CN116290036B - 一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构及施作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构及施作工艺，属于岩土工程支护技术领域，包括扩体管，扩体管底部设有中空锥形扩体，扩体管顶部设有反压盖板；所述扩体管中部沿其轴向通长设置中空锚索索体，中空锚索索体穿过反压盖板和中空锥形扩体设置；所述扩体管在靠近中空锥形扩体的侧部设有开缝，开缝沿扩体管轴向设置。通过借助扩体管、中空锥形扩体、中空锚索索体等构件，可保证在预应力扩体管支护结构施作阶段施加一定的预应力，发挥其主动支护效果，解决了常规钢管混凝土结构承载能力及支护效果难以得到充分保障的问题。

Description

一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构及施作工艺

技术领域

本发明属于岩土工程支护技术领域，具体涉及一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构及施作工艺。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，随着城市化的发展，在建筑工程、边坡支护、基坑支护、地基基础和地下工程等领域，钢管混凝土结构作为一种高强支护结构，目前已得到广泛应用和推广。比如钢管混凝土桩、钢管混凝土支架、钢管混凝土柱等。钢管混凝土结构是指在钢管内填充混凝土而形成的组合支护构件，通过充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压的性能优势，使此类结构具有较高的承载强度。同时钢管混凝土结构在现场施作时，通过在钢管内直接灌注混凝土进行施工，施工工艺方便，避免了传统钢筋混凝土结构需要绑扎钢筋的较大强度劳动，混凝土浇筑效率较低等问题。具有施工方便，工期短，劳动强度低等优势。但在软土岩土体中，上述的常规钢管混凝土结构及施作工艺还存在以下问题有待解决。

（1）在基坑或边坡等支挡工程中，常规的钢管混凝土支护结构，如钢管土钉、钢管围护桩等结构，在地层或岩土体施作完毕后不施加预应力；若边坡或基坑岩土体没有发生变形破坏，则不能受到外力作用而发挥其承载性能；只有当边坡或岩土体发生变形破坏后，钢管混凝土支护结构才开始受力发挥其承载作用，并被动地承受地层岩土体的压力作用；这属于一种典型的被动支护形式，对地层岩土体的主动控制效应继续加强。

（2）在软弱地基桩基工程或基础工程中，常规的钢管混凝土桩结构主要是靠桩身与地层岩土体之间的摩阻力进行承载；当桩长一定时，由于软弱地基土体摩阻力较低，在软土层中钢管混凝土桩的承载能力是有限的。在工程实际中，为了获得更高的承载能力，需加大桩身长度，但同时也会造成工程造价的升高。

（3）上述的各类常规钢管混凝土支护结构的施作过程首先需在地层岩土体内进行钻孔，将支护结构置入钻孔中后进行混凝土的浇筑。此种方式应注意，钢管与地层岩土体之间会存在一定的间隙，而常规的施作工艺难以对间隙进行有效充填。这会使钢管桩在岩土体支护或加固过程中存在一定的安全隐患，无法对地下岩土体发挥高承载力。

发明内容

工程岩土体加固及支护过程中常规采用的钢管混凝土支护结构普遍存在主动支护效果不足、承载能力低、钢管混凝土结构与地层间的间隙难以有效充填等问题，会造成常规钢管混凝土结构承载能力及支护效果难以得到充分保障；针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构及施作工艺，通过借助扩体管、中空锥形扩体、中空锚索索体等构件，可保证在预应力扩体管支护结构施作阶段施加一定的预应力，发挥其主动支护效果；同时可实现支护结构扩体效果增强，增大支护阻力；此外也可有效填充扩体管与地层岩土体的间隙，从而进一步保障预应力扩体管支护结构支护能力，增强结构稳定性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构，包括扩体管，扩体管底部设有中空锥形扩体，扩体管顶部设有反压盖板；所述扩体管中部沿其轴向通长设置中空锚索索体，中空锚索索体穿过反压盖板和中空锥形扩体设置；所述扩体管在靠近中空锥形扩体的侧部设有开缝，开缝沿扩体管轴向设置。

作为进一步的技术方案，所述开缝由扩体管底端向上开设设定长度，开缝开设多条，多条开缝沿扩体管周向均匀设置。

作为进一步的技术方案，所述扩体管呈中空状，扩体管和中空锚索索体之间形成扩体管内部充填区域。

作为进一步的技术方案，所述反压盖板的外圈尺寸应大于地层岩土体钻孔直径，反压盖板中部设有开孔以供中空锚索索体穿过，所述反压盖板还设有多个充填孔，由充填孔对扩体管内部充填区域进行充填处理。

作为进一步的技术方案，所述充填孔设置为扇环形，多个充填孔围绕反压盖板的开孔均匀布设。

作为进一步的技术方案，所述充填孔扇环的大半径小于扩体管的半径。

作为进一步的技术方案，所述中空锥形扩体为中空状的锥形体，中空锥形扩体小径端伸入扩体管内，中空锥形扩体大径端置于扩体管外侧，将扩体管底部封堵。

作为进一步的技术方案，所述中空锚索索体为中空状，中空锚索索体中部设有芯管；所述中空锚索索体伸出反压盖板的顶端设置第一锚索锁具，中空锚索索体伸出中空锥形扩体的底端设置第二锚索锁具。

第二方面，本发明还提供了一种如上所述的预应力扩体管支护结构的施作工艺，包括以下步骤：

向地层岩土体内部进行钻孔，向钻孔中置入如上所述的预应力扩体管支护结构，中空锥形扩体位于钻孔底部，反压盖板位于地层岩土体表面处；

通过张拉中空锚索索体使中空锥形扩体对扩体管内壁进行挤压，使扩体管沿着开缝处扩张，从而扩大扩体管直径；

当预应力张拉达到设计值或中空锥形扩体沿着扩体管内部的内移量达到设计要求时，停止张拉并在反压盖板外部通过锚索锁具对中空锚索索体进行固定；

按照由下到上的方式向扩体管内部充填区域进行充填材料的灌注；按照自下而上的方式对扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域进行注浆充填。

作为进一步的技术方案，对中空锚索索体施加的有效张拉力大小通过室内组合压缩试验或室内组合张拉试验进行确定：

进行室内组合压缩试验时，在压力试验机进行加载测试；加载时，扩体管顶部为设有开缝的一侧，扩体管的上部倒置放立中空锥形扩体，将压力试验机置于中空锥形扩体顶部，进行加压测试，得到扩体管产生横断面完全扩张时对应的加载压力，即为中空锚索索体施加的有效张拉力；

进行室内组合张拉试验时，借助支撑反力梁，将支撑反力梁向下依次安装扩体管、中空锥形扩体，扩体管设有开缝的一侧朝中空锥形扩体方向设置；支撑反力梁底部固定于支撑立柱，支撑反力梁顶部安装中空加载油缸，中空锚索索体自上而下依次穿过中空加载油缸、支撑反力梁、扩体管、中空锥形扩体，并在中空锚索索体的上下两端部通过锚索锁具固定；通过中空加载油缸加载，张拉中空锚索索体，扩体管产生横断面完全扩张时对应的中空加载油缸的加载压力，即为中空锚索索体施加的有效张拉力。

作为进一步的技术方案，向扩体管内部充填区域充填时，通过反压盖板的充填孔进行灌注；向扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域充填时，在预应力扩体管支护结构顶部通过中空锚索索体的芯管进行灌注。

上述本发明的有益效果如下：

本发明的预应力扩体管支护结构，通过利用中空锚索索体对预应力扩体管支护结构进行张拉，可使支护结构内部提前产生一定的预应力，使得该支护结构在岩土体发生破坏之前就开始发挥承载作用，属于一种典型的主动支护形式，可以有效地弥补传统常规钢管混凝土支护结构的被动承载特性缺陷。

本发明的预应力扩体管支护结构，通过利用中空锥形扩体与中空锚索索体，可使预应力扩体管支护结构沿横截面实现扩体，从而有效提高本发明结构在软土地层中的承载力，从而避免传统增大桩长而引起的造价过高的问题，具有较高的承载优势与经济性。

本发明的预应力扩体管支护结构，通过利用中空锚索索体进行注浆，保证浆液自钻孔底部至钻孔顶部开始外溢充填，从而对预应力扩体管支护结构与钻孔之间的间隙进行有效充填，进一步提高了预应力扩体管支护结构的性能优势，减少风险隐患。

本发明的施作工艺，给出了为保障工程实际施工扩体管产生有效扩张时，中空锚索索体所需提供有效张拉力的室内试验确定方法，较为科学高效，可为该支护结构参数提供定量化的设计依据，有效弥补现有岩土工程行业支护构件普遍存在的理论滞后实践、经验设计等问题的不足。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明进行地层钻孔示意图；

图2为本发明向钻孔内置入预应力扩体管支护结构后示意图；

图3为本发明利用中空锚索索体进行预应力张拉后示意图；

图4为本发明预应力扩体管支护结构内部充填混凝土后示意图；

图5为本发明预应力扩体管支护结构与钻孔孔壁间隙注浆充填后示意图；

图6为本发明预应力扩体管支护结构顶部俯视示意图；

图7为本发明顶部反压盖板的俯视示意图；

图8为图5中的A-A’剖面结构示意图；

图9为扩体管开缝示意图

图10为本发明室内组合压缩试验装置示意图；

图11为本发明室内组合张拉试验装置示意图；

图12为基于本发明室内测试试验得到的加载压力与加载位移曲线图；

图13为本发明用于岩土体的预应力扩体管支护结构的施作工艺流程图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1-钻孔，2-扩体管，3-中空锚索索体，4-中空锥形扩体，5-锚索锁具，6-反压盖板，7-扩体管内部充填区域，8-扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域，9-压力试验机，10-中空加载油缸，11-支撑反力梁，12-支撑立柱，13-充填孔，14-开缝。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

本发明的一种典型的实施方式中，如图2所示，提出一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构，其安装于地层岩土体钻孔1内部；包括中空状的扩体管2，扩体管2在地层岩土体钻孔1的底部设有中空锥形扩体4，在地层岩土体钻孔1表面处设有反压盖板6，扩体管2的中心位置沿轴向设有通长的中空锚索索体3。中空锚索索体3依次穿过反压盖板6，扩体管2以及中空锥形扩体4，并在中空锥形扩体4与反压盖板6的外部通过锚索锁具5进行固定。

其中，扩体管2的直径小于地层岩土体钻孔1的孔径，扩体管2和钻孔1之间形成扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域8，扩体管2和中空锚索索体3之间形成扩体管内部充填区域7。

本实施例中，扩体管2采用钢管。

其中，中空锥形扩体4为中空状的锥形体，中空锥形扩体4安装于扩体管2底部；中空锥形扩体4锥顶较小直径的一端（也即小径端）伸入扩体管2内，中空锥形扩体4锥底较大直径的一端（也即大径端）置于扩体管2外侧，将扩体管2底部封堵。中空锥形扩体4中心位置处设有开孔，以供中空锚索索体3穿过。

其中，反压盖板6可为矩形或圆形，其外边缘尺寸宽度或直径应大于地层岩土体钻孔1直径，以保证预应力扩体管支护结构对地表处岩土体产生有效挤压。反压盖板6中心位置设有开孔，以供中空锚索索体3穿过；同时，反压盖板6还设有多个充填孔13，在预应力扩体管支护结构安装完毕后，由充填孔13对扩体管内部充填区域7进行充填处理。

在可选的实施方案中，充填孔13设置为扇环形，多个充填孔13围绕反压盖板6中心的开孔均匀布设，以保证能对扩体管2内部进行均匀填充。

可以理解的是，充填孔13扇环的大半径小于扩体管2的半径，充填孔13扇环的小半径避开锚索锁具5，由此可保证对扩体管2内部填充的顺利进行。

其中，中空锚索索体3为中空状，其横截面中心位置设有芯管，利用芯管可对预应力扩体管支护结构进行充注浆液。

中空锚索索体3穿过反压盖板6、扩体管2以及中空锥形扩体4，且中空锚索索体3伸出反压盖板6的顶端设置锚索锁具5，中空锚索索体3伸出中空锥形扩体4的底端也设置锚索锁具5，将中空锚索索体3锁定。

扩体管2在靠近中空锥形扩体4的侧部设有沿扩体管2轴向的开缝14，开缝14由扩体管2底端向上开设设定长度，开缝14开设多条，多条开缝14沿扩体管2周向均匀设置；当对中空锚索索体3进行张拉时，中空锥形扩体4可朝扩体管2内部方向进行滑移，并在滑移的过程对扩体管2的横截面进行扩张，实现扩体。

为保障工程实际施工时，扩体管2在中空锥形扩体4作用下有效扩张，对中空锚索索体3需施加的有效张拉力大小需通过室内组合压缩试验或室内组合张拉试验进行确定。

进行室内组合压缩试验时，将带有端部开缝的扩体管2与中空锥形扩体4，在室内压力试验机9进行加载测试。加载时，下部为扩体管2，扩体管2顶部为设有开缝的一侧，扩体管2的上部倒置放立中空锥形扩体4，并保证中空锥形扩体4的锥顶部分伸入扩体管2内。将压力试验机9置于中空锥形扩体4顶部，通过压力试验机9对上述组合构件进行加压测试，即可得到扩体管2产生横断面完全扩张时，对应的加载压力，即为现场中空锚索索体3需施加的有效张拉力。

进行室内组合张拉试验时，需借助支撑反力梁11、支撑立柱12、中空加载油缸10等反力加载构件，组合测试构件包含扩体管2、中空锥形扩体4、中空锚索索体3及配套锚索锁具5。支撑反力梁11中心位置设有开孔；加载测试时，支撑反力梁11的下部向下依次安装扩体管2、中空锥形扩体4，扩体管2设有开缝的一侧朝中空锥形扩体4方向设置，并保证中空锥形扩体4的锥顶部分伸入扩体管2内；支撑反力梁11底部固定于支撑立柱12，支撑反力梁11的顶部安装有中空加载油缸10，中空锚索索体3自上而下依次穿过中空加载油缸10、支撑反力梁11、扩体管2、中空锥形扩体4，并在中空锚索索体3的上下两端部位置通过锚索锁具5固定。通过中空加载油缸10加载，即可张拉中空锚索索体3，并在其带动下中空锥形扩体4朝扩体管2进行滑移，扩体管2产生横断面完全扩张时，对应的中空加载油缸10的加载压力，即为现场中空锚索索体3需施加的有效张拉力。

本实施例给出了为保障工程实际施工扩体管产生有效扩张时，中空锚索索体所需提供有效张拉力的室内试验确定方法，较为科学高效，可为该支护结构参数提供定量化的设计依据，有效弥补现有岩土工程行业支护构件普遍存在的理论滞后实践、经验设计等问题的不足。

实施例2：

本发明的另一种典型的实施方式中，如图12所示，提出了一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构的施作工艺，该支护结构即为实施例1中的预应力扩体管支护结构，具体包括以下步骤：

步骤一：首先向地层岩土体内部进行钻孔1；

步骤二：向钻孔1中置入预应力扩体管支护结构，其中钻孔1底部为中空锥形扩体4，中间为扩体管2，顶部为反压盖板6，中空锚索索体3依次穿过上述反压盖板6、扩体管2和中空锥形扩体4，并在两端部利用锚索锁具5进行固定；

步骤三：沿钻孔1外部地层岩土体表面处，通过张拉中空锚索索体3使中空锥形扩体4对扩体管2内壁进行挤压，使扩体管2沿着开缝14处扩张，从而扩大扩体管2直径；

步骤四：当预应力张拉达到设计值或中空锥形扩体4沿着扩体管2内部的内移量达到设计要求时，停止张拉并在顶部反压盖板6外部重新通过锚索锁具5对中空锚索索体3进行固定；

步骤五：在预应力扩体管支护结构顶部通过反压盖板6的充填孔13，按照由下到上的方式向扩体管内部充填区域7进行充填材料的灌注；

步骤六：在预应力扩体管支护结构顶部利用中空锚索索体3的芯管，按照自下而上的方式进行注浆，实现预应力扩体管支护结构扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域8的有效充填。

其中，步骤五中，预应力扩体管支护结构顶部反压盖板6设有均匀间隔布设的充填孔13，通过充填孔13向扩体管2内部均匀灌注充填材料。

其中，步骤五中，预应力扩体管支护结构内部充填材料包括但不限于水泥浆、混凝土等材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于岩土体的预应力扩体管支护结构，其特征是，包括扩体管，扩体管底部设有中空锥形扩体，扩体管顶部设有反压盖板；所述扩体管中部沿其轴向通长设置中空锚索索体，中空锚索索体穿过反压盖板和中空锥形扩体设置；所述中空锚索索体为中空状，中空锚索索体中部设有芯管；所述扩体管在靠近中空锥形扩体的侧部设有开缝，开缝沿扩体管轴向设置；

所述的预应力扩体管支护结构的施作工艺具体为：

向地层岩土体内部进行钻孔，向钻孔中置入所述的预应力扩体管支护结构，中空锥形扩体位于钻孔底部，反压盖板位于地层岩土体表面处；

通过张拉中空锚索索体使中空锥形扩体对扩体管内壁进行挤压，使扩体管沿着开缝处扩张，从而扩大扩体管直径；

当预应力张拉达到设计值或中空锥形扩体沿着扩体管内部的内移量达到设计要求时，停止张拉并在反压盖板外部通过锚索锁具对中空锚索索体进行固定；

按照由下到上的方式向扩体管内部充填区域进行充填材料的灌注；按照自下而上的方式对扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域进行注浆充填；

其中，对中空锚索索体施加的有效张拉力大小通过室内组合压缩试验或室内组合张拉试验进行确定：进行室内组合压缩试验时，在压力试验机进行加载测试；加载时，扩体管顶部为设有开缝的一侧，扩体管的上部倒置放立中空锥形扩体，将压力试验机置于中空锥形扩体顶部，进行加压测试，得到扩体管产生横断面完全扩张时对应的加载压力，即为中空锚索索体施加的有效张拉力；进行室内组合张拉试验时，借助支撑反力梁，将支撑反力梁向下依次安装扩体管、中空锥形扩体，扩体管设有开缝的一侧朝中空锥形扩体方向设置；支撑反力梁底部固定于支撑立柱，支撑反力梁顶部安装中空加载油缸，中空锚索索体自上而下依次穿过中空加载油缸、支撑反力梁、扩体管、中空锥形扩体，并在中空锚索索体的上下两端部通过锚索锁具固定；通过中空加载油缸加载，张拉中空锚索索体，扩体管产生横断面完全扩张时对应的中空加载油缸的加载压力，即为中空锚索索体施加的有效张拉力。

2.如权利要求1所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述开缝由扩体管底端向上开设设定长度，开缝开设多条，多条开缝沿扩体管周向均匀设置。

3.如权利要求1所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述扩体管呈中空状，扩体管和中空锚索索体之间形成扩体管内部充填区域。

4.如权利要求3所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述反压盖板中部设有开孔以供中空锚索索体穿过，所述反压盖板还设有多个充填孔，由充填孔对扩体管内部充填区域进行充填处理。

5.如权利要求4所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述充填孔设置为扇环形，多个充填孔围绕反压盖板的开孔均匀布设；所述充填孔扇环的大半径小于扩体管的半径。

6.如权利要求1所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述中空锥形扩体为中空状的锥形体，中空锥形扩体小径端伸入扩体管内，中空锥形扩体大径端置于扩体管外侧，将扩体管底部封堵。

7.如权利要求1所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，所述中空锚索索体为中空状，中空锚索索体中部设有芯管；所述中空锚索索体伸出反压盖板的顶端设置第一锚索锁具，中空锚索索体伸出中空锥形扩体的底端设置第二锚索锁具。

8.如权利要求3所述的预应力扩体管支护结构，其特征是，向扩体管内部充填区域充填时，通过反压盖板的充填孔进行灌注；向扩体管与钻孔孔壁间隙充填区域充填时，在预应力扩体管支护结构顶部通过中空锚索索体的芯管进行灌注。