用于高烈度地震区的BFRP-螺旋袖阀式复合锚固系统及其施工方法与流程

本发明属于高烈度特殊土地区岩土工程锚固技术领域，尤其涉及一种用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统及其施工方法。

背景技术：

在岩土工程领域由于锚索(杆)锚固力不足失效、钢筋、钢绞线腐蚀破坏导致的工程破坏时有发生，特别是在地震作用下，锚固系统受薄弱位置影响，结构整体失效，这将为地震灾后救援生命线的畅通埋下巨大隐患。

玄武岩纤维增强塑料(bfrp)筋作为一种绿色环保的新型纤维复合材料，其优异的物理化学性能目前已被广泛应用于我国交通和建筑领域边坡锚固工程的设计和施工当中，对玄武岩纤维增强复合材料性能的研究主要集中在耐腐蚀性能、抗震性能、锚固性能等材料力学性能应用层面。

螺旋桩由于桩身具有独特的螺旋叶结构，致使其抗拔承载能力特别突出。

袖阀管注浆工法由于能较好地控制注浆范围和注浆压力，可进行重复注浆，且发生冒浆与串浆的可能性很小等特点，在被加固的地层中可进行多点、定量、均衡的注浆，注浆体在地层中均匀分布，均匀连接，大大提高了被加固地层段的整体稳定性，被国内外公认为最可靠的注浆工法之一。

上述三者从物理化学性质到制作工艺上均存在较大差异，单纯研究单结构性能是无法有效解决高烈度地震区锚固技术存在的缺陷，若能将其优势进行综合利用，则对于解决高烈度特殊土地区边(滑)坡地质灾害的防治问题具有突出的技术贡献。

技术实现要素：

针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统及其施工方法，将玄武岩纤维增强塑料(bfrp)筋、螺旋桩和袖阀管注浆工法三者有机结合，能有效解决特殊土地区边(滑)坡地质灾害，大大缩小结构物自重，显著节约工程材料，增加施工安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统，包括螺旋袖阀式锚固段、bfrp锚索自由段、袖阀式注浆管、注水管、连接-止浆装置、调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构和空心钻杆，所述螺旋袖阀式锚固段的桩尾处设置夹片式锚具，所述bfrp锚索自由段的末端设置有握裹环氧树脂，所述连接-止浆装置上设置有锚孔、注浆孔和半环式自脱落卡扣，所述螺旋袖阀式锚固段与连接-止浆装置连接，具有握裹环氧树脂的bfrp锚索自由段末端穿过连接-止浆装置上的锚孔后通过夹片式锚具进入螺旋袖阀式锚固段，所述袖阀式注浆管和注水管的末端穿过连接-止浆装置上的注浆孔进入螺旋袖阀式锚固段；所述连接-止浆装置通过半环式自脱落卡扣与空心钻杆连接，所述袖阀式注浆管、注水管及bfrp锚索自由段的首端穿过空心钻杆；穿过空心钻杆后的bfrp锚索自由段首端固定于bfrp锚索头部减震屈服结构中。

优选地，所述螺旋袖阀式锚固段包括钢构空心圆柱桩芯，所述钢构空心圆柱桩芯的末端设置桩尖，钢构空心圆柱桩芯的外表面设置有螺旋叶片和花式出浆孔，所述出浆孔外套设有橡皮套。

优选地，所述连接-止浆装置包括两个法兰盘和止浆球，所述止浆球设置于两个法兰盘之间，两个法兰盘通过螺栓固定连接，所述锚孔和注浆孔均设置于两个法兰盘上，所述注浆孔处设置有止浆塞，其中一个法兰盘与所述螺旋袖阀式锚固段固定连接，另一个法兰盘通过设置的半环式自脱落卡扣与空心钻杆连接。

优选地，所述调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构位于混凝土垫墩内，包括依次设置于支护面层上的钢垫板、eps减震板和调谐阻尼系统，所述bfrp锚索自由段首端穿出支护面层后依次穿出所述钢垫板、eps减震板及调谐阻尼系统。

优选地，所述调谐阻尼系统包括调谐阻尼约束限位护筒、顶端盖板及设置于调谐阻尼约束限位护筒内的调谐阻尼器，所述调谐阻尼器由固体质量、线性粘滞阻尼器和弹簧组成，所述顶端盖板设置于调谐阻尼约束限位护筒的顶端开口处，所述顶端盖板外设置锚具。

本发明进一步提供了一种用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据施工总平面图进行测量放线、定位，bfrp锚索自由段在支护面层预定位置进行钻孔、清孔；

(2)制作螺旋袖阀式锚固段、bfrp锚索自由段和连接-止浆装置，将螺旋袖阀式锚固段和连接-止浆装置连接，调节螺栓，使得止浆球挤压扩大，形成封浆带；将bfrp锚索自由段、袖阀式注浆管和注水管的末端通过连接-止浆装置穿入螺旋袖阀式锚固段中，将bfrp锚索自由段、袖阀式注浆管和注水管的首端穿出空心钻杆，空心钻杆的一端通过半环式自脱落卡扣与连接-止浆装置连接；

(3)将连接完成的螺旋袖阀式锚固段、bfrp锚索自由段、连接-止浆装置及空心钻杆通过具有自由行走功能和桅杆变幅机构的钻机置于步骤(1)的钻孔位置，再通过导杆送入孔底部，并调整螺旋袖阀式锚固段的旋进角度，bfrp锚索自由段、袖阀式注浆管和注水管的首端置于孔外；

(4)外接钻机动力装置为螺旋袖阀式锚固段提供扭矩，加压动力装置通过加压动力方式将压力传递给螺旋袖阀式锚固段，直至钻至设计标高，期间，螺旋袖阀式锚固段旋进产生的松散弃渣不排出，以松散弃渣代替袖阀管注浆的传统套壳料；

(5)反转外围空心钻杆，使空心钻杆上的半环式自脱落卡扣结构与连接-止浆装置的机械连接自动脱离，拔出空心钻杆；

(6)通过袖阀式注浆管和注水管向地层中注浆；浆液从螺旋袖阀式锚固段的花式出浆孔流出，浆脉劈裂土体；

(7)待注浆完成，调节袖阀式注浆管与注水管的压力，拔出袖阀式注浆管与注水管，待注浆强度达到设计值的70％时，bfrp锚索自由段回填清孔弃渣，回填过程中，每30-50cm用捣棒捣密压实，达到弃渣重复利用环保的目的；

(8)坡面喷射混凝土形成混凝土支护面层，bfrp锚索自由段的首端露出支护面层，依次安装钢垫板、eps减震板和调谐阻尼系统，bfrp锚索自由段的首端穿过钢垫板和eps减震板的约束限位中心孔后，再穿出调谐阻尼约束限位护筒，调谐阻尼约束限位护筒内安装调谐阻尼器，再安装顶端盖板，配合锚具进行锁锚，外表面喷射混凝土形成保护层，完成锚头封锚。

(9)待第一道bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统施工完成，重复以上步骤完成下一道bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统施工。

优选地，步骤(6)中，所述浆液的水灰比为1∶(0.8～0.9)，注浆压力为0.3-1.2mpa，注浆时间为20-60min。

优选地，步骤(8)中，所述eps减震板是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

本发明结合高烈度特殊土地区其灾害形式的特殊性，将bfrp筋、螺旋桩、袖阀管注浆工法三者有机结合，从结构形式上打破传统锚固系统“三体两界面”的缺陷，充分发挥螺旋袖阀式锚固段、bfrp锚索自由段、螺旋袖阀式锚固段与bfrp锚索自由段间的连接及保护结构、调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构各构件的优越性能，实现“一体一界面”的形式创新，可有效解决特殊土地区边(滑)坡地质灾害，大大缩小结构物自重，显著节约工程材料，且有利于施工安全，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的螺旋袖阀式锚固段与bfrp锚索自由段连接处的放大图。

图3是本发明实施例提供的半环式自脱落卡扣相互连接的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构的示意图。

图中：1-螺旋袖阀式锚固段；11-钢构空心圆柱桩芯；12-桩尖；13-螺旋叶片；14-出浆孔；15-橡皮套；16-夹片式锚具；2-bfrp锚索自由段；21-握裹环氧树脂；3-袖阀式注浆管；4-注水管；5-连接-止浆装置；51、52-法兰盘；53-注浆孔；54-止浆塞；55-止浆球；56-螺栓；57-半环式自脱落卡扣；6-调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构；61-钢垫板；62-eps减震板；63-调谐阻尼系统；631-调谐阻尼约束限位护筒；632-顶端盖板；633-固体质量；634-线性粘滞阻尼器；635-弹簧；7-空心钻杆；71-卡扣端部；8-混凝土垫墩；9-支护面层；10-锚具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明提供的用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统，包括螺旋袖阀式锚固段1、bfrp锚索自由段2、袖阀式注浆管3、注水管4、连接-止浆装置5、调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构6和空心钻杆7。

螺旋袖阀式锚固段1包括钢构空心圆柱桩芯11，钢构空心圆柱桩芯11的末端设置桩尖12，钢构空心圆柱桩芯11的外表面设置有螺旋叶片13和花式出浆孔14，出浆孔14外套设有橡皮套15，钢构空心圆柱桩芯11的桩尾处设置夹片式锚具16。

bfrp锚索自由段2的末端设置有握裹环氧树脂21，bfrp锚索自由段2通过握裹环氧树脂21与螺旋袖阀式锚固段1中的夹片式锚具16锚固连接，代替传统普通钢绞线锚索作为拉伸受力结构。充分发挥玄武岩纤维复合材料(bfrp)抗拉强度高、耐酸碱腐蚀性的特性，bfrp锚索自由段2可通过弃渣、素填土等回填，现场取材方便，可充分实现节约经济开支，达到保护环境的目的。

连接-止浆装置5包括两个法兰盘(51、52)和止浆球55，止浆球55设置于两个法兰盘之间，两个法兰盘通过螺栓56固定连接，通过调整螺栓56可达到止浆目的。两个法兰盘上对应设置有锚孔和注浆孔53，注浆孔53处设置有止浆塞54，参照图2。

螺旋袖阀式锚固段1与连接-止浆装置5中的法兰盘51固定连接，法兰盘52和空心钻杆7上均预制有半环式自脱落卡扣57，参照图3，法兰盘52上连接有半环式自脱落卡扣57，相应的，空心钻杆7与法兰盘52连接的端部设置卡扣端部71，卡扣端部71与半环式自脱落卡扣57能旋转卡接，图3中箭头所指方向为卡扣端部71与半环式自脱落卡扣57连接的方向，按箭头的方向运动可将卡扣端部71与半环式自脱落卡扣57分离，拆卸下空心钻杆7。具有握裹环氧树脂21的bfrp锚索自由段2末端穿过法兰盘(51、52)的锚孔后通过夹片式锚具16进入螺旋袖阀式锚固段1，袖阀式注浆管3和注水管4的末端穿过法兰盘(51、52)上的注浆孔53进入螺旋袖阀式锚固段1，袖阀式注浆管3和注水管4与注浆孔53接触处设置止浆塞54。袖阀式注浆管3、注水管4及bfrp锚索自由段2的首端穿入空心钻杆7，并穿出空心钻杆7的自由端口，穿过空心钻杆7后的bfrp锚索自由段2首端固定于bfrp锚索头部减震屈服结构6中。

调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构6位于混凝土垫墩8内，参照图4，包括依次设置于支护面层上的钢垫板61、eps减震板62和调谐阻尼系统63，eps减震板62是由可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。eps减震板62作为一种压缩性能好、耐腐蚀的柔性材料，一方面本身可发挥消能减震的结构作用；另一方面可避免钢垫板61与调谐阻尼系统63直接接触造成刚性破坏，防止锚头内部结构损坏。bfrp锚索自由段2首端穿出支护面层9后依次穿出所述钢垫板61、eps减震板62及调谐阻尼系统63。调谐阻尼系统63包括调谐阻尼约束限位护筒631、顶端盖板632及设置于调谐阻尼约束限位护筒631内的调谐阻尼器，调谐阻尼约束限位护筒631主要起到保护调谐阻尼器的作用，调谐阻尼器由固体质量633、线性粘滞阻尼器634和弹簧635组成，顶端盖板632设置于调谐阻尼约束限位护筒631的顶端开口处，顶端盖板632外设置锚具10。发生地震作用时调谐阻尼系统6可将自身的振动频率自动调整到bfrp锚索自由段2主受力结构振动的主要频率附近，通过调谐阻尼系统6与bfrp锚索自由段2主受力结构间的相互作用，实现地震作用能量从bfrp锚索自由段2主受力结构向调谐阻尼系统6转移，从而减小地震作用下主受力结构的破坏。

本发明用于高烈度地震区的bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统的施工方法如下：

(1)根据设计部门提供的施工总平面图进行测量放线、定位，bfrp锚索自由段2在支护面层9预定位置进行钻孔、清孔；

(2)制作螺旋袖阀式锚固段1、bfrp锚索自由段2和连接-止浆装置5，将螺旋袖阀式锚固段1和连接-止浆装置5连接，调节螺栓56，使得止浆球55挤压扩大，形成封浆带；将bfrp锚索自由段2、袖阀式注浆管3和注水管4的末端通过连接-止浆装置5穿入螺旋袖阀式锚固段1中，袖阀式注浆管3、注水管4与止浆塞54三者连在一起构成双向注浆枪头插入连接-止浆装置5的注浆孔53，将bfrp锚索自由段2、袖阀式注浆管3和注水管4的首端穿出空心钻杆7，空心钻杆7的一端通过半环式自脱落卡扣57与连接-止浆装置5连接；

(3)将连接完成的螺旋袖阀式锚固段1、bfrp锚索自由段2、连接-止浆装置5及空心钻杆7通过具有自由行走功能和桅杆变幅机构的钻机置于步骤(1)的钻孔位置，再通过导杆送入孔底部，并调整螺旋袖阀式锚固段1的旋进角度，bfrp锚索自由段2、袖阀式注浆管3和注水管4的首端置于孔外；

(4)外接钻机动力装置为螺旋袖阀式锚固段1提供扭矩，加压动力装置通过加压动力方式将压力传递给螺旋袖阀式锚固段1，直至钻至设计标高，期间，螺旋袖阀式锚固段1旋进产生的松散弃渣不排出，以松散弃渣代替袖阀管注浆的传统套壳料；

(5)反转外围空心钻杆7，使空心钻杆7上的半环式自脱落卡扣结构57的卡扣端部71与连接-止浆装置5的机械连接自动脱离，拔出空心钻杆7；

(6)利用带有双向止浆的专用注浆枪通过袖阀式注浆管3和注水管4向地层中注浆，浆液的水灰比为1：(0.8～0.9)，注浆压力为0.3-1.2mpa，注浆时间为20-60min，注浆量(8-18袋)。浆液从螺旋袖阀式锚固段1的花式出浆孔14流出，有效减少地层不均匀性对注浆效果的影响，实现浆脉劈裂土体，形成螺旋管+水泥土一体化空间展布形态，达到锚固稳定效果。

(7)待注浆完成，调节袖阀式注浆管3与注水管4的压力，拔出袖阀式注浆管3与注水管4，待注浆强度达到设计值的70％时，bfrp锚索自由段2回填清孔弃渣，回填过程中，每30-50cm用捣棒捣密压实，达到弃渣重复利用环保的目的；

(8)坡面喷射混凝土形成混凝土支护面层9，bfrp锚索自由段2的首端露出支护面层9，依次安装钢垫板61、eps减震板62和调谐阻尼系统63，bfrp锚索自由段2的首端穿过钢垫板61和eps减震板62的约束限位中心孔后，再穿出调谐阻尼约束限位护筒，调谐阻尼约束限位护筒内安装调谐阻尼器，再安装顶端盖板632，配合锚具10进行锁锚，外表面喷射混凝土形成保护层，完成锚头封锚。

(9)待第一道bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统施工完成，重复以上步骤完成下一道bfrp-螺旋袖阀式复合锚固系统施工。

本发明通过bfrp锚索只充当自由段，其与螺旋袖阀式锚固段间通过夹片式锚具+bfrp末端握裹环氧树脂锚固方式连接，代替传统普通钢绞线锚索作为拉伸受力结构；螺旋袖阀式锚固段主要由预制螺旋桩头+袖阀式注浆灌注形成，在一定注浆压力作用下实现浆脉劈裂土体，形成螺旋管+水泥土一体化空间展布形态，达到锚固稳定效果；螺旋袖阀式锚固段与bfrp锚索自由段间通过连接-止浆装置连接；调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构一方面通过eps减震板自身可进行减震，同时通过自身压缩变形以适应钢垫板与调谐阻尼系统内部结构接触，另一方面调谐阻尼系统与bfrp锚索受力结构间的相互作用实现能量转移，抵抗地震作用引起的岩体大变形，从结构形式上打破传统锚固系统“三体两界面”的缺陷，充分发挥螺旋袖阀式锚固段、bfrp锚索自由段、调谐阻尼式bfrp锚索头部减震屈服结构各构件的优越性能，避免锚索失效，从而达到高烈度特殊土地区边坡加固的目的。

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