一种土质遗址锚固系统的制作方法

本实用新型涉及土遗址加固工程实践以及试验研究的技术领域，尤其涉及一种土质遗址锚固系统及其使用方法。

背景技术：

土遗址是以土为主要建筑材料的文化遗产，是人类文明发源与衍化的直接实物证据，也是优秀传统文化重要的历史根脉，具有重大的历史、艺术和科学价值。土遗址在亚洲、非洲、北美洲、南美洲和中东的主要干旱区均有大量遗存，其类型也相当丰富。如中国干旱环境和丝绸之路沿线的秦代至明代长城及附属建筑物、不同历史时期的佛寺遗址和古城均为土遗址的代表。然而在长期遭受风蚀、雨蚀、冻融、地震等多种自然营力和人类活动影响，坍塌、裂隙和掏蚀等直接或间接导致土遗址失稳毁灭的病害广泛发育，成为危及土遗址安全保存的首要问题。

土遗址的保护遵循“最小干预，最大兼容”的保护理念。锚固技术因其具有扰动性弱、隐蔽性强和锚固力高等特点，在土遗址稳定性控制领域得到了广泛应用。锚固技术自20世纪90年代开始应用于土遗址保护加固实践，其发展历程较短，相应的理论发展滞后。传统岩土工程中常用的杆材与浆材，例如金属锚杆、水泥砂浆和树脂浆液等，因其物理力学性能与土遗址不兼容且耐久性不足，因此不能应用于土遗址锚固。

当前，土遗址锚固的研究集中在锚固材料的选型、锚固工艺的优化和宏观锚固性能等方面。土遗址锚固常用全长粘结拉力锚固系统，其存在的主要缺点如下所示：

①为了达到优异的土遗址锚固性能，天然木质杆材因其物理力学指标与土遗址兼容，常常被首选用于土遗址锚固。然而天然木质杆材由于自然生长其杆体顺直度不够，杆身存在的木疤或裂纹易造成杆体的受力脆断，这些弊端均为土遗址锚固埋下了安全隐患。

②再有土遗址锚固系统目前常见破坏模式为杆体-浆体界面的脱粘解耦，揭示了杆与浆间咬合摩擦作用弱，更多地依靠了浆体的抗剪强度，而浆体的抗压性能没有得到充分利用。

③另外，杆体-浆体界面应力的递进传递机理和沿着杆体浆体界面指数衰减的界面应力分布形式指出锚杆距锚头远处只能提供较小的抗拔力。

④目前土遗址锚固系统存在有效锚固长度的现象，在有效锚固长度内，若要获得更大的锚固力只能增加锚固长度，然而锚固长度越长对土遗址的不可逆损伤越大。

⑤目前土遗址锚固系统拉拔试验其荷载-位移曲线指出，土遗址锚固系统在较小的位移下锚固荷载即达到峰值，峰后荷载骤降，残余强度较小。这说明当前土遗址锚固系统抗大变形能力不足，对土遗址抗震要求下的稳定性控制能力不足。

技术实现要素：

针对现有用于土遗址的锚杆锚固强度不能满足需求，容易损伤土遗址的技术问题，本实用新型提出一种土质遗址锚固系统及其使用方法，使得杆体和浆体间咬合作用增加，充分利用了浆体和遗址土体的抗压性能，在较小的损伤土遗址的情况下，提供了更大的持续锚固力。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种土质遗址锚固系统，包括设置在危险体和遗址本体中的锚孔，所述锚孔的横截面为t形，锚孔底部的灌浆体设置在遗址本体中且灌浆体的直径大于锚孔前端的直径；所述锚孔内设有锚杆，锚杆的锚头固定设置在危险体内，所述锚杆包括拉杆、套杆和米字板，拉杆的外部套设有套杆，拉杆的底部套设有米字板，米字板为组装板，拉杆的尾部固定有与米字板相匹配的承压台，承压台与米字板可拆卸连接，米字板和承压台设置在灌浆体内。

进一步地，所述米字板包括边板和中板，边板和中板相卡接，边板和中板均套设在套杆上，边板和中板均与承压台可拆卸连接。

进一步地，所述边板包括边翼板和边板孔，边板孔设置在边翼板的中心；所述中板包括中翼板和中板孔，中板孔设置在中翼板的中心，中板孔与边板孔相对应且均套设在套杆上。

进一步地，所述边板孔的外圆周上设有边槽，中板孔的外圆周上设有中槽，中槽卡接在边槽内。

进一步地，所述套杆的数量设有至少两个，套杆之间设有咬合台，咬合台通过锥台锁固定在拉杆上；所述承压台通过锥台锁固定在拉杆的底部。

进一步地，所述套杆的中心设有穿杆孔，穿杆孔的内壁上设有台阶，穿杆孔上设有与外部连通的通孔；所述台阶包括第一台阶、第二台阶和第三台阶，第一台阶、第二台阶和第三台阶所在的穿杆孔的直径依次增加，第一台阶、第二台阶和第三台阶上均设有通孔。

进一步地，所述咬合台包括台基、基垫、锥度孔和通用槽，台基的底部固定设有基垫，台基和基垫的中部设有与锥台锁相匹配的锥度孔，基垫上设有通用槽；所述台基和基垫的外侧均固定设有边肋。

进一步地，所述承压台包括基体、环垫、锥台孔和三棱固，基体的底部固定有环垫，环垫的下部固定设有三棱固，三棱固与组装板的边板和中板相匹配；基体和环垫中部设有与锥台锁相匹配的锥台孔；所述基体和环垫的外侧均固定设有立脊，立脊的分布与组装板的边板和中板沿圆周的分布相对应。

进一步地，所述套杆材质的弹性模量小于拉杆材质弹性模量；所述边板和中板的长度等于2~5倍的锚孔直径；所述咬合台的基垫的截面直径等于2/3~1倍的锚孔直径；所述承压台的环垫的截面直径等于锚孔直径。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

a.本实用新型设计了套杆，套杆材料选择与土遗址物理力学最大兼容的杆材，作为拉杆与浆体材料物理力学指标的中间过渡层。

b.本实用新型设计了咬合台，咬合台的使用增加了杆体与浆体间的咬合摩擦，充分利用了浆体的抗剪和抗压强度，增加了锚杆的中段和后段的抗拔性能。

c.本实用新型设计了加固结构的米字板，使得锚杆在拉拔过程中充分利用了浆体和遗址体的围压，大大提升锚杆的锚固力可抗大变形性能；同时米字板为组装板，可充分利用前端较细的锚孔空间伸入孔底，在孔底组装成米字板，米字板的边板和中板的独立可拆卸结构以及可随套杆倾斜插入锚孔底部，在锚孔底部组装成整块结构的米字板的方式，减小了对土遗址体的钻孔损伤，最大程度的保护了土遗址。

d.本实用新型的操作简单、安装方便，各结构基于拉杆和套杆的组合基础上可独立使用，也可组合配套使用。

e.本实用新型的锚固性能和锚固机理更加符合土遗址的保护加固理念，本实用新型基于“小损伤，高锚力，抗大变形”的土遗址锚固特点提出，可充分改善传统的土遗址锚固系统的性能。

f.本实用新型的设计兼顾考虑了科研实验和施工生产的要求，使得整套装置制造简单、造价低廉，维护保养便捷，有利于大范围推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型图1中锚杆的结构示意图。

图3为本实用新型图2中拉杆的结构示意图。

图4为本实用新型图2中套杆的剖面图。

图5为本实用新型图4的俯视图。

图6为本实用新型的套杆的侧视图。

图7为本实用新型的咬合台的侧视图。

图8为本实用新型图7的仰视图。

图9为本实用新型的承压台的侧视图。

图10为本实用新型图9中a-a向剖视图。

图11为本实用新型图9的仰视图。

图12为本实用新型的米字板的边板结构示意图。

图13为本实用新型图12的俯视图。

图14为本实用新型边板的侧视图。

图15为本实用新型的米字板的中板结构示意图。

图16为本实用新型图15的俯视图。

图17为本实用新型中板的侧视图。

图18为本实用新型的米字板的组合示意图。

图19为本实用新型图2的右视图。

图中，1为拉杆，11为螺纹杆，12为锥台锁，2为套杆，21为第一台阶，22为第二台阶，23为第三台阶，24为通孔，25为穿杆孔，3为咬合台，31为台基，32为边肋，33为基垫，34为锥度孔，35为通用槽，4为承压台，41为基体，42为立脊，43为环垫，44为锥台孔，45为三棱固，5为米字板，51为边板，511为边翼板，512为边槽，513为边板孔，52为中板，521为中翼板，522为中槽，523为中板孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种土质遗址锚固系统，包括设置在危险体和遗址本体中的锚孔8，危险体位于遗址本体滑动面上，用于保护遗址本体，所述锚孔8的横截面为t形，即伸入遗址本体的锚孔的直径大于锚孔前端，从而与遗址土体更好的锚固，锚孔8底部的灌浆体7设置在遗址本体中且灌浆体7的直径大于锚孔8前端的直径，灌浆体7用于注渗浆液，从而将危险体与遗址土体进行锚固。所述锚孔8内设有锚杆6，锚杆6增加了锚孔注浆的稳固性，锚杆6的锚头9固定设置在危险体内，锚头可以调节锚杆6在锚孔中的位置，从而实现锚杆6与锚孔8通过注浆进行锚固。

如图2所示，锚杆6包括拉杆1、套杆2和米字板5，拉杆1的外部套设有套杆2，拉杆1的底部套设有米字板5，米字板5为组装板，方便通过倾斜进入锚孔8的前端，然后到锚孔8的底部进行组装，增加了米字板5的长度，更好的与锚孔进行锚固。拉杆1的尾部固定有与米字板5相匹配的承压台4，承压台4与米字板5可拆卸连接，米字板5和承压台4设置在灌浆体7内。米字板5的长度与灌浆体的直径相同，从而使米字板展开后整个围满灌浆体7，实现更强的锚固。承压台4固定在拉杆1的底部，承压台4用于辅助米字板5的安装和固定，从而将土遗址的作用力传送至拉杆1。

套杆2胶结于拉杆1的外壁上，拉杆1为主杆，套杆2材质的弹性模量小于拉杆1材质弹性模量；例如，拉杆1的材质可为gfrp纤维材质，抗拉性能较好；套杆2的材质可为木质，但不局限于这样种材质。套杆2可以增大锚杆的杆径，同时木质可以实现抗拉性能好的拉杆1与锚孔中浆液的过渡，加固了拉杆与锚孔的连接。本实用新型的拉杆选择耐腐蚀抗拉性能优异的杆材作为整体的受力核心；套杆材料选择与土遗址物理力学最大兼容的杆材，作为拉杆与浆体材料物理力学指标的中间过渡层。拉杆1的端部设有加固结构，加固结构设置在伸入遗址土体内，加固结构的直径比拉杆的直径大，可以增加与锚孔的锚固能力。

如图12-18所示，所述米字板5包括边板51和中板52，边板51和中板52相卡接，通过卡槽卡接方便在锚孔中调节，边板51和中板52均套设在套杆2上，即方便边板51和中板52倾斜的从锚孔进入锚孔底部的大直径区域，然后在大直径区域对其组装成米字形或十字形结构，即一个边板51和一个中板组成十字形结构，两个相同结构的边板51和一个中板可以组成米字形结构。边板51和中板52均与承压台4可拆卸连接，在组装中承压台4实现对米字板的固定。边板51和中板52的长度大于承压台4的直径，增大米字板围成圆形的直径可以增加与浆体和遗址土体的围压，增加其抗压变形能力。在本实用新型的图18中，两块边板分别位于中板的两侧，3块相邻的板互成60度夹角即是正六边形的6条边。如图12所示，所述边板51包括边翼板511和边板孔513，边板孔513设置在边翼板511的中心，边板孔513贯穿边板的中心，边板孔513套设在套杆2上，边板孔513的直径稍大于套杆的直径，从而可以实现与套杆呈一定的夹角，当进入锚孔小直径区域时边翼板511可以倾斜着进入；所述中板52包括中翼板521和中板孔523，中板孔523设置在中翼板521的中心，中板孔523贯穿中板52的中心，中板通过中板孔523套设在套杆2上，中板孔523与边板孔513相对应，方便它们与套杆2的连接。所述边板51和中板52的长度等于2~5倍的锚孔直径，根据土遗址本身的抗剪强度数值不同，所使用的边板51和中板52的长度为锚孔直径倍数也不同，具体地说土遗址本身的抗剪强度越小，使用的倍数越大。

所述边板孔513的外圆周上设有边槽512，边槽512开在边板51的中间一侧即接近中板的一侧，如图13所示，边槽512设有两个，其中分别用于卡接中板和另一块边板，且如图12所示，两个边槽512的深度不同且槽线呈60角分布在边翼板511的中部，分别用于卡接中板和另一边板。中板孔523的外圆周上设有中槽522，如图15所示，中槽522分别设置在中板52的中间处的上下两侧，两个中槽522的槽线成异面60角，如图16所示，中槽522卡接在边槽512内，两个边板和中板通过边槽512与中槽522相卡接来实现整个米字板5的组装固定，如图18所示。组装完成后用承压台4固定相邻的边板和中板。米字板的使用，使得锚杆在拉拔过程中充分利用了浆体和遗址体的围压，大大提升锚固系统的锚固力可抗大变形性能。同时米字板为组装板，可充分利用前端较细的锚孔空间伸入孔底，在孔底组装成米字板。当米字板为十字形结构时，承压台4的环垫43的下部均匀分布有4个三棱固，用于卡接中板和边板，边板的中部一侧设有一个边槽512，中板的中部一侧设有一个中槽522，且边槽512和边板孔513的中心在一条直线上即上下对应，中槽522与中板孔523的中心在一条直线上即上下对应，边槽512和中槽相卡接可以形成十字形。

如图2所示，所述套杆2的数量设有至少两个，套杆2之间设有咬合台3，咬合台3通过锥台锁12固定在拉杆1上，咬合台3为锥形结构且横截面积大的一端朝向锚头，横截面积小的一端朝向锚孔底部，咬合台3增加拉杆与浆体和锚孔的接触面积，横截面积大的一端增加了拉杆与锚孔的咬合。所述承压台4通过锥台锁12固定在拉杆1的底部，实现对米字板5的固定。如图3所示，拉杆1包括螺纹杆11，螺纹杆11上设有锥台锁12，锥台锁12通过内置螺旋和丝扣间充填粘结剂固结螺纹杆11上，从而实现锥台锁12与螺纹杆11的固结。锥台锁12的锥形的小头端朝向拉杆1的锚头端，可以实现与咬合台3和承压台4的固定连接，即拉动拉杆1，由于浆液和土体的作用使咬合台3和承压台4的作用力朝向锚孔的底部，更进一步增加了锚杆的锚固作用。且锥台锁12的锥形的小头端抵在套杆2上，防止其在使用中发生位移。

如图4所示，所述套杆2的中心设有穿杆孔25，拉杆1设置在穿杆孔25内，穿杆孔25的内壁上设有台阶，台阶增大了穿杆孔25内壁的锥度，增加了与拉杆粘结的界面，增打了拉杆1和套杆2的咬合。穿杆孔25上设有与外部连通的通孔24，方便向穿杆孔内注入粘结剂，实现拉杆1和套杆2的固结。所述台阶包括第一台阶21、第二台阶22和第三台阶23，第一台阶21、第二台阶22和第三台阶23所在的穿杆孔25的直径依次增加，即沿着拉杆从锚头到锚孔底部第一台阶21、第二台阶22和第三台阶23依次设置，第一台阶21、第二台阶22和第三台阶23上均设有通孔24，通孔24设置在第一台阶21、第二台阶22和第三台阶23的长度中间，如图5和图6所示，通孔分别位于三个台阶的中部，通过设置三个台阶和三个通孔，可以利用中间的通孔24向穿杆孔25注入粘结剂，待两边的通孔溢出粘结剂时表明粘结剂已经注满穿杆孔25。通孔24直径的范围为3mm~6mm，套管2的长度在30~60cm。

如图7所示，所述咬合台3包括台基31、基垫33、锥度孔34和通用槽35，台基31的底部固定设有基垫33，台基31的形状为凸台形，且凸台形横截面积大的一端朝向锚头即土遗址外侧，基垫33的作用是保护台基31。台基31和基垫33的中部设有与锥台锁12相匹配的锥度孔34，锥度孔34贯穿台基31和基垫33的中心，如图8所示，锥度孔34的直径大的一端朝向锚孔底部、直径小的一端朝向锚头，基垫33上设有通用槽35；所述台基31和基垫33的外圆周上均固定设有边肋32，边肋32用于加固台基31和基垫33。边肋32的数量设有6个，它们互成60角固结于台基31的外圆周上。通用槽35的数量设有2个，分别位于台基31两侧且基垫33夹着通用槽35。通过通用槽35可以在米字板伸入锚孔后进行组装调节，同时也方便后续向锚孔中注浆，另一方面也节省了材料，方便注浆的过程中，锚孔中的气体通过通用槽排出锚孔。所述咬合台3的基垫33的截面直径等于2/3~1倍的锚孔直径，方便咬合台3插入锚孔，且同时可以实现咬合台与浆体和锚孔的锚固。

如图9所示，所述承压台4包括基体41、环垫43、锥台孔44和三棱固45，基体41的底部固定有环垫43，环垫43直接与米字板5相接触，用于保护基体41，环垫43的下部固定设有三棱固45，三棱固45的结构是三棱柱，三棱固45与组装板的边板51和中板52相匹配；如图18所示，三棱固45的数量设有6个，三棱固45卡在相邻的边板和中板的夹角之间，从而固定米字板5。三棱固45的长度等于2/3的环垫43厚度，6个三棱固45互成60角固结于环垫43下方。基体41和环垫43中部设有与锥台锁12相匹配的锥台孔44，如图10和图11所示，锥台孔44贯穿基体41和环垫43的中心，即锥台孔44直径小的一端朝向锚头、直径大的一端朝向锚孔底部；所述基体41和环垫43上均固定设有立脊42，立脊42用于保护基体41和环垫43，增加其可靠性。立脊42的分布与组装板的边板51和中板52沿圆周的分布相同，如图19所示。所述承压台4的环垫43的截面直径等于锚孔直径，方便伸入锚孔的底部，且可以辅助米字板的安装和固定。拉杆1与套杆2的合体可独立使用，也可与咬合台3、承压台4中的一种或多种联合使用。

本实用新型的锚固方法的步骤为：

步骤一、套杆2胶结于拉杆1：

将拉杆1由套杆2的穿杆孔25穿过，即套杆2穿在拉杆1上，使套杆2的轴心与拉杆1的轴心共线，通过套杆2上的通孔24向套杆2内部注射粘结剂封住穿杆孔25；对套杆2和拉杆1间的粘结剂进行养护，直到拉杆1和套杆2间粘结达到预定粘结强度；通过粘结剂可以实现套杆2和拉杆1的胶结从而实现固结。

步骤二、米字板5和承压台4的安装：

将米字板的边板51的边槽对准中板52的中槽522，然后按着米字板5的边板51、中板52和边板51的顺序套装在套杆2上；从而方便后续三个板的卡接。将承压台4的锥台孔44的内壁涂粘结剂并胶结于锥台锁12上，将锥台锁12内螺旋面涂粘结剂，将锥台锁12胶结于拉杆1上，对各涂粘结剂的面养护至粘结剂的预定强度；通过锥台锁实现承压台与拉杆1的固定连接。

步骤三、锚孔中布设预制锚杆：

预制锚杆即是步骤一和步骤二制作的，将套杆2上的边板51和中板52倾斜，边板51和中板52的长度大于锚孔的直径，倾斜方便边板和中板进入锚孔并深入底部，随套杆2插入锚孔中的预定位置；利用长杆及外部探视设备将锚孔底部的边板51和中板52组装成米字板并置于锚孔的底部，即将相邻的边板和中板通过中槽和边槽进行卡接，将相邻的边板51和中板52安装在承压台4的三棱固45内；向后推动组装好的米字板并旋转，从而将6个三棱固45分别卡接在相邻的边板和中板之间围成的空间，三棱固45对米字板进行定位。

步骤四、分段锚固段注入不同强度等级浆液：

向锚孔内插入注浆管，注浆管可以设置在咬合台的通用槽内，与米字板接触的浆液注入最大强度浆液，从米字板到锚孔出口的浆液强度依次递减，一段套杆匹配一种强度的浆液；对浆液养护，使其达到预定强度；由里到外分段分强度注浆，大大提升了锚杆性能。

本发明考虑了锚杆的递进式传力机制，提出由里到外分段分抗压强度注浆的方法，使得靠近锚头的逐渐远端浆液的抗压强度逐渐增加，这种设置方式可实现锚固长度前段的杆体发生相对较大位移，锚固中后段发生相对较小的位移，从而充分改善了锚杆在不同锚固段内的位移情况，有利于杆体-浆体界面的均匀受力，大大提升锚固系统性能。

步骤五、安装锚头：对锚杆施加1~3kn的预应拉拔力，在拉杆的伸出端部安装锚头。如图1所示，锚头安装在遗址土体的外部。

所述步骤一中向套杆2内部注射粘结剂封住穿杆孔25的方法为：由套杆2的第二台阶22上的通孔24向穿杆孔套25内部注射粘结剂，封堵套杆两端的穿杆孔25，当粘结剂由套杆2的第一台阶21和第三台阶23的通孔24溢出时停止注射粘结剂。首先封住套杆两端的穿杆孔25，由第二台阶22上的通孔24向穿杆孔25内部注射粘结剂，套杆2的第一台阶21和第三台阶23的通孔24作为排气孔，当排气孔已经溢出粘结剂，则证明穿杆孔25已经注满粘结剂了。

在锚杆需要用到咬合台3时，在步骤一的套杆2胶结于拉杆1之后增加咬合台3固结于拉杆1的步骤：在咬合台3的锥度孔34内壁上涂抹粘结剂，将拉杆1穿过锥度孔34，并将锥台锁12内螺旋面涂抹粘结剂安装于拉杆上，再将咬合台3的锥度孔34胶结于锥台锁12上，对各涂粘结剂的面进行养护，直至到达粘结剂的强度；在步骤三中长杆和步骤四的注浆管均通过咬合台3的通用槽35伸入锚孔底部。咬合台的使用增加了杆体与浆体间的咬合摩擦，充分利用了浆体的抗剪和抗压强度。

本实用新型提出的由里到外分段分强度注浆的方法均是对锚杆性能的大大提升。而且以上各结构基于拉杆和套杆的组合基础上可独立只用也可组合配套使用。本实用新型基于“小损伤，高锚力，抗大变形”的土遗址锚固特点，可充分改善传统的土遗址锚固系统的性能。

本实用新型适用于多种锚固长度、多种锚孔直径和有抗大变形要求的土遗址锚固，在较小的损伤土遗址的情况下，提供了更大的持续锚固力。为土遗址杆体-浆体界面物理力学兼容提供了有利条件，解决了杆体易断的问题。咬合台和米字板使得杆体和浆体间咬合作用增加，充分利用了浆体和遗址土体的抗压性能。全面提升了土遗址锚固系统的锚固性能。在土质遗址锚固工程实践中发挥了积极的作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。