CN115233749B - 一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置及其施工方法，用于对红层软岩形成的边坡稳定性测试，所述试验装置包括锚固单元，锚固单元包括钢筒、锥形套帽、外螺纹堵头和角钢倒刺，钢筒底部与锥形套帽连接，钢筒的顶部与外螺纹堵头螺纹连接，角钢倒刺倾斜布置在钢筒的外壁上，且朝向边坡的外侧延伸；注浆单元包括排水管、隔挡板、注浆管和帽盖，排水管的一端位于边坡外部，另一端穿过外螺纹堵头和隔挡板并延伸到钢筒的底部，隔挡板封堵在钢筒的内部，注浆管平行于排水管且位于隔挡板与帽盖之间，帽盖适于连接在注浆管的顶部且位于外螺纹堵头的下方；排水单元与排水管连接。本发明在加固坡体内土体后，将其变为排水结构以巩固加固效果。
Description
技术领域
本发明涉及边坡工程技术领域，具体涉及一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置及其方法。
背景技术
红层软岩是一种特殊岩土，具有易崩解、易风化、遇水易软化等特点。特别是在西南地区,由于铁路所经地区山间谷地众多,气候湿润多雨,排水不畅,这种特殊环境地质条件下,这些软硬相间岩层中,软弱岩层成为红层岩土体薄弱部位,软弱结构面的存在是红层滑坡等病害的主要原因,软硬岩层差异风化明显,岩体中节理发育,岩体破碎,常在工程中引起边坡的崩塌破坏。随着红层地区工程建设发展,红层软岩边坡的稳定性成为影响工程建设的一个重要问题。
在现有的保持红层软岩边坡稳定性的技术方案中，一般通过仰斜排水孔、压力注浆、生态防护、锚杆或者土钉等方法加固，但仰斜排水孔的淤堵问题,严重影响了排水孔使用的安全可靠性；压力注浆加固效果不明显；生态防护时效较长，且费时费力；锚杆或者土钉施工复杂、费用较高。
综上，单一的加固方法并不能同时兼顾加固效果、时间、施工、经济等问题，故需要一种综合的边坡加固方法去解决红层软岩边坡稳定性问题。
发明内容
为克服现有红层软岩边坡加固技术的经济及排水淤堵技术问题，本发明提供一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置及其方法，以用于解决红层软岩边坡施工加固的经济及排水淤堵技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，用于对红层软岩形成的边坡进行稳定性测试，所述试验装置包括：
锚固单元，所述锚固单元包括倾斜向下设置的钢筒、锥形套帽、外螺纹堵头和角钢倒刺，所述钢筒的底部与所述锥形套帽连接，所述钢筒的顶部与所述外螺纹堵头螺纹连接，所述角钢倒刺倾斜布置在所述钢筒的外壁上，且朝向所述边坡的外侧延伸；
注浆单元，所述注浆单元包括排水管、隔挡板、注浆管和帽盖，所述排水管的一端位于所述边坡的外部，另一端穿过所述外螺纹堵头和所述隔挡板并延伸到所述钢筒的底部，所述隔挡板封堵在所述钢筒的内部，所述注浆管平行于所述所述排水管且位于所述隔挡板与所述帽盖之间，所述帽盖适于连接在所述注浆管的顶部且位于所述外螺纹堵头的下方；
排水单元，所述排水单元与所述排水管连接。
进一步的，所述排水单元包括储水槽、第一软管、抽水电机和第二软管，所述第一软管的一端与所述抽水电机连接，另一端与所述储水槽连接，所述第二软管的一端与所述排水管连接，另一端与所述所述储水槽连接。
进一步的，所述锚固单元包括一体连接的透水段和注浆封闭加固段，所述透水段与所述注浆封闭加固段之间通过所述隔挡板隔开，所述透水段的外圆周壁上开设有均匀分布的透水孔，所述注浆封闭加固段的外圆周壁上开设有均匀分布的注浆渗透孔。
进一步的，所述透水孔上设有钢丝滤网，所述钢丝滤网上装有织滤布。
进一步的，所述角钢倒刺设在所述注浆渗透孔的前方。
进一步的，所述钢筒与水平方向之间夹角为3-5°。
进一步的，所述注浆管的外圆周上设有注浆孔，所述注浆管上每个断面的注浆孔的数量为3～5个，相邻断面上的注浆孔平行布置或交错布置。
进一步的，所述排水单元还包括设置在所述储水槽上的上水位线与下水位线之间的水位传感器，所述水位传感器与所述抽水电机电性连接。
进一步的，所述注浆封闭加固段的内壁设有限位装置，所述限位装置位于所述外螺纹堵头与所述注浆渗透孔之间。
本发明还提供了一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置的施工方法，所述施工方法包括：
S1：根据渗流场及地下水位，确定边坡的开孔位置、孔径、深度和角度，并根据上述参数确定试验装置的材料参数：
S2：在钢筒的透水段上开透水孔，在钢筒的注浆封闭加固段上开注浆渗透孔，并在所述透水孔上设置钢丝滤网，且所述钢丝滤网上装有织滤布，防止孔内泥土进入，在所述边坡的等势线上将插有排水管的隔挡板放入所述钢筒内的设定位置，锥形套帽焊接在所述钢筒的底部，角钢倒刺焊接在注浆渗透孔的前面；
S3：在加固的边坡的坡体表层铺设钢筋网和层状结构，并修整层状结构；
S4：采用地质钻机在边坡的平台上打设俯倾孔，将锚固单元及注浆单元植入到所述边坡的坡体内，插入注浆管，在注浆封闭加固段注浆，使得浆液通过注浆渗透孔充分进入坡内且充满所述注浆封闭加固段；
S5：拔出注浆管，待浆液固结完成，安装帽盖，以隔绝透水段与外界空气，修整层状结构，安装外螺纹堵头以锁紧层状结构，以实现边坡的坡体锚固功能；
S6：混凝土面层喷射坡面，待混凝土喷射结束之后进行养护；
S7：在边坡的坡底修建储水槽，安装水位传感器及抽水电机，并通过第二软管的一端连接排水管，另一端连接储水槽，通过第一软管的一端连接抽水电机，另一端连接储水槽。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
红层软岩边坡注浆排水锚固方法利用边坡地下水位线与坡面地形线正相关的渗流场条件，通过注浆封闭俯倾孔的孔口段，可以在孔底的透水段中形成高于孔口的水头压力，利用液压差可使透水管内的地下水从排水管中流出孔口，从而达到排数效果，且所打钻孔为俯倾孔，避免排水孔淤堵问题。该方法中锚固单元可以看作“土钉”，具有锚固特性，钢筒表面设有角钢倒刺，通过角钢倒刺增强了锚固单元结构的锚固能力。通过在注浆封闭段注浆，浆液通过注浆渗透孔渗入坡内，加固坡体内红层软岩且及增大了“土钉”与浆液的接触面积，提高锚固单元的锚固能力。
装置结构简单、造价低廉、施工简单、兼顾排水、加固红层软岩、锚固结构的效果，加固效果好，并适于红层软岩边坡施工加固中应用，适用性好且便于推广。
附图说明
图1为本发明实施例中边坡注浆排水锚固装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中边坡注浆单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中锚固单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中注浆管的结构示意图；
图5为本发明实施例中帽盖与限位装置安装结构示意图；
附图标记：
1-锚固单元；
11-钢筒；111-透水段；1111-透水孔；1112-钢丝滤网；112-注浆封闭加固段；1121-注浆渗透孔；12-锥形套帽；13-外螺纹堵头；14-角钢倒刺；
2-注浆单元；
21-排水管；22-隔挡板；23-注浆管；231-注浆孔；24-帽盖；
3-排水单元；
31-储水槽；311-上水位线；312-下水位线；32-第一软管；33-抽水电机；34-水位传感器；35-第二软管。
4-边坡；
41-地下水位线；42-等势线；
5-限位装置；6-浆液。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅如图1-5所示，本实施例提供一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，用于对红层软岩形成的边坡4的稳定性测试，所述试验装置包括锚固单元1、注浆单元2和排水单元3，其中：
锚固单元1包括倾斜向下设置的钢筒11、锥形套帽12、外螺纹堵头13和角钢倒刺14，钢筒11的底部与锥形套帽12连接，钢筒11的顶部与外螺纹堵头13螺纹连接，利用外螺纹堵头13锁紧坡体表层铺设钢筋网和层状结构。角钢倒刺14倾斜布置在钢筒11的外壁上，且朝向边坡4的外侧延伸。钢筒11的底端固定安装有锥形套帽12，使连接时紧密配合以免渗进泥土，锥形套帽12的作用是使锚固单元1更好的贯入土体。
由此，锚固单元可以看作一个“土钉”，具有锚固特性。
在本实施例当中，钢筒11为圆筒状结构，由钢材制成，其长度略长于孔深，外径略小于孔径，管壁厚0.5cm至1.5cm，
外螺纹堵头13由钢材制成，通过螺纹衔接在钢筒11的坡外段，与钢筒11、锥形套帽12、角钢倒刺14组成锚固结构，实现坡体锚固结构功能。
在本实施例当中，锥形套帽12为圆锥状结构，由高强度钢材制成，外径略大于钢筒11，使连接时紧密配合以免渗进泥土，锥形套帽12的作用是使锚固单元1更好的贯入土体。
由此，钢筒11、锥形套帽12、角钢倒刺14、外螺纹堵头13组成锚固单元1，利用外螺纹堵头13锁紧边坡4的坡体表层铺设的钢筋网和层状结构。
请参阅图1所示，注浆单元2包括排水管21、隔挡板22、注浆管23和帽盖24，排水管21的一端位于边坡4的外部，另一端穿过外螺纹堵头13和隔挡板22并延伸到钢筒11的底部，隔挡板22封堵在钢筒11的内部，注浆管23平行于排水管21且位于隔挡板22与帽盖24之间，帽盖24适于连接在注浆管23的顶部且位于外螺纹堵头13的下方。
在本实施例当中，钢筒11内的排水管21为管状结构，由具有一定柔性的PVC材料制成，其长度略长于钢筒11，排水管21的外径范围为6cm至10cm，以满足透水段111的排水量要求。
排水管21的方向与钢筒11平行设置，钢筒11呈俯倾斜向下设置，且与水平方向夹角为3°至5°，排水管21贯通钢筒11并延伸到坡外，保证坡外孔口的高程低于A点。
在本实施例当中，隔挡板22和帽盖24均为圆柱结构，由强度较大的橡胶材料制成，其外径均略小于钢筒11，使其紧密贴在钢筒11的内壁，两者开有排水管通孔，开孔孔径略大于排水管21及注浆管23的外径，以防漏浆漏水。
在本实施例当中，注浆管23为管状结构，由具有一定柔性的钢材制成，其长度等同于排水管21。
排水单元3与排水管21连接。
另外，需要说明的是，在本发明的实施例当中，隔挡板22和帽盖24上均设有贯穿的通孔，且通孔与排水管21位于同一轴线。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，排水单元3包括储水槽31、第一软管32、抽水电机33和第二软管35，第一软管32的一端与抽水电机33连接，另一端与储水槽31连接，第二软管35的一端与排水管21连接，另一端与储水槽31连接。
由此，第一软管32和第二软管35均为管状结构，由软塑料制成，第一软管32和第二软管35的内径略大于排水管21，使连接时紧密配合，以免渗进泥土，第一软管32的一端连接排水管21，另一端与储水槽31连接且位于下水位线312以下，以保持坡内的注浆单元2的负压和虹吸排水作用。
具体地，请参阅图2所示，在本发明的实施例当中，锚固单元1包括一体连接的透水段111和注浆封闭加固段112，透水段111与注浆封闭加固段112之间通过隔挡板22隔开，透水段111的外圆周壁上开设有均匀分布的透水孔1111，注浆封闭加固段112的外圆周壁上开设有均匀分布的注浆渗透孔1121。
由此，锚固单元1的上段侧壁开有注浆渗透孔1121，下段开有透水孔1111，孔径2cm-4cm。
具体地，请参阅图3所示，在本发明的实施例当中，透水孔1111上设有钢丝滤网1112，钢丝滤网1112上装有织滤布。
由此，透水孔1111设有钢丝滤网1112，且钢丝滤网1112上装有织滤布，防止孔内土体进入透水段111，影响排水功能。
具体地，请参阅图1、3所示，在本发明的实施例当中，角钢倒刺14设在注浆渗透孔1121的前方。角钢倒刺14倾斜布置在钢筒11的外壁上，且朝向边坡的外侧延伸，通过角钢倒刺14增强了锚固单元1的锚固能力。
在本实施例当中，角钢倒刺14由钢材制成，倾斜焊接在注浆渗透孔1121的下部，呈45-60度角。
由此，钢筒11的表面设有角钢倒刺14，通过角钢倒刺14增强了锚固单元1的锚固能力；通过在注浆封闭加固段112注浆，浆液6通过注浆渗透孔1121渗入边坡4的坡内，加固坡体内红层软岩且增大了“土钉”与浆液6的接触面积，提高坡体强度及锚固单元1的锚固能力。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，钢筒11与水平方向之间的夹角为3-5°。
由此，可保证，钢筒11的坡外孔口高程低于A点。
具体地，请参阅图1、4所示，在本发明的实施例当中，注浆管23的外圆周上设有注浆孔231，注浆管23上每个断面的注浆孔231的数量为3～5个，相邻断面上的注浆孔231平行布置或交错布置。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，排水单元3还包括设置在储水槽31上的上水位线311与下水位线312之间的水位传感器34，水位传感器34与抽水电机33电性连接。
具体地，请参阅图5所示，在本发明的实施例当中，注浆封闭加固段112的内壁设有限位装置5，限位装置5位于外螺纹堵头13与注浆渗透孔1121之间。
本发明的实施例还提供了一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：
S1：根据渗流场及地下水位，确定边坡4的开孔位置、孔径、深度和角度，并根据上述参数确定试验装置的材料参数。
S2：在钢筒11的透水段111上开透水孔1111，在钢筒11的注浆封闭加固段112上开注浆渗透孔1121，并在透水孔1111上设置钢丝滤网1112，且钢丝滤网1112上装有织滤布，防止孔内泥土进入，在边坡4的等势线42上将插有排水管21的隔挡板22放入钢筒11内的设定位置，锥形套帽12焊接在钢筒11的底部，角钢倒刺14焊接在注浆渗透孔1121的前面。
由此，钢丝滤网1112上装有织滤布，防止孔内泥土进入，隔挡板22放入钢筒11的设定位置进行固定，也即在等势线42上，这样利于坡内渗流进入透水孔1111。
另外，在本实施例中，涂抹凡士林主要以便后期顺利脱模。
S3：在加固坡体表层铺设钢筋网和层状结构，并修整层状结构。
S4：采用地质钻机在边坡4的平台上打设俯倾孔，将锚固单元1及注浆单元2植入到所述边坡4的坡体内，插入注浆管23，在注浆封闭加固段112注浆，使得浆液6通过注浆渗透孔1121充分进入坡内且充满注浆封闭加固段112，实现坡体注浆加固及排水功能。
在步骤S4中，注浆排水方式为：
S41：A点和B点位于等势线42上，此时自B点下方的孔内引出一根排水管21到坡外孔口处，由于A点水头高度与B点相同，那么只要坡外孔口高程低于A点，B点下方的地下水就能在水头差作用下，通过排水管21从B点流出坡外。因此，只要保持B点的地下水水头高度，透水段111的水经由排水管21自发的通过坡外孔口排出。
S42：利用边坡4的地下水位线41与坡面地形线正相关的渗流场条件，通过注浆封闭俯倾孔的孔口段，可以在孔底的透水段111中形成高于孔口的水头压力，利用液压差可使透水段111内的地下水从排水管21中流出孔口。透水段111内地下水的水头高度随着地下水的入渗而提高，当孔底水头高度超过孔口高程时，由于液压差和虹吸作用，地下水自动排出孔口。
S43：坡体内的地下水位上升引起排水管21进水口的水头高程大于坡外孔口高程时,透水段111内的地下水就会在水头差的作用下排水管虹吸自然流出,利用虹吸作用在透水段111形成负压,坡体内的地下水会加速流向透水段111,当透水段111内的地下水排干时,排水管21的进水口会进入空气,排水管21的虹吸作用消失,一次排水过程结束。
S44：随着坡体地下水入渗充满透水段111,引起排水管21进水口的水头高程再次大于坡外排水管21的孔口高程时,排水过程再次进行。
S5：拔出注浆管23，待浆液6固结完成，安装帽盖24，隔绝透水段111与外界的空气，修整层状结构，安装外螺纹堵头13锁紧层状结构，与钢筒11、锥形套帽12、角钢倒刺14组成锚固结构，实现坡体锚固结构功能；
S6：进行混凝土面层喷射坡面，待混凝土喷射结束之后进行养护；
S7：在坡底修建储水槽31，安装水位传感器347及抽水电机33，第二软管35的一端连接在排水管21上，另一端连接储水槽31上，通过第一软管32的一端连接抽水电机33，另一端连接储水槽31，施工完成。
由此，红层软岩边坡注浆排水锚固方法，该方法兼顾排水、锚固结构、注浆加固的特征。
其一，利用边坡的地下水位线41与坡面地形线正相关的渗流场条件，通过注浆封闭俯倾孔的孔口段，可以在孔底的透水孔段中形成高于孔口的水头压力，利用液压差可使透水段内的地下水从排水管中流出孔口。透水段111内地下水的水头高度随着地下水的入渗而提高，当孔底水头高度超过孔口高程时，由于液压差和虹吸作用，地下水自动排出孔口。
其二，该方法中锚固单元1包括锥形套帽12、钢筒11、角钢倒刺14和外螺纹堵头13，可以看作“土钉”，具有锚固特性，钢筒11表面设有角钢倒刺14，通过角钢倒刺14增强了锚固单元1的锚固能力。
其三，通过在注浆封闭加固段112注浆，浆液6通过注浆渗透孔1121渗入坡内，加固坡体内红层软岩且及增大了“土钉”与浆液6的接触面积，提高锚固单元1的锚固能力。该方法既具锚固特性，又可在加固坡体内土体后将其变为排水结构巩固加固效果，并适于红砂岩边坡施工加固中应用。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，用于对红层软岩形成的边坡(4)进行稳定性测试，其特征在于，包括：
锚固单元(1)，所述锚固单元(1)包括倾斜向下设置的钢筒(11)、锥形套帽(12)、外螺纹堵头(13)和角钢倒刺(14)，所述钢筒(11)的底部与所述锥形套帽(12)连接，所述钢筒(11)的顶部与所述外螺纹堵头(13)螺纹连接，所述角钢倒刺(14)倾斜布置在所述钢筒(11)的外壁上，且朝向所述边坡(4)的外侧延伸；
注浆单元(2)，所述注浆单元(2)包括排水管(21)、隔挡板(22)、注浆管(23)和帽盖(24)，所述排水管(21)的一端位于所述边坡(4)的外部，另一端穿过所述外螺纹堵头(13)和所述隔挡板(22)并延伸到所述钢筒(11)的底部，所述隔挡板(22)封堵在所述钢筒(11)的内部，所述注浆管(23)平行于所述排水管(21)且位于所述隔挡板(22)与所述帽盖(24)之间，所述帽盖(24)适于连接在所述注浆管(23)的顶部且位于所述外螺纹堵头(13)的下方；
所述锚固单元(1)包括一体连接的透水段(111)和注浆封闭加固段(112)，所述透水段(111)与所述注浆封闭加固段(112)之间通过所述隔挡板(22)隔开，所述透水段(111)的外圆周壁上开设有均匀分布的透水孔(1111)，所述注浆封闭加固段(112)的外圆周壁上开设有均匀分布的注浆渗透孔(1121)；
排水单元(3)，所述排水单元(3)与所述排水管(21)连接；所述排水单元(3)包括储水槽(31)、第一软管(32)、抽水电机(33)和第二软管(35)，所述第一软管(32)的一端与所述抽水电机(33)连接，另一端与所述储水槽(31)连接，所述第二软管(35)的一端与所述排水管(21)连接，另一端与所述储水槽(31)连接。
2.根据权利要求1所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述透水孔(1111)上设有钢丝滤网(1112)，所述钢丝滤网(1112)上装有织滤布。
3.根据权利要求2所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述角钢倒刺(14)设在所述注浆渗透孔(1121)的前方。
4.根据权利要求3所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述钢筒(11)与水平方向之间夹角为3-5°。
5.根据权利要求4所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述注浆管(23)的外圆周上设有注浆孔(231)，所述注浆管(23)上每个断面的注浆孔(231)的数量为3～5个，相邻断面上的注浆孔(231)平行布置或交错布置。
6.根据权利要求5所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述排水单元(3)还包括设置在所述储水槽(31)上的上水位线(311)与下水位线(312)之间的水位传感器(34)，所述水位传感器(34)与所述抽水电机(33)电性连接。
7.根据权利要求6所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置，其特征在于，所述注浆封闭加固段(112)的内壁设有限位装置(5)，所述限位装置(5)位于所述外螺纹堵头(13)与所述注浆渗透孔(1121)之间。
8.一种如权利要求7所述的红层软岩边坡注浆排水锚固试验装置的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括：
S1：根据渗流场及地下水位，确定边坡(4)的开孔位置、孔径、深度和角度，并确定试验装置的材料参数：
S2：在钢筒(11)的透水段(111)上开透水孔(1111)，在钢筒(11)的注浆封闭加固段(112)上开注浆渗透孔(1121)，并在所述透水孔(1111)上设置钢丝滤网(1112)，且所述钢丝滤网(1112)上装有织滤布，防止孔内泥土进入，在所述边坡(4)的等势线(42)上将插有排水管(21)的隔挡板(22)放入所述钢筒(11)内的设定位置，锥形套帽(12)焊接在所述钢筒(11)的底部，角钢倒刺(14)焊接在注浆渗透孔(1121)的前面；
S3：在加固的边坡(4)的坡体表层铺设钢筋网和层状结构，并修整层状结构；
S4：采用地质钻机在边坡(4)的平台上打设俯倾孔，将锚固单元(1)及注浆单元(2)植入到所述边坡(4)的坡体内，插入注浆管(23)，在注浆封闭加固段(112)注浆，使得浆液(6)通过注浆渗透孔(1121)充分进入坡内且充满所述注浆封闭加固段(112)；
S5：拔出注浆管(23)，待浆液(6)固结完成，安装帽盖(24)，以隔绝透水段(111)与外界空气，修整层状结构，安装外螺纹堵头(13)以锁紧层状结构，以实现边坡(4)的坡体锚固功能；
S6：混凝土面层喷射坡面，待混凝土喷射结束之后进行养护；
S7：在边坡(4)的坡底修建储水槽(31)，安装水位传感器(34)及抽水电机(33)，并通过第二软管(35)的一端连接排水管(21)，另一端连接储水槽(31)，通过第一软管(32)的一端连接抽水电机(33)，另一端连接储水槽(31)。
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