固化剂的作用下快速固化，形成锚固体，实现锚索的功能。

本发明还提供一种自扩速锚式锚具应用方法，包括如下步骤：

S1、采用跟管钻机成孔钻进到预设的深度留置套管与地层中，安装锚索及锚具，安装方法如下：先根据预设的钢绞线股数选择对应的锚具，再按设计要求截取相应的钢绞线，将钢绞线从固定板上连接孔穿过去再从受力板的钢绞线孔洞穿过去。在钢绞线的端头套入p型锚，用液压钳将p型锚挤压变形紧锁钢绞线后，将p型锚点焊在受力板上。如此将数根钢绞线一一穿插安装固定在受力板上，后续按常规安装对中架等，将锚固药包的切割刀与连接在弹性钢板的圆环上的用于拽拉锚固药包的药包切割刀的钢丝连接起来。

S2、根据钢绞线股数选择对应的锚具，抬起安装好的锚索体将自扩速锚式锚具从导管口插入到约束套抵近导管口处，取下约束套，继续推送锚索体将约束套的约束作用转移到套管，这里弹性钢板的外部约束从约束套转换为套管。

S3、取下约束套后，锚具的弹性钢板受导管的约束不能弹开，利用钢绞线继续向内推送，推进自扩速锚式锚具进入到钻孔深处。

S4、当自扩速锚式锚具穿越导管的端部，通过前后拖动锚索形成扩大穴后，弹性钢板失去导管的约束力后，立即弹开，形成伞状结构，弹性钢板弹开的同时，拉拽锚固药包切割装置的钢丝绳，使锚固药包内的高膨胀性高分子聚合物混合后漏出到扩大穴，锚固药包内的化学品混合后迅速膨胀填充扩大穴的空间，膨胀填充物在固化剂的作用下快速固化，形成锚固体。

S5、取出导管，当锚固体强度达到预设强度后，按预设的参数对锚索进行张拉锁定，之后就可以作为锚索使用，实现锚索的功能。

本发明的自扩速锚式锚具可以应用在地下水流速较大的卵石地层施工锚索，由于地下水的冲蚀稀释将水泥浆稀释到不能形成固结体，故而难以施工，采用自扩速锚式锚具中的高膨胀性高分子聚合物可以较好地形成锚固体，确保锚索的抗拔力。另外由于抗洪抢险需要，对河岸边坡实施钢构梁联合预应力锚索边坡加固工程时，因时间紧迫，要求锚固体在短时间内固化产生锚固力，采用自扩速锚式锚具可以满足设计要求，应用于多种特殊的施工环境中。

使用本发明的自扩速锚式锚具及其应用方法，为一种在钻孔底部解除约束后可以自动张开的伞状受力结构，该结构受力面积远大于钢绞线单位长度的摩擦面积，因此可以取代和补偿锚固段长度减少后造成的抗拔力损失，满足工程需要。本发明还设计了一种锚固药包，药包内的高分子聚合物、发泡剂、促进剂、固化剂混合后可迅速膨胀并充填钻孔底部的扩大穴并快速固化产生握裹力。具有抗拔力大，锚固速度快的特点，施工效率高且可以满足多种特殊环境下的施工要求，特别适合在地下水流动性比较好可能破坏常规水泥浆固结的场合或土质较差时不能提供足够锚应力的地层以及抢险工程要求快速锚固的情形。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自扩速锚式锚具，其特征在于，包括壳体(1)、弹性钢板(2)及膨胀锚固药包(3)；

所述壳体(1)包括受力板(11)、固定钢筋(12)和固定板(13)，所述固定钢筋(12)穿过所述受力板(11)和固定板(13)，使三者形成一个整体；

所述弹性钢板(2)的一端焊接于所述受力板(11)上，自由端被约束套(4)从外部束缚；

所述膨胀锚固药包(3)设于所述壳体(1)内，包括锚固药包体(31)及设于所述锚固药包体(31)内的高膨胀性高分子聚合物(32)；

还包括药包切割装置(5)，与所述弹性钢板(2)相连接，当所述约束套(4)与所述弹性钢板(2)的自由端脱离时，所述弹性钢板(2)带动所述药包切割装置(5)割破所述锚固药包体(31)，所述高膨胀性高分子聚合物(32)混合后溢出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。

2.根据权利要求1所述的自扩速锚式锚具，其特征在于，所述受力板(11)为圆形钢板，从边缘到圆心设有两重通孔，分别为第一安装孔和连接孔，多个所述第一安装孔和连接孔分别以所述受力板(11)的圆心为中心环形阵列排布；所述固定钢筋(12)穿过所述第一安装孔将所述受力板(11)和固定板(13)连接，所述连接孔用于供锚索的钢绞线(100)穿过，再通过P形锚(200)固定于所述受力板(11)上。

3.根据权利要求2所述的自扩速锚式锚具，其特征在于，所述固定板(13)上设有多个第二安装孔，且与所述第一安装孔的位置相对应。

4.根据权利要求3所述的自扩速锚式锚具，其特征在于，所述固定钢筋(12)为圆柱状钢筋，上端和下端均设有螺纹，上下端穿过所述第一安装孔和第二安装孔后分别在所述受力板(11)和固定板(13)两侧用螺栓固定。

5.根据权利要求4所述的自扩速锚式锚具，其特征在于，所述弹性钢板(2)折弯成第一弹性钢板(21)和第二弹性钢板(22)，所述第一弹性钢板(21)和第二弹性钢板(22)之间的夹角大于90度；所述第一弹性钢板(21)焊接于所述受力板(11)的侧部，所述第二弹性钢板(22)为自由端，被所述约束套(4)束缚，使所述第二弹性钢板(22)与第一弹性钢板(21)之间形成180度角。

6.根据权利要求5所述的自扩速锚式锚具，其特征在于，所述药包切割装置(5)包括设于所述锚固药包体(31)内的药包切割刀(51)以及一端连接在所述第二弹性钢板(22)内侧、另一端连接所述药包切割刀(51)的钢丝绳(52)，所述第二弹性钢板(22)内侧设有圆环用于系所述钢丝绳(52)；

当所述约束套(4)与所述第二弹性钢板(22)脱离时，所述第二弹性钢板(22)受自身弹力向两侧弹，牵引所述钢丝绳(52)及药包切割刀(51)向下运动，所述锚固药包体(31)被所述药包切割刀(51)割破，所述高膨胀性高分子聚合物(32)混合后漏出。

7.一种自扩速锚式锚具应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用跟管钻机成孔钻进到预设的深度留置套管与地层中，安装锚索及锚具；

S2、根据钢绞线股数选择对应的锚具，抬起安装好的锚索体将自扩速锚式锚具从导管口插入到约束套抵近导管口处，取下约束套，继续推送锚索体将约束套的约束作用转移到套管；

S3、取下约束套后，锚具的弹性钢板受导管的约束不能弹开，利用钢绞线继续向内推送，推进自扩速锚式锚具进入到钻孔深处；

S4、当自扩速锚式锚具穿越导管的端部进入扩大穴后，弹性钢板失去导管的约束力后，立即弹开，形成伞状结构，弹性钢板弹开的同时，拉拽锚固药包切割装置的钢丝绳，使锚固药包内的高膨胀性高分子聚合物混合后溢出，在扩大穴内快速膨胀固化形成锚固体。

8.根据权利要求7所述的自扩速锚式锚具应用方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S5、取出导管，当可膨胀药包溢出膨胀后短时间即可达到预设强度后，按预设的参数对锚索进行张拉锁定。

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