加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法
【专利摘要】加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法，所述的结构由石灰钉、预应力锚管、框架构成；框架由横梁和立柱组成；锚管由止浆塞、周围带孔的中空杆体及钻头构成。采用小型搅拌设备将软弱土体、石灰和水泥浆均匀搅拌，形成微型石灰钉，将其等间距布置在待加固土体上，在石灰钉构成的正方形中心夯入锚管；锚管中注入锚固剂，施作框架，待浆液固化后施加预应力，形成石灰钉复合预应力框架锚管。
【专利说明】加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及软弱土地区的基坑、边坡支护技术。
【背景技术】
[0002]在软弱土体公路、建筑工程建设中，边坡及基坑的支护多采用框架预应力锚杆挡土墙加固。由于软土天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度较低、土体本身的物理力学性质差，导致设于其内的锚杆抗拔承载力较低，故支护处理的边坡高度和基坑深度通常较小，深度较大则只能采用排桩或内支撑等其他支护形式，造成工程费用高，施工周期长。传统的各种喷锚支护采用预成孔锚杆，这种锚杆在基坑或边坡施工时首先按设计要求进行钻孔，钻孔后将钢绞线或钢筋连同注浆管一同放入孔中，然后进行注浆；但在软弱土地区应用预成孔后容易造成塌孔现象，严重降低工作效率。另外，由于注浆压力难以控制造成注浆的效果不理想，且注浆材料主要以普通水泥为主，使得锚杆注浆体与土层的接触面积小，不能提供较大的摩阻力，故锚杆的抗拉能力较小，达不到加固效果；普通喷锚支护需用大量的钢筋网做护面，造成工程造价较高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法。
[0004]本发明是加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法，加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，由石灰钉4、立柱2、横梁3和预应力锚管I组成，预应力锚管I位于石灰钉4构成的正方形中心；立柱2、横梁3和预应力锚管I构成空间结构体系，预应力锚管I穿过立柱2与横梁3的交叉部位；预应力锚管I由止浆塞11、中空杆体7、出浆孔洞8及钻头9构成；在预应力锚管I内注入快硬高强水泥锚固剂13，钢垫板10将预应力锚管I的端部锚定在立柱2与横梁3的交叉部位，框架所受的土压力通过钢垫板10传至预应力锚管1，并通过预应力锚管I锚固在稳定地层中。
[0005]加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其步骤为:
(1)施工石灰钉4:使用成钉设备在饱和软土坡上使土体和固化剂12均匀搅拌，形成直径为200mnT300mm的石灰钉4 ;石灰钉4等间距布置在待加固土体上，其纵、横向间距均为1200mnTl500mm ；
(2)制作和施工预应力锚管1:首先在中空杆体7上用钻机钻出浆孔洞8，将中空杆体7的前端轧制成尖状或扁状的钻头9 ;使用夯击设备在石灰钉4构成的正方形中心夯入预应力锚管1，其间距为2.5nT3m ;用注浆管在预应力锚管I内注入快硬高强水泥锚固剂13，部分快硬高强水泥锚固剂13从出浆孔洞8渗出，安装止浆塞11 ；
(3)浇注压顶冠梁6、立柱2和横梁3:在第一根立柱2和第一排横梁3的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁3、立柱2的钢筋骨架并浇筑混凝土 ；
(4)待立柱2、横梁3的混凝土强度达到85%以上时对中空杆体7进行预应力张拉，形成预应力锚管1，将钢垫板10与预应力锚管I焊接连接，然后做用于保护止浆塞11的端头和钢垫板的混凝土喷层14 ；
(5)按照第(1)、(2)、(3)、(4)的步骤施工下一个工作面的石灰钉4、预应力锚管I和立柱2，横梁3、并完成各层预应力锚管I的张拉与锚固焊接；
(6)按照第(5)步工序施工石灰钉4、立柱2至立柱2的底端，在立柱2的底端设计位置处施工横梁3，制作其余预应力锚管I并完成相应工序；
(7)在立柱2的底端对应位置处制作基础桩5:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱2的底端外伸钢筋和基础桩5内钢筋焊接连接，浇注基础桩5。
[0006]本发明的有益效果是:本发明可以集夯击式中空锚管和搅拌石灰钉为一体，石灰钉加固土体为中空锚管提供足够摩阻力；框架与预应力锚管连接形成空间框架结构、两者协同工作提高了支护边坡、基坑的整体稳定性。此结构首先在饱和软土坡中形成直径为200mnT300mm的石灰钉,石灰与水迅速反生化学反应、放出热量,使软弱土体中部分水蒸发，且蒸发需水量大，还伴随着体积显著膨胀，这个特性能使土体中的水分和土颗粒间的孔隙减小，土体挤密、抗剪强度增大。另外，由于石灰与土之间的粘结较弱，采用水泥浆将其紧密粘结于一体，形成石灰钉，为提供较大的摩擦力做前提准备。石灰钉不仅能够固结土体，而且能代替普通喷锚支护中做护面的钢筋网，能够节约大量钢材，降低工程造价。其次，通过夯击中空锚管和压力注浆促使待加固土体更加致密，且使杆体直径增大，增大了锚管与周围土体的接触面积，并且注浆锚管与预先施作的搅拌石灰钉连成一体，进一步提高锚固力，保证了支护结构的有效性。注浆管上带的圆盘可以防止浆液沿锚管口流出，对注浆压力进行有效控制，保证注浆质量。锚管注浆材料采用快硬高强水泥锚固剂使其拥有吸水膨胀、速凝、固结土体的特性。吸水膨胀一方面能减少饱和软土体中的水分，另一方面能够挤密土体；速凝能为可靠的施工速度作保证；固结能确保土体水分的稳定性。本发明所提供的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法用于软弱土体的锚杆挡墙支护工程，弥补了现有锚杆技术与软弱土体的粘结强度低、锚杆抗拔承载力较低的缺陷，且结构设计简单、施工工艺安全可靠，提高了加固土坡的高度和经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本发明结构的立面图，图2是图1中的侧剖面图，图3是本发明的预应力锚管(I)结构详图，也是施工参照图，图中的中空杆体(7)在施工和施加预应力后的名称为预应力锚管(I)。图4是本发明施工的成钉结构图；图5是本发明施工的锚管安装图；图6是本发明施工的注浆图。
【具体实施方式】
[0008]本发明是加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构及施工方法，如图1、图
2、
图3所示，加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，由石灰钉4、立柱2、横梁3和预应力锚管I组成，预应力锚管I位于石灰钉4构成的正方形中心；立柱2、横梁3和预应力锚管I构成空间结构体系，预应力锚管I穿过立柱2与横梁3的交叉部位；预应力锚管I由止浆塞11、中空杆体7、出浆孔洞8及钻头9构成；在预应力锚管I内注入快硬高强水泥锚固剂13，钢垫板10将预应力锚管I的端部锚定在立柱2与横梁3的交叉部位，框架所受的土压力通过钢垫板10传至预应力锚管1，并通过预应力锚管I锚固在稳定地层中。[0009]如图2、图3所示，石灰钉4、预应力锚管I与水平面所成的夹角均为5° ^15°。
[0010]如图2所示，预应力锚管I的长度等于或小于石灰钉4的长度。
[0011]如图1所示,石灰钉4形状为圆柱状或类圆柱状,直径为200mnT300mm。
[0012]如图2、图3所示，构成预应力锚管I的中空杆体7直径为50mnT70mm，出浆孔洞8直径为5mm~10mm。
[0013]如图3所示，加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其步骤为:
(1)施工石灰钉4:使用成钉设备在饱和软土坡上使土体和固化剂12均匀搅拌，形成直径为200mnT300mm的石灰钉4 ;石灰钉4等间距布置在待加固土体上，其纵、横向间距均为1200mnTl500mm ；
(2)制作和施工预应力锚管1:首先在中空杆体7上用钻机钻出浆孔洞8，将中空杆体7的前端轧制成尖状或扁状的钻头9 ;使用夯击设备在石灰钉4构成的正方形中心夯入预应力锚管1，其间距为2.5nT3m ;用注浆管在预应力锚管I内注入快硬高强水泥锚固剂13，部分快硬高强水泥锚固剂13从出浆孔洞8渗出，安装止浆塞11 ；
(3)浇注压顶冠梁6、立柱2和横梁3:在第一根立柱2和第一排横梁3的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁3、立柱2的钢筋骨架并浇筑混凝土 ；
(4)待立柱2、横梁3的混凝土强度达到85%以上时对中空杆体7进行预应力张拉，形成预应力锚管1，将钢垫板10与预应力锚管I焊接连接，然后做用于保护止浆塞11的端头和钢垫板的混凝土喷层14 ；
(5)按照第(1)、(2)、(3)、(4)的步骤施工下一个工作面的石灰钉4、预应力锚管I和立柱2，横梁3、并完成各层预应力锚管I的张拉与锚固焊接；
(6)按照第(5)步工序施工石灰钉4、立柱2至立柱2的底端，在立柱2的底端设计位置处施工横梁3，制作其余预应力锚管I并完成相应工序；
(7)在立柱2的底端对应位置处制作基础桩5:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱2的底端外伸钢筋和基础桩5内钢筋焊接连接，浇注基础桩5。
[0014]在实施时，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐层、分段施工，其施工方法的步骤为:
(I)施工石灰钉4:使用成钉设备在饱和软土坡上使土体和固化剂12均匀搅拌，形成直径为200mnT300mm的石灰钉4。此石灰钉(4)等间距布置在待加固土体上，其纵、横向间距均为 1200mnTl500mm。
[0015]石灰钉4按图4施工,在动力机械105的带动下深层搅拌钻机106转动，并带动叶片104和钻头101旋转，石灰、水泥浆液泵107通过出浆管103进行喷浆，浆液通过孔洞102与周围土体结合，形成石灰钉4。
[0016](2)制作和施工预应力锚管1:首先在中空杆体7上用钻机钻孔洞8，将中空杆体7的前端轧制成尖状或扁状的钻头9。使用夯击设备在石灰钉4构成的正方形中心夯入预应力锚管1，其间距为2.5nT3m ;用注浆管在预应力锚管I内注入快硬高强水泥锚固剂13，部分快硬高强水泥锚固剂13从出浆孔洞8渗出，安装止浆塞11。[0017]预应力锚管I安装按图5施工，将锚管安置在锚杆夯入机，预应力锚管I与凿动器203连接，用固定柄202固定，在动力机械的作用下推动气动矛201工作，将锚管夯入土体。
[0018]注浆按图6施工，将带有圆盘的注浆管301深入至预应力锚管I孔底，注浆管301连接注浆泵303在注浆动力机械304的作用下进行注浆，一边注浆一边将注浆管301向外拔出，待锚管口有浆液溢出时，注浆完成，从而形成注浆锚管。
[0019](3)浇注压顶冠梁6、立柱2和横梁3:在第一根立柱2和第一排横梁3的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁3、立柱2的钢筋骨架并浇筑混凝土。
[0020](4)待立柱2、横梁3的混凝土强度达到85%以上时对中空杆体7进行预应力张拉，形成预应力锚管1，将钢垫板10与预应力锚管I焊接连接，然后做用于保护止浆塞11端头和钢垫板的混凝土喷层14。
[0021 ] (5)按照第(I)、(2)、(3)、(4)的步骤施工下一个工作面的石灰钉4、预应力锚管I和立柱2，横梁3、并完成各层预应力锚管I的张拉与锚固焊接。
[0022](6)按照第(5)步工序施工石灰钉4、立柱2至立柱2的底端，在立柱2的底端设计位置处施工横梁3，制作其余预应力锚管I并完成相应工序。
[0023](7)在立柱2的底端对应位置处制作基础桩5:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱2的底端外伸钢筋和基础桩5内钢筋焊接连接，浇注基础桩5。
[0024]成钉设备为深层搅拌机或高压旋喷机。夯击设备为锚杆夯入机。
[0025]如图6所示，注浆管301为前段带有圆盘302的塑料管，圆盘302的外径稍小于中空杆体7直径，圆盘302内径为20mnT30mm。
[0026]注浆材料为快硬高强水泥锚固剂13，采用快硬硫铝酸盐水泥熟料，加入半水石膏和生石灰，其用量如下:所述配比为重量百分比，快硬硫铝酸盐水泥熟料:83?89%，半水石膏粉:8?12%，生石灰:3-5%。石灰钉的固化剂12为石灰和水泥，其比例为8:2。
【权利要求】
1.加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，由石灰钉(4)、立柱(2)、横梁(3)和预应力锚管(I)组成，其特征在于预应力锚管(I)位于石灰钉(4)构成的正方形中心；立柱(2)、横梁(3)和预应力锚管(I)构成空间结构体系，预应力锚管(I)穿过立柱(2)与横梁(3)的交叉部位；预应力锚管(I)由止浆塞(11)、中空杆体(7)、出浆孔洞(8)及钻头(9)构成；在预应力锚管(I)内注入快硬高强水泥锚固剂(13)，钢垫板(10)将预应力锚管(I)的端部锚定在立柱(2)与横梁(3)的交叉部位，框架所受的土压力通过钢垫板(10)传至预应力锚管(I )，并通过预应力锚管(I)锚固在稳定地层中。
2.根据权利要求1所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，其特征在于:石灰钉(4)、预应力锚管(I)与水平面所成的夹角均为5° ^15°。
3.根据要求I所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，其特征在于:预应力锚管(I)的长度等于或小于石灰钉(4)的长度。
4.根据权利要求1所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，其特征在于:石灰钉(4)形状为圆柱状或类圆柱状,直径为200mnT300mm。
5.根据权利要求1所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构，其特征在于:构成预应力锚管(I)的中空杆体(7)直径为50mnT70mm，出浆孔洞(8)直径为5mm~10mmo
6.加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其步骤为: (I)施工石灰钉(4):使用成钉设备在饱和软土坡上使土体和固化剂(12)均匀搅拌，形成直径为200mnT300mm的石灰钉(4);石灰钉(4)等间距布置在待加固土体上，其纵、横向间距均为 1200mnTl500mm ； (2 )制作和施工预应力锚管(I):首先在中空杆体(7 )上用钻机钻出浆孔洞(8 )，将中空杆体(7)的前端轧制成尖状或扁状的钻头(9);使用夯击设备在石灰钉(4)构成的正方形中心夯入预应力锚管(1)，其间距为2.5nT3m ;用注浆管在预应力锚管(I)内注入快硬高强水泥锚固剂(13)，部分快硬高强水泥锚固剂(13)从出浆孔洞(8)渗出，安装止浆塞(11); (3)浇注压顶冠梁(6)、立柱(2)和横梁(3):在第一根立柱(2)和第一排横梁(3)的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁(3)、立柱(2)的钢筋骨架并浇筑混凝土 ； (4)待立柱(2)、横梁(3)的混凝土强度达到85%以上时对中空杆体(7)进行预应力张拉，形成预应力锚管(I )，将钢垫板(10)与预应力锚管(I)焊接连接，然后做用于保护止浆塞(11)端头和钢垫板的混凝土喷层(14)； (5)按照第(I)、(2)、(3)、(4)的步骤施工下一个工作面的石灰钉(4)、预应力锚管(I)和立柱(2)，横梁(3)、并完成各层预应力锚管(I)的张拉与锚固焊接； (6 )按照第(5 )步工序施工石灰钉(4 )、立柱(2 )至立柱(2 )的底端，在立柱(2 )的底端设计位置处施工横梁(3)，制作其余预应力锚管(I)并完成相应工序； (7)在立柱(2)的底端对应位置处制作基础桩(5):在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱(2)的底端外伸钢筋和基础桩(5)内钢筋焊接连接，浇注基础桩(5)。
7.根据权利要求6所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其特征在于:成钉设备为深层搅拌机或高压旋喷机。
8.根据权利要求6所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其特征在于:夯击设备为锚杆夯入机。
9.根据权利要求6所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其特征在于:注浆管(301)为前段带有圆盘(302)的塑料管，圆盘(302)外径稍小于中空杆体(7)直径，圆盘(302)内径为20mnT30mm。
10.根据权利要求6所述的加固软弱土坡石灰钉复合框架预应力锚管结构的施工方法，其特征在于:注浆材料为快硬高强水泥锚固剂(13)，采用快硬硫铝酸盐水泥熟料，加入半水石膏和生石灰，其用量如下:所述配比为重量百分比，快硬硫铝酸盐水泥熟料:83~89%，半水石膏 粉:8~12%，生石灰:3-5% ;石灰钉的固化剂(12)为石灰和水泥，其比例为8:2。
【文档编号】E02D5/74GK103485349SQ201310427628
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月20日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】董建华, 董旭光, 王永胜, 王冰霞, 吴意谦, 刘彦东 申请人:兰州理工大学