CN114150665B - 基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构及其施工方法，所述施加机构包括基坑边坡以及锚杆，基坑边坡上安装有锚杆，锚杆贯穿基坑边坡的一侧外部套设有锚固段类膨胀螺栓式套筒，锚杆的另一侧端部套设有螺母，基坑边坡与螺母之间设有联结垫片；所述施工方法包括打孔、锚杆下料、套装套筒、安装预警系统、灌浆、柔性垫片安装、施加预应力。本发明采用新型类膨胀螺栓式套筒降低了锚固段长度，降低施工难度的同时，增强了锚固效果，改变了传统采用大型机械施加预应力的方式，简化了施工工艺，引入的新型预警系统不仅可以提前预警，还可以实现基坑位移的实时监测，呈现可视效果更佳三维位移图。

Description

基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构及其施工方法

技术领域

本发明涉及基坑施工技术领域，特别是基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构及其施工方法。

背景技术

建筑行业作为国家一项非常重要的行业，与其相关的施工工艺的更新，为这个行业的发展起到了至关重要的作用。尤其是在工程基坑施工过程中，基坑坍塌事故对施工人员的生命安全以及财产安全时刻产生着巨大的威胁。为防止基坑坍塌事故，工程中多选用土钉墙、预应力锚杆、工程桩等手段对基坑进行支护。在浅基坑以及规模不超过10米的基坑支护中，土钉墙是最为常见的支护方式。而通过对发生事故的基坑工程进行调查发现，土钉墙支护在基坑坍塌过程中很少出现土钉破断现象，即土钉墙对基坑的支护减弱了其最为重要的拉结功能。因此，在此类基坑支护中预应力锚杆本应该是最为合适的支护方式，但传统的预应力锚杆施工方法较为复杂，成本较高，导致了此类基坑中很少用到预应力锚杆进行支护。

传统的预应力锚杆施工方法多使用专门的形变量较好的锚索，通过施加足够长的锚固段，使用锚固浆进行锚固后，再使用专用的预应力施加机械施加预应力。这种方法不仅需要大型机械配合，会对基坑边坡产生荷载扰动，也会加大施工难度。最为重要的是，这种支护方式导致锚固段不可避免的被设计加长，用以承受自由段预应力的拉力，而锚固段的加长不仅加大施工难度，也增加了施工成本。另外，该种预应力施加方式无法破解支护材料回收的问题，一旦建筑出正负零以后，需要回填土前，基坑的支护材料多会随基坑回填土被埋入土下，导致大量的支护材料被浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构的施工方法，解决了现有的技术问题。

实现上述目的本发明的技术方案为：基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构，包括基坑边坡以及锚杆，所述基坑边坡上安装有锚杆，所述锚杆贯穿基坑边坡的一侧外部套设有锚固段类膨胀螺栓式套筒，所述锚杆的另一侧端部套设有螺母，所述基坑边坡与螺母之间设有联结垫片，所述锚杆上连接有预警系统贯通至基坑边坡外侧；

所述锚固段类膨胀螺栓式套筒外分别环设有若干类膨胀螺栓式套筒反齿，若干所述类膨胀螺栓式套筒反齿交错布置有若干类膨胀螺栓式套筒螺旋状反齿；

所述锚固段类膨胀螺栓式套筒外部包裹有锚固浆液。

所述锚杆包括：锚杆螺丝端头、锚杆自由段以及锚杆锚固段；

所述锚杆插入基坑边坡的一段为锚杆锚固段，所述锚杆外露于基坑边坡且与螺母连接的一段为锚杆螺丝端头，所述锚杆外露于螺母一段为锚杆自由段。

所述预警系统包括：应变片、信号转换器、警报器、信号读取器、硬质套管以及防护装置；

所述应变片连接于锚杆锚固段上，所述应变片连接于信号转换器上，所述信号转换器外设置有防护装置，所述信号读取器连接于信号转换器上，所述信号转换器上连接有警报器，所述应变片与信号转换器之间的连线上套设有硬质套管。

所述联结垫片由若干与地面平行的水平联结垫片以及垂直于若干水平联结垫片的若干竖向联结垫片组成。

基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构的施工方法，具体的施工步骤包括：

S1使用专用打孔机，在基坑边坡上进行打孔，开孔直径应大于锚杆直径5-10mm的步骤。

S2使用锚杆进行下料，下料长度应控制在比孔深长0.5m左右的步骤。

S3在孔内施加类膨胀螺栓套筒的步骤。

S4随后将螺纹钢插入孔内底部的步骤。

S5灌浆。

S6安装垫片。

S7安装螺母，施加预应力。

进一步，所述步骤S1中打孔前应根据不同的地质情况以及土质情况，选择不同长度的锚固长度，孔深随之进行变化。

进一步，所述步骤S2中锚杆采用为螺纹钢，即普通的三级钢可以作为代替传统的锚杆，螺纹钢端部采用机械进行拉丝，用以施加螺母。

进一步，所述步骤S3需将螺纹钢提前插入套筒端部，在不影响套筒反齿的情况下随套筒一起插入，防止套筒先施加后导致的螺纹钢不能顺利插入套筒。

进一步，所述步骤S4螺纹钢插入过程中，反齿的设计不影响螺纹钢的插入，且由于土质边坡，插入过程不会有较大困难。其次，在锚杆的自由段施加应变片，采用导线连接，导入外部环境后连接监测仪器，可以通过监测锚杆形变量，进一步监测基坑边坡的位移形变，通过外部连接的监测设备，将应变片的形变量信号转换为电信号，由外接报警器提前发出预警，防止人员伤亡事故的发生。同时，外接设备，可以通过信号转换器接入监测设备，实时监测基坑边坡的位移量。其次，应变片不需要在每根锚杆上进行安装，只需要分区域进行安装，每一侧边坡安装3-5个即可。

进一步，所述步骤S5应根据套筒长度，提前计算出灌浆深度，要求灌浆深度超出类膨胀螺栓套筒高度0.5m左右即可。由于第一次灌浆可能不够密实，且周围土质会吸收一部分浆液，因此灌浆过程要分两次，保证浆液能够充满类膨胀螺栓套筒以及要求的孔深。

进一步，所述步骤S6垫片是根据联合作用受力设计，通过条状类柔性钢垫片，将基坑边坡联结为一个受力整体，在局部出现受力不均匀导致的坍塌事故中，联结性垫片可以在锚杆的有效拉结下，限制土体的位移，从而实现更有效的支护。

进一步，所述步骤S7中，安装螺母后，通过对施加螺母的扭矩，间接判断锚杆所受拉力，从而达到预应力的施加，简化了机械施工的难度。。

有益效果：

（1）采用快捷简单的预应力锚杆施加方式，不仅极大的提升了锚固段的锚固效果，也有效的降低了锚固段的长度，避免了较大的浪费。同时，自由段端部的螺母与垫片均可以进行二次回收利用。

（2）类膨胀螺栓式套筒不仅降低了施工难度，并且是锚固效果提升明显，进一步改善了浅基坑以及10米以内的深基坑支护结构，完善了此类基坑支护方式。

（3）根据不同的基坑周围边坡土体情况，可以提前计算出基坑边坡坍塌的破裂角，通过对破裂角的拟合，演算出破裂面可能出现的范围，可以提前确定类膨胀螺栓式套筒反齿的数量，以及套筒的长度，这极大的降低了材料浪费的可能性。

（4）通过在预应力锚杆的自由段安装应变片，从而实现边坡一旦出现超预警值的位移量时，可以尽早的通过警报的形式提醒工程施工人员，避免人员伤亡事故的发生。

（5）联结式垫片通常应用于煤矿的开采研究中，但这种工具应用在基坑边坡的支护中，可以起到更大的作用。联结式垫片通过与单体的预应力锚杆结合，将整个边坡的承载体系贯通，一条直径300毫米的联结式垫片，通过预应力锚杆的拉结，周围土体沿轴心扩散原理，可以拉住周围至少半米以上的土体。最重要的是，垫片可以重新回收利用。

（6）应变片与警报装置之间有信号转换器，不仅可以将突变的土体位移量进行警报，还可以外接解读器，实时监测周围土体的位移形变量，进而计算出锚杆目前所受的承载力，以防止锚杆受力过大出现破裂失效的情况。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的锚固段结构示意图；

图3是本发明的类膨胀螺栓式套筒反齿位置示意图；

图4是本发明的类膨胀螺栓式套筒反齿结构示意图；

图5是本发明的类膨胀螺栓式套筒螺旋状反齿位置示意图；

图6是本发明的类膨胀螺栓式套筒螺旋状反齿结构示意图；

图7是本发明的锚杆示意图；

图8是本发明的基坑边坡外立面结构示意图；

图9是本发明基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加的施工方法中的预警系统示意图。

图中：1、锚固段类膨胀螺栓式套筒；11、类膨胀螺栓式套筒反齿；12、类膨胀螺栓式套筒螺旋状反齿；2、锚固浆液；3、基坑边坡；4、锚杆；41、锚杆螺丝端头；42、锚杆自由段；43、锚杆锚固段；5、螺母；6、联结垫片；61、水平联结垫片；62、竖向联结垫片；7、预警系统；71、应变片；72、信号转换器；73、警报器；74、信号读取器；75、硬质套管；76、防护装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-9所示。

通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。

实施例：通过锚固段类膨胀螺栓式套筒1与基坑边坡3的土体进行拉结，由锚杆4通过插入套筒后开始起作用，随后锚固浆液2的灌入更进一步的增强了锚固力，使锚杆4与锚固段类膨胀螺栓式套筒1紧密结合的情况下，与基坑边坡3的结合更加牢固，极大的增强了锚固效果，也有效的减小了锚固段的长度，避免了材料的浪费。其次，由于采用的是螺母5式施加预应力，避免了大型机械的进场，降低了施工难度。联结垫片6的使用，将基坑边坡3的整个立面联结为一个整体的受力结构，可以充分的利用锚杆的抗拉性能。预警系统7的加入，对人身安全起到至关重要的作用，相比较传统的基坑边坡3位移监测方式，预警系统7的使用，可以实时自动进行监测，并有效的传输数据，为工程项目做出超前警报，避免了实际施工中伤亡事故的发生。

如图2至图4可知，类膨胀螺栓式套筒1在侧壁有反齿12，反齿12在锚杆4插入后，会由缩在套筒内的初始状态向外伸出，随着锚杆4的插入，类膨胀螺栓式套筒1侧壁的所有反齿12将全部向外伸出，并嵌入周围土体。此时，套筒可以紧紧的拉住土体，在锚杆4受到外部土体位移时的拉力后，套筒会提供给锚杆4一个向孔内的一个反作用力，起到锚固力的效果。锚杆4随套筒入孔过程中，不能提前插入过多，导致反齿12提前膨胀开，进而影响锚固效果。其次，一旦反齿12提前产生膨胀，锚杆4便不能退回，且套筒也无法退出。由于反齿12入土深度不同，能提供的反力不同，若深部支护需要较大的锚固力，则可以提前改变反齿的设计，改为如图5至图6的螺旋状反齿12设计，此种设计可以极大的提高反齿12入土深度，能提供更大的锚固力。螺旋状反齿12外伸长度最大可以达到土体孔的直径，并且螺旋状反齿12与套筒留有间隙，后期灌浆不受到影响。

如图7锚杆4端部为提前用机械车丝后的螺丝状，车丝长度约为0.5m-1.0m，由于预应力施加后锚杆4的自由段会被拉伸，拉伸长度取决于施加的预应力大小，根据不同的支护需求，可以提前确定预应力施加的值，进而确定车丝长度。锚杆4锚固段同样为丝状结构，该结构是为了与类膨胀螺栓式套筒反齿1形成啮合力，确保锚杆4能充分受到套筒的拉力。

螺母5直接在与锚杆4端部接合，通过螺母5扭矩的变化，可以间接计算出锚杆4自由段施加的预应力值，减少机械施加预应力时的施工难度，以及预应力值施加时需要确定的难度。

垫片6的宽度为300mm至500mm，厚度为5mm。当基坑深度不大时，不低于200mm。若基坑深度过大，可适当提高垫片宽度以及厚度。

基坑边坡3临空面通过垫片6的覆盖，垫片6由锚杆4进行拉结，实现对土体边坡的固化。如图8至图9可知，水平联结垫片61与竖向联结垫片62在交点处通过锚杆4进行共同拉结，如此，两个方向的垫片6可以成为一个整体，在垫片6中间无覆盖的土体，会受到垫片6的辐射型拉结，朝土体内部提供一个扩散的力，进而土体内部会有更大面积被约束，垫片6的密集程度也直接影响土体内部的交叉受力，垫片6越密集，内部土体交叉受力越大，对土体的约束效果越好。

应变片71外接导线汇聚到一个导线处，再通过信号转换器72进行信号转换，最终实现预警目的。

锚杆4的布设采用梅花桩式布置，垫片7的布设应隔一布一，中间隔一排锚杆4进行布设。

基坑边坡面积较大，若每个临空面都安装若干个信号转换器72以及警报器73，成本较高，并且是非必要。每侧临空面安装3-5处应变片71，外接导线汇总至一处，安装警报器73，整个基坑边坡安装不超过6个警报器73即可。同时，应变片71安装位置为每处上中下三个点，在同一竖向联结垫片62上。

预警系统7主要作用是针对不同的基坑边坡3的临空面的超限位移进行提前预警，因此在每一侧应分别安装警报器73。应变片71的外接导线在垫片6处应用硬质套管75防护，防止垫片6受力后将导线挤破。信号转换器72可以外接多个应变片71的外接导线，每一侧临空面只需加装一个信号转换器72，一方面，当基坑边坡3临空面位移值突变时，或不正常增大时，信号转换器72可以直接输出信号至警报器73，产生警报提示。另一方面，信号转换器72可以将收集到的各锚杆4位移值进行输出，由信号读取器74进行读取并处理后生成三位图像，显示出每侧临空面当前的阶段位移值、总位移值以及超限位移值。

信号转换器72以及警报器安放在专门的不易受干扰以及防护装置76中，以保证其不受外力导致损毁。

本发明基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加的施工方法的有益效果包括：

1.通过采用新型类膨胀螺栓式套筒降低了锚固段长度，减少了材料的浪费，且施工工艺简单，降低施工难度的同时，增强了锚固效果。

2.通过锚杆端部的螺栓式锚固，改变了传统采用大型机械施加预应力的方式，降低了施工成本，简化了施工工艺。

3.跨行业的联结型垫片的引入，不仅使传统工艺中材料回收困难的问题得以解决，也增强了基坑支护的效果，还能通过不同的支护要求及时改变垫片的规格，极大的降低了施工成本。

4.预警系统在基坑支护中使用较少，引入的新型预警系统为基坑支护的安全保证提供了新的手段，并且本发明中的预警系统不仅可以提前预警，还可以实现基坑位移的实时监测，呈现可视效果更佳三维位移图，为施工监测提供简单便捷的新型方式。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构的施工方法，包括基坑边坡（3）以及锚杆（4），所述基坑边坡（3）上安装有锚杆（4），所述锚杆（4）贯穿基坑边坡（3）的一侧外部套设有锚固段类膨胀螺栓式套筒（1），所述锚杆（4）的另一侧端部套设有螺母（5），所述基坑边坡（3）与螺母（5）之间设有联结垫片（6），所述锚杆（4）上连接有预警系统（7）贯通至基坑边坡（3）外侧；

所述锚固段类膨胀螺栓式套筒（1）外环设有若干类膨胀螺栓式套筒反齿（11）；所述锚固段类膨胀螺栓式套筒（1）外部包裹有锚固浆液（2）；

所述锚杆（4）包括：锚杆螺丝端头（41）、锚杆自由段（42）以及锚杆锚固段（43）；

所述锚杆（4）插入基坑边坡（3）的外部包裹有锚固浆液的一段为锚杆锚固段（43），所述锚杆（4）外露于基坑边坡（3）且与螺母（5）连接的一段为锚杆螺丝端头（41），位于锚杆螺丝端头（41）与锚杆锚固段（43）之间的一段为锚杆自由段（42）；

锚杆（4）的锚杆锚固段（43）为丝状结构；

类膨胀螺栓式套筒反齿（11）的初始状态缩在类膨胀螺栓式套筒（1）内；

锚杆（4）插入类膨胀螺栓式套筒（1）后，类膨胀螺栓式套筒反齿（11）向外伸出，并且类膨胀螺栓式套筒反齿（11）与锚杆（4）的锚杆锚固段（43）啮合；

所述预警系统（7）包括：应变片（71）、信号转换器（72）、警报器（73）、信号读取器（74）、硬质套管（75）以及防护装置（76）；

所述应变片（71）连接于锚杆（4）自由段上，所述应变片（71）连接于信号转换器（72）上，所述信号转换器（72）外设置有防护装置（76），所述信号读取器（74）连接于信号转换器（72）上，所述信号转换器（72）上连接有警报器（73），所述应变片（71）与信号转换器（72）之间的连线上套设有硬质套管（75）；

所述联结垫片（6）由若干与地面平行的水平联结垫片（61）以及垂直于若干水平联结垫片（61）的若干竖向联结垫片（62）组成；

其特征在于，所述基坑类膨胀螺栓式预应力锚杆施加机构的施工方法，包括如下步骤：

步骤S1、打孔，步骤S2、锚杆下料，步骤S3、套装套筒，步骤S4、安装预警系统，步骤S5、灌浆，步骤S6、柔性垫片安装，步骤S7、施加预应力；

步骤S1：使用专用打孔机，在基坑边坡上进行打孔，开孔直径应大于锚杆直径5-10mm的步骤；

步骤S2：使用锚杆进行下料，下料长度应控制在比孔深长0.5m左右的步骤；

步骤S3：在孔内施加锚固段类膨胀螺栓式套筒，锚杆采用螺纹钢，将螺纹钢提前插入套筒端部，在不影响套筒反齿的情况下随套筒一起插入；

步骤S4：随后将螺纹钢插入孔内底部，在锚杆的自由段施加应变片，采用导线连接，导入外部环境后连接监测仪器；

步骤S5：根据套筒长度，提前计算出灌浆深度，要求灌浆深度超出类膨胀螺栓套筒高度0.5m左右即可；

步骤S6：根据联合作用受力设计，通过条状类柔性钢垫片，将基坑边坡联结为一个受力整体；

步骤S7：安装螺母，安装螺母后，通过对施加螺母的扭矩，间接判断锚杆所受拉力，从而达到预应力的施加；

通过锚固段类膨胀螺栓式套筒（1）与基坑边坡（3）的土体进行拉结，由锚杆（4）通过插入套筒后开始起作用，随后锚固浆液（2）的灌入使锚杆（4）与锚固段类膨胀螺栓式套筒（1）紧密结合，与基坑边坡（3）的结合更加牢固，采用的是螺母（5）式施加预应力，联结垫片（6）将基坑边坡（3）的整个立面联结为一个整体的受力结构，预警系统（7）的加入，实时自动进行监测，并有效的传输数据；

锚固段类膨胀螺栓式套筒（1）在侧壁有类膨胀螺栓式套筒反齿（11），类膨胀螺栓式套筒反齿（11）在锚杆（4）插入后，由缩在套筒内的初始状态向外伸出，随着锚杆（4）的插入，类膨胀螺栓式套筒（1）侧壁的所有类膨胀螺栓式套筒反齿（11）将全部向外伸出，并嵌入周围土体，套筒紧紧的拉住土体，在锚杆（4）受到外部土体位移时的拉力后，套筒会提供给锚杆（4）一个向孔内的一个反作用力；

锚杆（4）端部为提前用机械车丝后的螺丝状，车丝长度为0.5m～1.0m；

预应力施加后锚杆（4）的自由段会被拉伸，锚杆（4）锚固段同样为丝状结构；

螺母（5）直接与锚杆（4）端部接合，通过螺母（5）扭矩的变化，间接计算出锚杆（4）自由段施加的预应力值；

基坑边坡（3）临空面通过联结垫片（6）覆盖，联结垫片（6）由锚杆（4）进行拉结，水平联结垫片（61）与竖向联结垫片（62）在交点处通过锚杆（4）进行共同拉结；

应变片（71）外接导线汇聚到一个导线处，再通过信号转换器（72）进行信号转换；

锚杆（4）的布设采用梅花桩式布置，垫片（6）的布设应隔一布一，中间隔一排锚杆（4）进行布设；

基坑边坡面积较大，每侧临空面安装3～5处应变片（71），外接导线汇总至一处，安装警报器（73），整个基坑边坡安装不超过6个警报器（73），同时应变片（71）安装位置为每处上中下三个点，在同一竖向联结垫片（62）上；

基坑边坡（3）的临空面每一侧应分别安装警报器（73），应变片（71）的外接导线在联结垫片（6）处应用硬质套管（75）防护，防止联结垫片（6）受力后将导线挤破，信号转换器（72）外接多个应变片（71）的外接导线，每一侧临空面只需加装一个信号转换器（72），当基坑边坡（3）临空面位移值突变时，信号转换器（72）直接输出信号至警报器（73），产生警报提示；另一方面，信号转换器（72）将收集到的各锚杆（4）位移值进行输出，由信号读取器（74）进行读取并处理后生成三位图像，显示出每侧临空面当前的阶段位移值、总位移值以及超限位移值；

信号转换器（72）以及警报器安放在防护装置（76）中。