本发明属于锚固工程技术领域，具体涉及一种带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆及其施工方法。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，高层建筑和城市地下工程不断增多，由此而产生了大量深基坑开挖支护工程。随着基坑规模和深度的加大，工程事故和施工难题逐渐增多，尤其在我国沿海地区，软土地层分布广泛，土体含水率高、物理力学性质差，使得深基坑稳定性与锚固技术之间的矛盾变得非常紧迫而突出。传统锚固技术所采用的注浆锚杆很难为软土边坡提供理想的锚固效果，而扩大头锚杆凭借自身高承载力的特点在软土地区得到推广应用。目前，深基坑支护工程中采用较多的扩大头锚杆是高压喷射扩体锚杆，但在软土地区的深基坑工程中，高压喷射扩体锚杆存在成孔难、锚固段注浆体抗压强度不足、施工质量可控性差等一系列问题。然而，对于软弱土坡的治理不应只局限于提高支护结构承载力，提高土体力学特性同样值得重视，深基坑降水设计是基坑施工前重点考虑的关键问题之一，是提高土体力学强度的有效措施。因此，将扩大头锚固技术与排水技术相结合，是一种提高深基坑工程稳定性的较为有效的支护措施。
申请号为201420805558.2，名称为排水复合自钻胎串式锚杆支护结构的专利公开了一种将排水措施与扩大头锚固技术相结合的支护方法，其特征为自钻胎串式锚杆由中空杆体、胎体和钻杆连接而成，通过向自钻胎串式锚杆的胎体内充气，使胎体膨胀形成扩大段来为坡面提供较高承载力，依靠锚具和钢垫板将自钻胎串式锚杆固定于格梁，构成空间支护结构将软弱土坡锚固于稳定土体，通过在坡面施设排水板来达到基坑降水的目的，该方法能够有效排出坡面水分，且自钻胎串式锚杆具有较好的锚固效果，但是，相对来讲自钻胎串式锚杆的制造工艺较复杂、成本高、不便于施工，因此，需要一种制造工艺简单，成本低，便于施工的新型串式扩体锚杆。
吸水膨胀橡胶技术是一种在橡胶的弹性基体中引入亲水基团或亲水性组分的新型技术，当与水接触时，水分子会进入基体中，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力，并将橡胶中的亲水性物质溶解或溶胀，在橡胶内外形成渗透压差，这种压差促进水向橡胶内部渗透。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生形变。吸水膨胀橡胶遇水可膨胀至自身质量或体积的数倍乃至数百倍，能适应结构变形，并产生较大膨胀压力，在保持基体的弹性和强度的同时，还具有保水止水的能力。本发明将吸水膨胀橡胶技术引入到扩大头锚固技术中，并结合排水锚杆技术提出一种深基坑自排水串式扩体锚杆支护结构及施工方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆及其施工方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆，包括螺旋钻尖、变直径钢管、尾端钢管和吸水膨胀环，串式扩体锚杆最前端为螺旋钻尖，所述螺旋钻尖、变直径钢管和尾端钢管通过螺纹依次连接；所述吸水膨胀环套设在变直径钢管上，锚杆锚入基坑土体后，吸水膨胀环遇水膨胀形成扩大段提供锚固力。
在上述技术方案中，所述变直径钢管由至少一个大直径钢管和至少一个小直径钢管通过螺纹连接组成，吸水膨胀环套设在变直径钢管的小直径钢管上，大直径钢管连接在小直径钢管的锚入一端作为吸水膨胀环的阻挡阶梯。
在上述技术方案中，所述变直径钢管的大直径钢管、小直径钢管以及吸水膨胀环的安装个数根据基坑安全等级、锚固深度等设计要求而定。
在上述技术方案中，变直径钢管包括两个大直径钢管和两个小直径钢管，连接时，所述螺旋钻尖、一个大直径钢管、一个小直径钢管、另一个大直径钢管、另一个小直径钢管、尾端钢管通过螺纹依次连接。
在上述技术方案中，所述螺旋钻尖长度为0.4m～0.6m，表面设置螺旋叶片，螺旋叶片最大直径略大于或等于吸水膨胀环的初始外径。
在上述技术方案中，尾端钢管的钻进端设置螺纹，用于连接变直径钢管的小直径钢管。
在上述技术方案中，吸水膨胀环采用高强度高膨胀率吸水橡胶材料，膨胀率为200～400％；吸水膨胀环内径略大于小直径钢管的外径，优选为吸水膨胀环内径比小直径钢管的外径大1-5mm。
应用所述带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆的锚杆支护结构，将带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆按照钻设角度钻进基坑土体中，在基坑的坡面设置格构框架和挡土板，并用锚具将串式扩体锚杆的尾端钢管尾端固定在格构框架上，以形成锚杆支护结构；吸水膨胀环遇水膨胀形成扩大段，压缩挤密周围土体，为整个锚杆支护结构提供稳定的锚固力。
应用所述带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆的构建锚杆支护结构的具体施工方法如下：
①预制带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆各部分构件，用测量工具在基坑临空面确定锚杆的施设位置与角度；
②施设带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆：在基坑临空面按设计位置和施设角度，依次将螺旋钻尖、一根大直径钢管、一根小直径钢管连接，将吸水膨胀环套在小直径钢管的外围，再将小直径钢管的另一端与钻机连接；开动钻机，逐步将螺旋钻尖、大直径钢管、小直径钢管钻入基坑坡面，直至小直径钢管的末端临近坡面时停止钻进；之后可根据基坑安全等级、锚固深度等设计要求，继续连接大直径钢管、小直径钢管、吸水膨胀环并实施钻进；当单根带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆所需的最后一根小直径钢管钻进结束时，将尾端钢管与在小直径钢管通过螺纹连接，然后开动钻机，直至完成一整根锚杆的安装施工；
③施工格构框架和挡土板：在基坑坡面上铺设钢筋网，并按照设计要求喷射砂浆来完成格构框架和挡土板的施工，并用锚具将锚杆尾端固定在格构框架上；
④按步骤②～③的顺序在下一个工作面施工带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆、格构框架和挡土板，直至坡底。
本发明的优点和有益效果为：
本发明在串式锚杆上设置吸水膨胀环，锚杆钻入软土地基后，利用软土地基含水量高的特点同时结合吸水膨胀橡胶的吸水膨胀特性，吸水膨胀环会遇水膨胀形成扩大段，并压缩挤密周围土体，为锚杆提供稳定的锚固力。
本发明创造性地将吸水膨胀橡胶技术引入到扩大头锚固技术中，解决了在软土地区的深基坑工程中，高压喷射扩体锚杆存在成孔难、锚固段注浆体抗压强度不足、施工质量可控性差等一系列问题。同时，本发明的带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆制造工艺简单，成本低，便于施工。
附图说明
图1是本发明带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆的结构示意图。
图2是图1去掉吸水膨胀环的结构示意图。
图3是应用所述带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆的锚杆支护结构的示意图。
其中：1为螺旋钻尖，2为变直径钢管，3为尾端钢管，4为吸水膨胀环，5为格构框架，6为挡土板，2-1为大直径钢管，2-2为小直径钢管，1-1为螺旋叶片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
参见附图1，一种带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆，包括螺旋钻尖1、变直径钢管2、尾端钢管3和吸水膨胀环4，
串式扩体锚杆最前端为螺旋钻尖1，所述螺旋钻尖1、变直径钢管2和尾端钢管3通过螺纹依次连接，
所述变直径钢管2由至少一个大直径钢管2-1和至少一个小直径钢管2-2通过螺纹连接组成(大直径钢管2-1和小直径钢管2-2的两端均设置有螺纹接口)，吸水膨胀环4套设在变直径钢管2的小直径钢管2-2上，大直径钢管2-1连接在小直径钢管2-2的锚入一侧，即螺旋钻尖1、大直径钢管2-1、小直径钢管2-2依次通过螺纹连接；锚杆锚入基坑土体后，吸水膨胀环4遇水膨胀形成扩大段提供锚固力，变直径钢管2的大直径钢管2-1作为吸水膨胀环4的阻挡阶梯，防止锚杆脱锚，从而实现整个锚杆的固定；所述变直径钢管2的大直径钢管2-1、小直径钢管2-2以及吸水膨胀环4的安装个数根据基坑安全等级、锚固深度等设计要求而定，在本实施例中，如附图所示，变直径钢管2包括两个大直径钢管和两个小直径钢管，连接时，所述螺旋钻尖、一个大直径钢管、一个小直径钢管、另一个大直径钢管、另一个小直径钢管、尾端钢管通过螺纹依次连接。
施工时，参见附图3，将带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆按照钻设角度钻进基坑土体中，在基坑的坡面设置格构框架5和挡土板6，并用锚具将串式扩体锚杆的尾端钢管3尾端固定在格构框架5上，以形成锚杆支护结构；吸水膨胀环6遇水膨胀形成扩大段，压缩挤密周围土体，为整个锚杆支护结构提供稳定的锚固力。
在本实施例中所述螺旋钻尖1长度为0.4m～0.6m，表面设置螺旋叶片1-1，螺旋叶片1-1最大直径略大于或等于吸水膨胀环4的初始外径。尾端钢管3的钻进端设置螺纹，用于连接变直径钢管2的小直径钢管。吸水膨胀环4采用高强度高膨胀率吸水橡胶材料，膨胀率为200～400％；吸水膨胀环内径略大于小直径钢管2-2的外径(吸水膨胀环内径比小直径钢管的外径大1-5mm，以使吸水膨胀环能够套入小直径钢管)。
本发明的带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆支护结构的具体施工方法如下：
①预制带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆各部分构件，用测量工具在基坑临空面确定锚杆的施设位置与角度，通常将锚杆的施设角度设为10°～15°；
②施设带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆：在基坑临空面按设计位置和施设角度，依次将螺旋钻尖、一根大直径钢管、一根小直径钢管连接，将吸水膨胀环套在小直径钢管的外围，再将小直径钢管的另一端与钻机连接；开动钻机，逐步将螺旋钻尖、大直径钢管、小直径钢管钻入基坑坡面，直至小直径钢管的末端临近坡面时停止钻进；之后可根据基坑安全等级、锚固深度等设计要求，继续连接大直径钢管、小直径钢管、吸水膨胀环并实施钻进；当单根带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆所需的最后一根小直径钢管钻进结束时，将尾端钢管与在小直径钢管通过螺纹连接，然后开动钻机，直至完成一整根锚杆的安装施工；
③施工格构框架和挡土板：在基坑坡面上铺设钢筋网，并按照设计要求喷射砂浆来完成格构框架和挡土板的施工，并用锚具将锚杆尾端固定在格构框架上；
④按步骤②～③的顺序在下一个工作面施工带有吸水膨胀环的串式扩体锚杆、格构框架和挡土板，直至坡底。
以上所述只是用图解解释本发明，并非用于将本发明限制在所示和所述的结构和使用范围内，故凡是在本发明的精神和原则之内所作的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。