一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置及方法与流程

本发明涉及土层锚固领域，尤其是一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置及方法。
背景技术：
：土层锚固技术起源于20个世纪，1969年在墨西哥召开的第七届国际土力学和基础工程会议上，曾把土层锚杆技术作为单独的讨论议题。七十年代以后，在召开的多次地区性国际会议上，均有涉及有关锚杆技术的经验与研究介绍。当前锚杆技术的试验和理论研究仍在不断发展之中。八十年代以来，瑞典、德国、美国、英国、日本等国家分别研制了多种不同类型的锚杆施工工具和灌浆工艺，各国还各自制定了锚杆设计和施工的技术规程。锚杆技术在经济建设中正起着越来越重要的作用。土层锚杆在交通、水利、建筑、电力、市政、采矿等领域有着广泛的应用。在边坡治理工程中，锚杆支护是一种最为常见的加固方式，锚杆锚固技术以其显著的技术经济效益，获得了广泛的应用。据不完全统计，仅2005年国内外各类岩石锚杆已达600余种，使用量就已达2.5亿根之多。提高锚杆抗拔力在锚杆锚固工程中具有极高的经济效益。现有试验研究成果指出，锚杆锚固体在受到围压下，其极限抗拔力会有较大程度的增加。因此，创造并利用锚杆钻孔周围岩体侧向压力，对提高锚杆抗拔力具有重要意义。目前，在施工方法上我国还是以水泥注浆的锚杆为主，在水泥注浆的锚杆中，国内锚固工程一般采用425标号的普通硅酸盐水泥浆液，其凝结时间长，早期强度低，养护时间长，造成了施工周期过长的问题，亟待一种新的施工工艺改变这一现状。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置及方法，可以解决常规锚杆在支护过程中锚杆与锚固体发生滑动的问题，大幅提高锚杆抗拔力及支护效果，且结构简单，材料易得，易操作，大幅节约试验成本及周期。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置，包括置于锚洞内的底部带有刚性圆盘的锚杆，刚性圆盘放置于锚洞底部，刚性圆盘上的锚洞内部空间由下至上分别浇筑有第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层、第三膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层，n≥2，第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层、第三膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量xn依次减少，n＝n膨胀剂掺量xn＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，第一膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x1≤35％，第n膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内膨胀剂掺量xn＞0％，第n膨胀性水泥层顶端浇筑有水泥层，水泥层顶端距离锚洞洞口的距离为10-20cm。优选地，各层膨胀性水泥层之间，第n膨胀性水泥层与水泥层之间设置有分隔板。优选地，第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层、第三膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层的高度为20-30厘米。优选地，n＝3，第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层、第三膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量xn按5％的量依次递减。一种采用上述装置形成多层扩头大幅提高抗拔力的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：钻孔：在支护边坡上进行钻孔形成锚洞；步骤2：制作底部带有刚性圆盘的锚杆；步骤3：配制不同膨胀剂掺量xn的膨胀性水泥浆，n＝1、2、3…n，x1、x2、x3…xn依次减小,x1≤35％、xn＞0％；步骤4：植杆及浇筑：将底部带有刚性圆盘的锚杆垂直放入锚洞，保证锚杆处于锚洞正中位置，利用注浆设备向锚洞内注入膨胀剂掺量为x1的膨胀性水泥浆形成第一膨胀性水泥层，注浆完成后放置分隔板，再在分隔板上浇筑膨胀剂掺量为x2的膨胀性水泥浆形成第二膨胀性水泥层，注浆完成后放置分隔板，以此类推，完成膨胀剂掺量为xn的第n膨胀性水泥层的浇筑；步骤5：在第n膨胀性水泥层的顶端浇筑水泥浆形成水泥层；第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层、第三膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层体积膨胀，形成锚固体多层分层扩头，大幅提高锚杆的抗拔力。本发明的另一种形式为：一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置，包括置于锚洞内的底部带有刚性圆盘的锚杆，刚性圆盘放置于锚洞底部，刚性圆盘上的锚洞内部空间由下至上分别浇筑有第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层，n≥2，第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量xn依次减少，n＝n膨胀剂掺量xn＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，第一膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x1≤35％，第n膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内膨胀剂掺量xn＞0％，每两层膨胀性水泥层之间浇筑有水泥层，第n膨胀性水泥层顶端浇筑有顶部水泥层，顶部水泥层顶端距离锚洞洞口的距离为10-20cm。优选地，各膨胀性水泥层与各水泥层之间设置有分隔板。优选地，n＝2，第一膨胀性水泥层和第二膨胀性水泥层所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量xn按10％的量依次递减。一种采用上述装置形成多层扩头大幅提高抗拔力的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：钻孔：在支护边坡上进行钻孔形成锚洞；步骤2：底部带有刚性圆盘的锚杆；步骤3：配制不同膨胀剂掺量xn的膨胀性水泥浆，n＝1、2…n，x1、x2…xn依次减小，x1≤35％、xn＞0％；步骤4：植杆及浇筑：将底部带有刚性圆盘的锚杆垂直放入锚洞，保证锚杆处于锚洞正中位置，利用注浆设备向锚洞内注入膨胀剂掺量为x1的膨胀性水泥浆形成第一膨胀性水泥层，注浆完成后放置分隔板，再在分隔板上浇筑水泥层，在水泥层上浇筑膨胀剂掺量为x2的膨胀性水泥浆形成第二膨胀性水泥层，注浆完成后放置分隔板，再浇筑水泥层，以此类推，完成第n膨胀性水泥层及两层膨胀性水泥层之间水泥层的浇筑；步骤5：在第n膨胀性水泥层的顶端浇筑水泥浆形成顶部水泥层；第一膨胀性水泥层、第二膨胀性水泥层…第n膨胀性水泥层体积膨胀，形成锚固体多层分层扩头，大幅提高锚杆的抗拔力。本发明提供的一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置及方法，有益效果如下：1、首次将大幅提高锚杆锚固段浆体中膨胀剂掺量应用于土层锚固技术中，打破了膨胀剂主要应用于静态爆破和微膨胀混凝土的工程常规，建立大掺量膨胀剂高强预压锚固理论技术体系。2、在锚洞中注入不同膨胀剂掺量的膨胀水泥浆，通过膨胀性水泥浆扩头效应，形成锚固体多层分层扩头，在土体中锚杆抗拔力最大增幅可达480％，大幅降低锚杆接触水与空气的概率，提高锚杆的耐久性，从而大幅提高锚杆抗拔力和使用寿命周期。3、不同膨胀剂掺量的膨胀水泥浆可以在锚洞中形成多层扩头，与其它类锚固技术相比：①节约机械锚固头费用；②实现土中自动扩头，节约购置扩头设备成本(约65万元)；③跳过扩头工序，缩减锚固支护一半工期。4、在锚杆底部设置刚性圆盘，将拉力型锚杆转换为压力型锚杆，从而大幅提高锚杆抗拔力和使用寿命周期。5、可以大幅节约施工成本，缩短施工工期，加快施工进度，提高安全储备，具有较广阔的工程运用前景。本发明能解决常规锚杆锚固力不足的问题，通过利用膨胀水泥浆自动扩头效应，运用新工艺改拉力型锚杆未压力型锚杆，在最小成本下将锚固力达到最大化，能解决常规锚杆在支护过程中锚杆与锚固体发生滑动的问题，大幅提高锚杆抗拔力及支护效果，且该方法结构简单，材料易得，易操作，大幅节约试验成本及周期，广泛适用于铁路、公路、隧道、水利工程、采煤矿井坑道及国防、基坑工程、等支护工程中。附图说明下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明实施例一装置的结构示意图；图2为本发明实施例二形成多层扩头的示意图；图3为本发明实施例三膨胀剂掺量为10％的膨胀水泥浆压力值；图4为本发明实施例三膨胀剂掺量为15％的膨胀水泥浆压力值；图5为本发明实施例三膨胀剂掺量为20％的膨胀水泥浆压力值；图6为本发明实施例四装置的结构示意图；图7为本发明实施例五形成多层扩头的示意图。具体实施方式实施例一如图1所示，一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置，包括置于锚洞5内的底部带有刚性圆盘8(优选为铁圆盘)的锚杆1，刚性圆盘8放置于锚洞5底部，刚性圆盘8上的锚洞5内部空间由下至上分别浇筑有第一膨胀性水泥层7、第二膨胀性水泥层6、第三膨胀性水泥层3，第一膨胀性水泥层7所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x1＝20％；第二膨胀性水泥层6所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x2＝15％；第三膨胀性水泥层6所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x3＝10％；膨胀剂掺量xn＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，第三膨胀性水泥层6顶端浇筑有水泥层2，水泥层2顶端距离锚洞5洞口的距离为10-20cm。各层膨胀性水泥层之间，第三膨胀性水泥层6与水泥层2之间设置有分隔板4，分隔板4优选为中心开孔的圆形塑料薄板，中心孔径应等于锚杆1直径，外径小于或等于锚固孔洞孔径。其目的在于防止注浆时不同含量膨胀水泥浆混浆，避免影响膨胀效果，减小对拉拔力的影响。第一膨胀性水泥层7、第二膨胀性水泥层6、第三膨胀性水泥层3的高度为20-30厘米。实施例二一种采用实施例一所述的装置形成多层扩头大幅提高抗拔力的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选取一块稳定的支护边坡，将表面的杂物清除并挖出表面的软土层；步骤2：钻孔：在支护边坡上进行钻孔形成锚洞5，锚洞的高度为1.5米，直径为6厘米；步骤3：制作底部带有刚性圆盘8的锚杆1，锚杆1长度为1.8米，外径为22毫米；步骤4：配制不同膨胀剂掺量xn的膨胀性水泥浆，n＝1、2、3…n，x1＝20％，x2＝15％，x3＝10％；配制方法如下：配制膨胀剂含量为10％,15％，20％的膨胀性水泥浆和不含膨胀剂的水泥浆，即取普通硅酸盐水泥1800g、1700g、1600g，共三组。再取膨胀剂200g、300g、400g，再称出三组温水(50摄氏度左右)，每组700g，并将组号依次标记为1、2、3，将所称取的水泥、膨胀剂倒入搅拌桶搅拌均平后再加入水进行搅拌，配制成不同膨胀剂含量如下的膨胀剂的膨胀水泥浆三组：10％、15％、20％。另外再取2000g普通硅酸盐水泥和700g温水配制不含膨胀剂的水泥浆。步骤5：植杆及浇筑：将底部带有刚性圆盘8的锚杆1垂直放入锚洞5，保证锚杆1处于锚洞5正中位置，利用注浆设备向锚洞5内注入膨胀剂掺量为x1的膨胀性水泥浆形成第一膨胀性水泥层7，注浆完成后放置分隔板4，再在分隔板4上浇筑膨胀剂掺量为x2的膨胀性水泥浆形成第二膨胀性水泥层6，注浆完成后放置分隔板4，以此类推，完成膨胀剂掺量为x3的第三膨胀性水泥层6的浇筑；步骤6：在第三膨胀性水泥层6的顶端浇筑水泥浆形成水泥层2；第一膨胀性水泥层7、第二膨胀性水泥层6、第三膨胀性水泥层3体积膨胀，形成锚固体多层分层扩头，如图2所示，实现大幅提高锚杆的抗拔力。实施例三对实施例二安装的装置进行压力测试和抗拔力拉拔试验，在将锚杆1放入锚洞之前在锚杆1上粘贴应变片：根据锚固段长度l等间距(10厘米)粘贴应变片，用锡焊将应变片引线与导线焊接，涂上704密封胶水，并用绝缘胶布包扎后，最后进行应变片电阻测量(一般为120欧姆)，以检测应变片的粘贴效果，将应变片及连接导线用绝缘胶带固定在锚杆杆体上，以便随锚杆1一同放入锚洞5内。待所有浆体注浆完成之后利用压力采集系统，对安装好的装置进行压力测试，即从膨胀水泥浆初凝开始，测试膨胀压力的变化情况。灌浆完成后的4小时内不间断测量，待浆体终凝过后，每隔12小时测试一次，直到其膨胀力不变为止；孔洞内不同深度膨胀剂掺量为10％、15％、20％的膨胀水泥浆压力值如图3、4和5所示。养护30天后，采用拉拔仪、静态应变采集仪、百分表等技术手段，进行逐级加载拉拔试验，测得锚杆拉拔过程中的抗拔力、应变、位移等参数；锚洞孔洞内不同深度膨胀剂掺量为10％、15％、20％的膨胀水泥浆以及不含膨胀剂的水泥浆的最大抗拔力如表1所示：表1不同膨胀剂含量下压应力最大值与稳定值膨胀剂含量(单孔锚杆)最大抗拔力kn最大膨胀压应力mpa稳定后膨胀压应力mpa0127——10％2235.485.4715％2398.288.2620％1683.822.68由图3-5及表1的数据可知，未加膨胀剂的锚杆与添加不同含量膨胀剂的锚杆最大抗力相差近一倍，且随着膨胀剂含量的增加锚杆抗拔力呈现递增趋势，故本发明所述的一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置及方法，不仅提高锚杆的抗拔力，减小了锚杆锚固性能失效的风险，还具有较广阔的工程运用前景实施例四如图6所示，一种土层锚固中大幅提高抗拔力的装置，包括置于锚洞7内的底部带有刚性圆盘6的锚杆1，刚性圆盘6放置于锚洞7底部，刚性圆盘6上的锚洞7内部空间由下至上分别浇筑有第一膨胀性水泥层5、第二膨胀性水泥层3，第一膨胀性水泥层5所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x1＝20％、第二膨胀性水泥层3所用膨胀性水泥浆内的膨胀剂掺量x2＝10％；膨胀剂掺量xn＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，第一膨胀性水泥层5和第二膨胀性水泥层3之间浇筑有不含膨胀剂的水泥层4，第二膨胀性水泥层3顶端浇筑有顶部水泥层2，顶部水泥层2顶端距离锚洞5洞口的距离为10-20cm。各膨胀性水泥层与各水泥层之间设置有分隔板8。实施例五一种采用实施例四所述的装置形成多层扩头大幅提高抗拔力的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选取一块稳定的支护边坡，将表面的杂物清除并挖出表面的软土层；步骤2：钻孔：在支护边坡上进行钻孔形成锚洞5，锚洞的高度为1.5米，直径为6厘米；步骤3：制作底部带有刚性圆盘8的锚杆1，锚杆1长度为1.8米，外径为22毫米；步骤4：配制不同膨胀剂掺量xn的膨胀性水泥浆，n＝1、2、3…n，x1＝20％，x2＝10％；步骤5：植杆及浇筑：将底部带有刚性圆盘6的锚杆1垂直放入锚洞7，保证锚杆1处于锚洞7正中位置，利用注浆设备向锚洞7内注入膨胀剂掺量为x1的膨胀性水泥浆形成第一膨胀性水泥层5，注浆完成后放置分隔板8，再在分隔板8上浇筑水泥层，在水泥层上浇筑膨胀剂掺量为x2的膨胀性水泥浆形成第二膨胀性水泥层6，注浆完成后放置分隔板8；步骤6：在第二膨胀性水泥层6的顶端浇筑不含膨胀剂的水泥浆形成顶部水泥层2；第一膨胀性水泥层5、第二膨胀性水泥层3体积膨胀，形成锚固体多层分层扩头，如图7所示，实现大幅提高锚杆的抗拔力。上述各实施例中所用水泥均为普通硅酸盐水泥。上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制。本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围，应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案等，为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。当前第1页12