CN112575779A - 一种端部扩体型锚杆及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端部扩体型锚杆及其施工方法，属于锚固技术领域，包括锚杆杆体、一号压紧机构、囊体、锁止塞、一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆、注浆管、套管、排浆通道、端板、二号压紧机构、滑套、光面管、顶进板；一号压紧机构包括机构主体、锁止扣、密封胶圈、球阀、支撑导架、注浆通道、压紧塞、压紧弹簧；扩体型锚杆的施工步骤如下：预试验，钻孔施工，下放锚杆，囊体注浆，预应力张拉，施工结束。本发明通过浆液压力对支撑杆件施加主动力，保证了囊体充分展开的可靠性；通过设置多根支撑杆件，加强了锚固体自身的强度；通过对囊体采用刚性材料，加强了囊体对周围土体的挤扩作用。

Description

一种端部扩体型锚杆及其施工方法

技术领域

本发明涉及锚固技术领域，特别涉及到一种端部扩体型锚杆及其施工方法。

背景技术

随着地下工程发展的强度和深度日益增加，深基坑支护成为制约高层建筑高效、安全建造的一个难题。基坑开挖后，易导致基坑侧壁、土体边坡产生大变形，支护结构失效。地下工程的安全问题就越来越重要。传统锚杆已经广泛应用于水利水电、工民建、交通、市政等工程。

传统摩擦型锚杆，依靠锚固段对周围土体的粘结力和摩擦效应来传递力载荷，锚固力的大小取决于有效锚固段的长度。囊袋式扩体锚杆则属于摩擦—端承型锚杆，使用时，通过高压泵将水泥浆注入囊袋内，囊体膨胀后在周围土层挤压下形成扩体段水泥结实体。因此，囊袋式扩体锚杆不仅通过其扩体段侧壁摩阻力和其与周围土体的粘结力来抵抗浮力，还能通过扩体段端头受压提供的端阻力来抵抗浮力。与传统锚杆相比，囊袋式扩体锚杆具有单锚承载力高、长度短、数量少、经济和环保效益高等优点。但是，在使用锚杆支护过程中，锚固端失效的问题日益突显，一旦锚固端失效，锚杆就无法发挥实质性作用，基坑建造的安全受到严重的威胁。

目前，用于地下工程和边坡加固工程中的囊式锚杆，主要依靠锚固段与周围土体的粘结力、摩擦力和端承力传递荷载。其主要缺点为：（1）锚固力的大小取决于锚固段的长度和直径，以及与锚固段接触的土体的性质等因素，如遇到特殊的软弱土体，因而锚杆的拉拔力不高，则加固效果不佳；（2）普通囊式锚杆存在水泥与锚杆体接触面积小，锚固体与锚杆体之间的握裹力差的问题。因此，本发明提出了一种端部扩体型锚杆及其施工方法来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种端部扩体型锚杆及其施工方法，克服了现有技术的不足。通过浆液压力对支撑杆件施加主动力，且高压浆液对囊体填充，保证了囊体充分展开的可靠性；通过设置多根支撑杆件，加强了锚固体自身的强度，保证工作时锚固体自身不会出现破碎；通过对囊体采用刚性材料，加强了囊体对周围土体的挤扩作用，使周围土体的力学性能更好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种端部扩体型锚杆，其特征在于：包括锚杆杆体、一号压紧机构、囊体、锁止塞、一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆、注浆管、套管、排浆通道、端板、二号压紧机构、滑套、光面管、顶进板；所述一号压紧机构包括机构主体、锁止扣、密封胶圈、球阀、支撑导架、注浆通道、压紧塞、压紧弹簧；所述锚杆杆体外部焊接有光面管，光面管与滑套之间通过焊接连接，所述二号压紧机构包括机构主体、锁止扣、排浆通道、咬合腔体，所述注浆管穿过滑套并焊接在滑套上，所述一号压紧机构安装在滑套内，一号压紧机构与滑套和光面管之间均安装有密封胶圈，所述囊体一端与一号压紧结构的锁止扣连接，囊体的另一端与二号压紧结构的锁止扣连接，所述一号支撑杆与一号压紧机构通过铰接连接，所述一号支撑杆与二号支撑杆通过铰接连接，所述二号支撑杆与三号支撑杆通过铰接连接，所述三号支撑杆与二号压紧机构通过铰接连接，所述锁止塞安装在二号压紧机构内，所述套管与二号压紧机构通过焊接连接，所述顶进板焊接在二号压紧机构上；锚杆杆体在靠近二号压紧机构的一端安装有端板，所述端板与锚杆杆体之间通过螺纹连接，所述压紧塞通过螺纹与机构主体连接，所述支撑导架一端与球阀焊接，另一端与机构主体通过嵌接连接，所述压紧弹簧一端与支撑导架连接，一端与压紧塞连接，所述一号支撑杆靠近二号支撑杆的一端设置有凸起，所述套管靠近一号支撑杆一端设置有凹槽。

优选地，所述一号压紧机构和二号压紧机构中锁止扣对囊体的压紧力大于囊体膨胀时的注浆压力。

优选地，所述注浆管的直径为3cm~5cm，所述排浆通道为两个，沿二号压紧机构的中轴线对称分布，排浆通道的直径为1cm~3cm。

优选地，所述囊体为合金材质，囊体的厚度为1mm~5mm，囊体采用多层折叠，折叠后囊体横断面直径小于二号压紧机构直径。

优选地，所述套管为六方管状结构，套管分为有凹槽段和无凹槽段两部分，有凹槽段套管的直径自一号支撑杆一侧向二号压紧机构一侧逐渐增大，无凹槽段套管的直径自一号支撑杆一侧向二号压紧机构一侧逐渐增大，有凹槽段和无凹槽段套管的最小直径相同，有凹槽段套管的坡度为1:10~1:1.2。

优选地，所述锁止塞为圆台形结构，圆台形结构的侧面设置有咬合齿，二号压紧机构中的咬合腔体内壁设置有咬合凹槽。

优选地，所述一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆均为六组，与套管的六方结构对应，所述一号支撑杆靠近一号压紧机构的一端较粗，一号支撑杆的长度为30cm~50cm，所述二号支撑杆为双排结构，二号支撑杆的长度为20cm~40cm，所述三号支撑杆的长度为50cm~80cm，二号支撑杆连接在三号支撑杆长度的1/2~2/3之间部位。

优选地，所述压紧弹簧始终处于压缩状态，压紧弹簧的压紧情况根据压紧塞进入机构主体的深度进行调节，压紧弹簧支撑导架的压紧力大于一号压紧机构产生滑动所克服的阻力。

一种端部扩体型锚杆的施工方法，其特征在于，采用一种端部扩体型锚杆进行施工，具体施工步骤如下：

步骤一：预试验；

首先在地面上进行预试验，通过注浆管向滑套内注水，开始注水压力为0.2MPa~0.5 MPa，逐渐增大注水压力至1.0MPa~2.0MPa，持续1min~2min，逐级增大注水压力，每级增大0.5MPa，每级持续1min~2min，记录囊体内刚进入水时的临界注水压力，直至囊体全部膨胀，当排浆通道内水流的总流量到达注入水流量的90%时，记录囊体膨胀此时最大的注水压力Q，通过压紧塞改变弹簧的压紧力，重复上述过程，记录不同临界注水压力下压紧塞相对主体的位置；

步骤二：钻孔施工；

采用钻机按照设计方案进行钻孔作业；

步骤三：下放锚杆；

根据地质勘查资料确定锚杆端部地质情况，根据地质情况计算囊体膨胀需要的最小注浆压力，根据预试验数据，通过改变压紧塞相对主体的位置确定临界注水压力，确保临界注水压力小于最小注浆压力；将耐压管与注浆管连接，通过耐压管将注浆入口引出至地表，将注浆设备的出浆口与耐压管连接，之后将钻机的顶进设备与顶进板搭接并对端部扩体型锚杆进行顶推，将端部扩体型锚杆顶推至设计深度，之后收回顶进设备；

步骤四：囊体注浆；

通过注浆管向滑套内注浆，此时，钻孔内的泥浆和周围土体挤压囊体和三号支撑杆，三号支撑杆压紧二号支撑杆，随着浆液推动一号压紧机构在滑套内运动，一号压紧机构带动一号支撑杆运动，一号支撑杆受二号支撑杆的压力，迫使一号支撑杆在套管上运动，一号支撑杆带动二号支撑杆运动，二号支撑杆带动三号支撑杆运动，三号支撑杆撑起囊体，直至一号压紧机构滑动到滑套末端，此时，浆液将球阀顶开，浆液从注浆通道流入囊体内，待囊体内逐渐被浆液填充满，随着浆液的持续注入，将注浆压力增大至Q~2Q，囊体体积扩充至设定值且一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆全部打开至设定位置，与此同时，浆液从排浆通道溢出，当浆液从钻孔孔口溢出，持续注浆1min~2min；

步骤五：预应力张拉

待固化材料浆液终凝后且注浆完成5-10天后，采用千斤顶对锚杆进行张拉，随着张拉力的增大锁止塞向二号压紧机构内移动，锁止塞表面的咬合齿与二号压紧机构咬合，待张拉力达到设计值后保持张拉1min~2min；

步骤六：施工结束。

本发明所带来的有益技术效果：

通过浆液压力对支撑杆件施加主动力，且高压浆液对囊体填充，保证了囊体充分展开的可靠性；通过设置多根支撑杆件，加强了锚固体自身的强度，保证工作时锚固体自身不会出现破碎；通过对囊体采用刚性材料，加强了囊体对周围土体的挤扩作用，使周围土体的力学性能更好。

附图说明

图1为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法的结构纵断面剖切示意图。

图2为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法中一号压紧机构的结构示意图。

图3为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法的结构横断面剖切示意图。

图4为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法中套管的结构示意图。

图5为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法中套管的结构剖切示意图。

图6为本发明一种端部扩体型锚杆及其施工方法中一号支撑杆的结构示意图。

其中，1-锚杆、2-一号压紧机构、3-囊体、4-锁止塞、5-一号支撑杆、6-二号支撑杆、7-三号支撑杆、8-注浆管、9-套管、10-排浆通道、11-端板、12-二号压紧机构、13-滑套、14-光面管、15-顶进板、21-机构主体、22-锁止扣、23-密封胶圈、24-球阀、25-支撑导架、26-注浆通道、27-压紧塞、28-压紧弹簧。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1~6所示，一种端部扩体型锚杆1，其特征在于：包括锚杆1杆体、一号压紧机构2、囊体3、锁止塞4、一号支撑杆5、二号支撑杆6、三号支撑杆7、注浆管8、套管9、排浆通道10、端板11、二号压紧机构12、滑套13、光面管14、顶进板15；所述一号压紧机构2包括机构主体21、锁止扣22、密封胶圈23、球阀24、支撑导架25、注浆通道26、压紧塞27、压紧弹簧28；所述锚杆1杆体外部焊接有光面管14，光面管14与滑套13之间通过焊接连接，所述二号压紧机构12包括机构主体21、锁止扣22、排浆通道10、咬合腔体，所述注浆管8穿过滑套13并焊接在滑套13上，所述一号压紧机构2安装在滑套13内，一号压紧机构2与滑套13和光面管14之间均安装有密封胶圈23，所述囊体3一端与一号压紧结构的锁止扣22连接，囊体3的另一端与二号压紧结构的锁止扣22连接，所述一号支撑杆5与一号压紧机构2通过铰接连接，所述一号支撑杆5与二号支撑杆6通过铰接连接，所述二号支撑杆6与三号支撑杆7通过铰接连接，所述三号支撑杆7与二号压紧机构12通过铰接连接，所述锁止塞4安装在二号压紧机构12内，所述套管9与二号压紧机构12通过焊接连接，所述顶进板15焊接在二号压紧机构12上；锚杆1杆体在靠近二号压紧机构12的一端安装有端板11，所述端板11与锚杆1杆体之间通过螺纹连接，所述压紧塞27通过螺纹与机构主体21连接，所述支撑导架25一端与球阀24焊接，另一端与机构主体21通过嵌接连接，所述压紧弹簧28一端与支撑导架25连接，一端与压紧塞27连接，所述一号支撑杆5靠近二号支撑杆6的一端设置有凸起，所述套管9靠近一号支撑杆5一端设置有凹槽。

优选地，所述一号压紧机构2和二号压紧机构12中锁止扣22对囊体3的压紧力大于囊体3膨胀时的注浆压力。

优选地，所述注浆管8的直径为3cm~5cm，所述排浆通道10为两个，沿二号压紧机构12的中轴线对称分布，排浆通道10的直径为1cm~3cm。

优选地，所述囊体3为合金材质，囊体3的厚度为1mm~5mm，囊体3采用多层折叠，折叠后囊体3横断面直径小于二号压紧机构12直径。

优选地，所述套管9为六方管状结构，套管9分为有凹槽段和无凹槽段两部分，有凹槽段套管9的直径自一号支撑杆5一侧向二号压紧机构12一侧逐渐增大，无凹槽段套管9的直径自一号支撑杆5一侧向二号压紧机构12一侧逐渐增大，有凹槽段和无凹槽段套管9的最小直径相同，有凹槽段套管9的坡度为1:10~1:1.2。

优选地，所述锁止塞4为圆台形结构，圆台形结构的侧面设置有咬合齿，二号压紧机构12中的咬合腔体内壁设置有咬合凹槽。

优选地，所述一号支撑杆5、二号支撑杆6、三号支撑杆7均为六组，与套管9的六方结构对应，所述一号支撑杆5靠近一号压紧机构2的一端较粗，一号支撑杆5的长度为30cm~50cm，所述二号支撑杆6为双排结构，二号支撑杆6的长度为20cm~40cm，所述三号支撑杆7的长度为50cm~80cm，二号支撑杆6连接在三号支撑杆7长度的1/2~2/3之间部位。

优选地，所述压紧弹簧28始终处于压缩状态，压紧弹簧28的压紧情况根据压紧塞27进入机构主体21的深度进行调节，压紧弹簧28支撑导架25的压紧力大于一号压紧机构2产生滑动所克服的阻力。

实施例2：

如图1~6所示，一种端部扩体型锚杆1的施工方法，其特征在于，采用一种端部扩体型锚杆1进行施工，具体施工步骤如下：

步骤一：预试验；

首先在地面上进行预试验，通过注浆管8向滑套13内注水，开始注水压力为0.2MPa~0.5 MPa，逐渐增大注水压力至1.0MPa~2.0MPa，持续1min~2min，逐级增大注水压力，每级增大0.5MPa，每级持续1min~2min，记录囊体3内刚进入水时的临界注水压力，直至囊体3全部膨胀，当排浆通道10内水流的总流量到达注入水流量的90%时，记录囊体3膨胀此时最大的注水压力Q，通过压紧塞27改变弹簧的压紧力，重复上述过程，记录不同临界注水压力下压紧塞27相对主体的位置；

步骤二：钻孔施工；

采用钻机按照设计方案进行钻孔作业；

步骤三：下放锚杆1；

根据地质勘查资料确定锚杆1端部地质情况，根据地质情况计算囊体3膨胀需要的最小注浆压力，根据预试验数据，通过改变压紧塞27相对主体的位置确定临界注水压力，确保临界注水压力小于最小注浆压力；将耐压管与注浆管8连接，通过耐压管将注浆入口引出至地表，将注浆设备的出浆口与耐压管连接，之后将钻机的顶进设备与顶进板15搭接并对端部扩体型锚杆1进行顶推，将端部扩体型锚杆1顶推至设计深度，之后收回顶进设备；

步骤四：囊体3注浆；

通过注浆管8向滑套13内注浆，此时，钻孔内的泥浆和周围土体挤压囊体3和三号支撑杆7，三号支撑杆7压紧二号支撑杆6，随着浆液推动一号压紧机构2在滑套13内运动，一号压紧机构2带动一号支撑杆5运动，一号支撑杆5受二号支撑杆6的压力，迫使一号支撑杆5在套管9上运动，一号支撑杆5带动二号支撑杆6运动，二号支撑杆6带动三号支撑杆7运动，三号支撑杆7撑起囊体3，直至一号压紧机构2滑动到滑套13末端，此时，浆液将球阀24顶开，浆液从注浆通道26流入囊体3内，待囊体3内逐渐被浆液填充满，随着浆液的持续注入，将注浆压力增大至Q~2Q，囊体3体积扩充至设定值且一号支撑杆5、二号支撑杆6、三号支撑杆7全部打开至设定位置，与此同时，浆液从排浆通道10溢出，当浆液从钻孔孔口溢出，持续注浆1min~2min；

步骤五：预应力张拉

待固化材料浆液终凝后且注浆完成5-10天后，采用千斤顶对锚杆1进行张拉，随着张拉力的增大锁止塞4向二号压紧机构12内移动，锁止塞4表面的咬合齿与二号压紧机构12咬合，待张拉力达到设计值后保持张拉1min~2min；

步骤六：施工结束。

本发明是一种端部扩体型锚杆及其施工方法，通过浆液压力对支撑杆件施加主动力，且高压浆液对囊体填充，保证了囊体充分展开的可靠性；通过设置多根支撑杆件，加强了锚固体自身的强度，保证工作时锚固体自身不会出现破碎；通过对囊体采用刚性材料，加强了囊体对周围土体的挤扩作用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种端部扩体型锚杆，其特征在于：包括锚杆杆体、一号压紧机构、囊体、锁止塞、一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆、注浆管、套管、排浆通道、端板、二号压紧机构、滑套、光面管、顶进板；所述一号压紧机构包括机构主体、锁止扣、密封胶圈、球阀、支撑导架、注浆通道、压紧塞、压紧弹簧；所述锚杆杆体外部焊接有光面管，光面管与滑套之间通过焊接连接，所述二号压紧机构包括机构主体、锁止扣、排浆通道、咬合腔体，所述注浆管穿过滑套并焊接在滑套上，所述一号压紧机构安装在滑套内，一号压紧机构与滑套和光面管之间均安装有密封胶圈，所述囊体一端与一号压紧结构的锁止扣连接，囊体的另一端与二号压紧结构的锁止扣连接，所述一号支撑杆与一号压紧机构通过铰接连接，所述一号支撑杆与二号支撑杆通过铰接连接，所述二号支撑杆与三号支撑杆通过铰接连接，所述三号支撑杆与二号压紧机构通过铰接连接，所述锁止塞安装在二号压紧机构内，所述套管与二号压紧机构通过焊接连接，所述顶进板焊接在二号压紧机构上；锚杆杆体在靠近二号压紧机构的一端安装有端板，所述端板与锚杆杆体之间通过螺纹连接，所述压紧塞通过螺纹与机构主体连接，所述支撑导架一端与球阀焊接，另一端与机构主体通过嵌接连接，所述压紧弹簧一端与支撑导架连接，一端与压紧塞连接，所述一号支撑杆靠近二号支撑杆的一端设置有凸起，所述套管靠近一号支撑杆一端设置有凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述一号压紧机构和二号压紧机构中锁止扣对囊体的压紧力大于囊体膨胀时的注浆压力。

3.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述注浆管的直径为3cm~5cm，所述排浆通道为两个，沿二号压紧机构的中轴线对称分布，排浆通道的直径为1cm~3cm。

4.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述囊体为合金材质，囊体的厚度为1mm~5mm，囊体采用多层折叠，折叠后囊体横断面直径小于二号压紧机构直径。

5.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述套管为六方管状结构，套管分为有凹槽段和无凹槽段两部分，有凹槽段套管的直径自一号支撑杆一侧向二号压紧机构一侧逐渐增大，无凹槽段套管的直径自一号支撑杆一侧向二号压紧机构一侧逐渐增大，有凹槽段和无凹槽段套管的最小直径相同，有凹槽段套管的坡度为1:10~1:1.2。

6.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述锁止塞为圆台形结构，圆台形结构的侧面设置有咬合齿，二号压紧机构中的咬合腔体内壁设置有咬合凹槽。

7.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆均为六组，与套管的六方结构对应，所述一号支撑杆靠近一号压紧机构的一端较粗，一号支撑杆的长度为30cm~50cm，所述二号支撑杆为双排结构，二号支撑杆的长度为20cm~40cm，所述三号支撑杆的长度为50cm~80cm，二号支撑杆连接在三号支撑杆长度的1/2~2/3之间部位。

8.根据权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆，其特征在于，所述压紧弹簧始终处于压缩状态，压紧弹簧的压紧情况根据压紧塞进入机构主体的深度进行调节，压紧弹簧支撑导架的压紧力大于一号压紧机构产生滑动所克服的阻力。

9.一种端部扩体型锚杆的施工方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种端部扩体型锚杆进行施工，具体施工步骤如下：

步骤一：预试验；

首先在地面上进行预试验，通过注浆管向滑套内注水，开始注水压力为0.2MPa~0.5MPa，逐渐增大注水压力至1.0MPa~2.0MPa，持续1min~2min，逐级增大注水压力，每级增大0.5MPa，每级持续1min~2min，记录囊体内刚进入水时的临界注水压力，直至囊体全部膨胀，当排浆通道内水流的总流量到达注入水流量的90%时，记录囊体膨胀此时最大的注水压力Q，通过压紧塞改变弹簧的压紧力，重复上述过程，记录不同临界注水压力下压紧塞相对主体的位置；

步骤二：钻孔施工；

采用钻机按照设计方案进行钻孔作业；

步骤三：下放锚杆；

根据地质勘查资料确定锚杆端部地质情况，根据地质情况计算囊体膨胀需要的最小注浆压力，根据预试验数据，通过改变压紧塞相对主体的位置确定临界注水压力，确保临界注水压力小于最小注浆压力；将耐压管与注浆管连接，通过耐压管将注浆入口引出至地表，将注浆设备的出浆口与耐压管连接，之后将钻机的顶进设备与顶进板搭接并对端部扩体型锚杆进行顶推，将端部扩体型锚杆顶推至设计深度，之后收回顶进设备；

步骤四：囊体注浆；

通过注浆管向滑套内注浆，此时，钻孔内的泥浆和周围土体挤压囊体和三号支撑杆，三号支撑杆压紧二号支撑杆，随着浆液推动一号压紧机构在滑套内运动，一号压紧机构带动一号支撑杆运动，一号支撑杆受二号支撑杆的压力，迫使一号支撑杆在套管上运动，一号支撑杆带动二号支撑杆运动，二号支撑杆带动三号支撑杆运动，三号支撑杆撑起囊体，直至一号压紧机构滑动到滑套末端，此时，浆液将球阀顶开，浆液从注浆通道流入囊体内，待囊体内逐渐被浆液填充满，随着浆液的持续注入，将注浆压力增大至Q~2Q，囊体体积扩充至设定值且一号支撑杆、二号支撑杆、三号支撑杆全部打开至设定位置，与此同时，浆液从排浆通道溢出，当浆液从钻孔孔口溢出，持续注浆1min~2min；

步骤五：预应力张拉

待固化材料浆液终凝后且注浆完成5-10天后，采用千斤顶对锚杆进行张拉，随着张拉力的增大锁止塞向二号压紧机构内移动，锁止塞表面的咬合齿与二号压紧机构咬合，待张拉力达到设计值后保持张拉1min~2min；

步骤六：施工结束。

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