CN112609714B - 一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，包括锚墩和内锚头，锚墩与内锚头通过螺纹钢筋连接；内锚头包括保护罩、设置在保护罩内部的活塞机构、设置在保护罩内并与保护罩连接的承力转换板以及设置在保护罩外侧的密封板，承力转换板与活塞机构的固定端连接，活塞机构的活动端连接有承载板；螺纹钢筋依次穿过密封板、保护罩、承力转换板及活塞机构后与承载板连接；活塞机构的活动端能够在保护罩内带着承载板移动；本发明还公开了一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构的使用方法。本发明基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，可适应膨胀土边坡干湿循环条件，根据膨胀土不同工况自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性。

Description

一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构及使用方法

技术领域

本发明涉及一种边坡治理技术领域，具体涉及一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构；另外，本发明还涉及一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构的使用方法。

背景技术

锚杆作为一种常见的滑坡防治措施，通过锚固段嵌入滑床稳定岩土中，中部设置自由段，表层与框格梁等反力装置配合使用，能实现表层防护及深部加固的统一。

但对于膨胀土边坡，在干湿循环条件下，土体脱湿过程会产生干缩及大量裂纹，此时由于膨胀土有干缩变形则锚杆预应力会随之产生损失；吸湿过程，膨胀土产生40％以上膨胀，此时边坡将产生指向坡外的变形，预应力将增加，且大气急剧影响深度内(通常5m)的注浆圆柱体将承受指向坡外的切向膨胀力，注浆体有被拔出可能。反复干湿循环作用使得土性会产生更大的劣化，砂浆与土体界面逐渐劣化，使得锚杆容易失效。

在实践工程中，工程师往往避免在膨胀土地区使用锚杆，用桩、挡墙、格构来替代，但这样做的结果是某些工程在合理性及经济方面都有所欠缺，因此，亟需研究可适应膨胀土滑坡不同工况可自动调节预应力的新型锚杆结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，该锚杆结构基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，其可适应膨胀土边坡干湿循环条件，可根据膨胀土不同工况自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

1.本发明的基本构思如下：

(1)压力型氮气锚杆结构如下：为避开大气急剧影响深度的不良作用，采用压力型锚杆，在孔口附近(深度5m)不注浆，采用螺纹钢筋、防腐管及油脂的方式防腐。

基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，根据理想气体状态方程，气体的压强与体积呈反比。土体膨胀时，压力有变大趋势，气体压缩，由于气体压缩的行程远大于膨胀量，此时膨胀位移全部由活塞承担，使得压力的增加远小于不设置活塞的锚杆；干缩时，压力有减小趋势，气体膨胀，由于气体膨胀的行程远大于干缩量，此时干缩位移全部由活塞承担，使得压力的损失远小于不设置活塞的锚杆。

具体而言，活塞机构由活塞、氮气容器、密封圈、进气阀组成。活塞可沿氮气容器的内壁自由行走，其接触部位设置密封圈。

螺纹钢筋依次穿过密封板、承力转换板、氮气容器、活塞、承载板，螺纹钢筋与承载板使用螺栓连接。

螺纹钢筋与密封板、承力转换板、氮气容器、活塞的间隙处设置密封圈。

保护罩将整个内锚头保护起来，以免浆液进入内锚头。

由于相对于氮气活塞的位移相比，螺纹钢筋的变形可以忽略不计，此时活塞会随着工况变化(干缩、膨胀)而来回行走，使得锚杆在干缩工况下不至于预应力损失过大，也不会在膨胀工况下预应力过大被拉断或被拔出。

(2)压力型氮气锚杆结构使用方法如下：

S1：按照工程需求，先确定预应力大小及最大膨胀形变量，以此确定初始压力及有效行程，其初始压力应略小于预应力；初始充气压强可为5-15MPa，根据初始压力大小及初始压强确定活塞有效面积；然后根据理想气体状态方程及有效行程，选择合适的高度，其中在有效行程内预应力大小不发生很大的改变。

S2：选择合适的活塞及氮气容器尺寸、初始压力、活塞行程及设计压强制作氮气活塞机构，其由活塞；氮气容器；密封圈；进气阀组成；活塞可沿氮气容器的内壁自由行走，其接触部位设置密封圈。

S3：按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求定孔位、成孔；

S4：将螺纹钢筋依次穿过密封板、承力转换板、氮气容器、活塞、承载板、 1螺母的中空处；螺纹钢筋与承载板使用螺栓连接；

S5：使用保护罩将整个内锚头(保护罩内的各部件)保护起来，以免后续浆液过程中浆液进入内锚头内部；

S6：按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求下锚杆并注浆；

S7：按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求及工程情况进行初始张拉。

由于相对于氮气活塞的位移相比，螺纹钢筋的变形可以忽略不计，此时活塞会随着工况变化(干缩、膨胀)而来回行走，使得锚杆在干缩工况下不至于预应力损失过大，也不会在膨胀工况下预应力过大被拉断或被拔出。

2.本发明的具体方案如下：

一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，包括锚墩和内锚头，锚墩与内锚头通过螺纹钢筋连接；内锚头包括保护罩、设置在保护罩内部的活塞机构、设置在保护罩内并与保护罩连接的承力转换板以及设置在保护罩外侧的密封板，承力转换板与活塞机构的固定端连接，活塞机构的活动端连接有承载板；螺纹钢筋依次穿过密封板、保护罩、承力转换板及活塞机构后与承载板连接；活塞机构的活动端能够在保护罩内带着承载板移动。

其中，活塞机构包括氮气容器和活塞，活塞滑动配设在氮气容器内后活塞可自由滑动，氮气容器与承力转换板固定连接，活塞右端与承载板连接，螺纹钢筋穿过氮气容器和活塞后与承载板连接，氮气容器和活塞之间设置有密封圈，氮气容器内充有氮气。

进一步限定，螺纹钢筋通过一螺母与承载板连接。

进一步优化，氮气容器连接有进气阀。

其中，螺纹钢筋与密封板、承力转换板、氮气容器及活塞之间的间隙处设置有密封圈。

进一步限定，密封板与保护罩之间通过螺栓连接。

进一步优化，螺纹钢筋外设置有防腐管。

一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：按照工程需求，先确定预应力大小及最大膨胀形变量，以此确定初始压力及有效行程，其初始压力小于预应力；其中，初始充气压强为5-15MPa，根据初始压力大小及初始压强确定活塞有效面积；然后根据理想气体状态方程及有效行程，选择合适的高度，其中在有效行程内预应力大小不发生较大的改变；

步骤2：设计活塞机构，即：按照工程需求，选择合适活塞7及氮气容器8 的尺寸、初始压力、活塞行程及设计压强制作氮气活塞机构；

步骤3：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015的要求定孔位、成孔；

步骤4：将螺纹钢筋依次穿过密封板、承力转换板、氮气容器、活塞后与承载板固定连接；

步骤5：使用保护罩进行保护，避免后续浆液过程中浆液进入保护罩内；

步骤6：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求下锚并注浆；

步骤7：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求及工程情况进行初始张拉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种可适应膨胀土边坡干湿循环条件下的锚杆结构，采用压力型锚杆，在孔口附近(深度5m)不注浆，避开大气急剧影响深度的不良作用。

本发明提供了一种可适应膨胀土边坡干湿循环条件下的锚杆结构基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，构造了一种新型内锚头结构。根据理想气体状态方程，气体的压强与体积呈反比，膨胀时，压力有变大趋势，气体压缩，由于气体压缩的行程远大于膨胀量，此时膨胀位移全部由活塞承担，使得压力的增加远小于不设置活塞的锚杆；干缩时，压力有减小趋势，气体膨胀，由于气体膨胀的行程远大于干缩量，此时干缩位移全部由活塞承担，使得压力的损失远小于不设置活塞的锚杆。

该锚杆结构基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，其可适应膨胀土边坡干湿循环条件，可根据膨胀土不同工况自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明在充入氮气时活塞压力与位移的关系示意图。

图2为本发明整体结构示意图。

图3为本发明内锚头整体结构示意图。

图4为本发明初始张拉状态示意图。

图5为本发明土体干缩工况下的状态示意。

图6为本发明土体膨胀工况下的状态示意。

附图标记：1-膨胀土，2-内锚头，3-砂浆，4-锚墩，5-螺纹钢筋，6-防腐管，7-活塞，8-氮气容器，9-密封圈，10-进气阀，11-承力转换板，12-密封板， 13-螺栓，14-螺母，15-保护罩，16-承载板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本实施例公开了一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，包括锚墩4 和内锚头2，锚墩4与内锚头2通过螺纹钢筋5连接；内锚头2包括保护罩15、设置在保护罩15内部的活塞机构、设置在保护罩15内并与保护罩15连接的承力转换板11以及设置在保护罩15外侧的密封板12，承力转换板11与活塞机构的固定端连接，活塞机构的活动端连接有承载板16；螺纹钢筋5依次穿过密封板12、保护罩15、承力转换板11及活塞机构后与承载板16连接；活塞机构的活动端能够在保护罩15内带着承载板16移动。

进一步优化，活塞机构包括氮气容器8和活塞7，活塞7滑动配设在氮气容器8内后活塞7可自由滑动，氮气容器8与承力转换板11固定连接，活塞7右端与承载板16连接，螺纹钢筋5穿过氮气容器8和活塞7后与承载板16连接，氮气容器8和活塞7之间设置有密封圈9，氮气容器8内充有氮气。

其中，螺纹钢筋5通过一螺母14与承载板16连接。

其中，氮气容器8连接有进气阀10。

其中，螺纹钢筋5与密封板12、承力转换板11、氮气容器8及活塞7之间的间隙处设置有密封圈9。

进一步优化，密封板12与保护罩15之间通过螺栓13连接。

进一步优化，螺纹钢筋5外设置有防腐管6。

该锚杆结构基于惰性气体氮气的稳定性及可压缩性，其可适应膨胀土1边坡干湿循环条件，可根据膨胀土1不同工况自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性。

另外，本实施例还公开了一种膨胀土1边坡防护的压力型氮气锚杆结构的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：按照工程需求，先确定预应力大小及最大膨胀形变量，以此确定初始压力及有效行程，其初始压力小于预应力；其中，初始充气压强为5-15MPa，根据初始压力大小及初始压强确定活塞7有效面积；然后根据理想气体状态方程及有效行程，选择合适的高度，其中在有效行程内预应力大小不发生较大的改变；

步骤2：设计活塞机构，即：按照工程需求，选择合适活塞7及氮气容器8 的尺寸、初始压力、活塞行程及设计压强制作氮气活塞机构；

步骤3：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015的要求定孔位、成孔；

步骤4：将螺纹钢筋5依次穿过密封板12、承力转换板11、氮气容器8、活塞7后与承载板16固定连接；

步骤5：使用保护罩15进行保护，避免后续浆液过程中浆液进入保护罩15 内；

步骤6：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求下锚并注浆；

步骤7：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求及工程情况进行初始张拉。

为了更清楚的阐述本发明，下面结合具体的实施例子来对本发明做进一步说明。

具体实施例如下：

某膨胀土1边坡，平面形态长条形，坡向75°，长52m，宽370m，滑面埋深3m～5m，滑体物质为第四系残积(Q4el)黏土，自由膨胀率约66％，为中等膨胀土1，大气急剧影响层深度4m，根据多年实测资料，最大膨胀量为31.25mm，最大干缩变形量为18.55mm。该滑坡拟采用格构锚杆工程进行治理，预应力拟设为55kN，但由于存在较大的膨胀变形及干缩变形，传统锚杆可能面临预应力损失过大或者破坏失效的情况故采用适用于膨胀土1边坡的氮气压力型锚杆结构。

具体实施步骤为：

A.根据工程条件，预应力拟设为50kN，锚杆选用直径25mm螺纹钢，最大膨胀量为31.25mm，最大干缩变形量为18.55mm。为使尺寸取整，取其初始力约为 42.4kN，初始注入15MPa氮气，容器外径90mm，内径60.5mm，高度150mm。由理想气体状态方程，氮气活塞7压力与位移的关系详见图1，初始力为42.4kN，当行程为40mm时，压力为57.8kN，达到设计值要求。极端工况下，当其膨胀量为31.25mm时，系统压力(锚杆预应力)为79.4kN,当其干缩变形量为18.55mm 时，系统压力(锚杆预应力)为49.5kN。无论哪种工况，锚杆均能正常发挥其效能，保证治理工程的有效性。

B.按照工程需求，选择合适活塞7及氮气容器8的尺寸、初始压力、活塞行程及设计压强制作氮气活塞机构。

C.按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求定孔位、成孔。

D.将5-螺纹钢筋5依次穿过密封板12、承力转换板11、氮气容器8、活塞 7、承载板16、螺母14的中空处；螺纹钢筋5与承载板16使用螺栓13连接。

E.使用保护罩15将整个内锚头2保护起来，以免后续浆液过程中浆液进入内锚头2。

F.按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求下锚杆并注浆。

G.按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015》要求及工程情况进行初始张拉，初始张拉力为60kN。

H.由于相对于氮气活塞7的位移相比，螺纹钢筋5的变形可以忽略不计，此时活塞7会随着工况变化(干缩、膨胀)而来回行走，使得锚杆在干缩工况下不至于预应力损失过大，也不会在膨胀工况下预应力过大被拉断或被拔出。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：包括锚墩和内锚头，锚墩与内锚头通过螺纹钢筋连接；内锚头包括保护罩、设置在保护罩内部的活塞机构、设置在保护罩内并与保护罩连接的承力转换板以及设置在保护罩外侧的密封板，承力转换板与活塞机构的固定端连接，活塞机构的活动端连接有承载板；螺纹钢筋依次穿过密封板、保护罩、承力转换板及活塞机构后与承载板连接；活塞机构的活动端能够在保护罩内带着承载板移动；活塞机构包括氮气容器和活塞，活塞滑动配设在氮气容器内后活塞可自由滑动，氮气容器与承力转换板固定连接，活塞右端与承载板连接，螺纹钢筋穿过氮气容器和活塞后与承载板连接，氮气容器和活塞之间设置有密封圈，氮气容器内充有氮气。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：螺纹钢筋通过一螺母与承载板连接。

3.根据权利要求2所述的一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：氮气容器连接有进气阀。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：螺纹钢筋与密封板、承力转换板、氮气容器及活塞之间的间隙处设置有密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：密封板与保护罩之间通过螺栓连接。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构，其特征在于：螺纹钢筋外设置有防腐管。

7.一种膨胀土边坡防护的压力型氮气锚杆结构的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：按照工程需求，先确定预应力大小及最大膨胀形变量，以此确定初始压力及有效行程，其初始压力小于预应力；其中，初始充气压强为5-15MPa，根据初始压力大小及初始压强确定活塞有效面积；然后根据理想气体状态方程及有效行程，选择合适的高度，其中在有效行程内预应力大小不发生较大的改变；

步骤2：设计活塞机构；

步骤3：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015的要求定孔位、成孔；

步骤4：将螺纹钢筋依次穿过密封板、承力转换板、氮气容器、活塞后与承载板固定连接；

步骤5：使用保护罩进行保护，避免后续浆液过程中浆液进入保护罩内；

步骤6：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求下锚并注浆；

步骤7：根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范GB50086-2015要求及工程情况进行初始张拉。

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