专利名称：一种预应力锚杆和使用该锚杆的施工方法
技术领域：
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及采用预应力锚杆的施工方法以及在这些方法 中采用的预应力锚杆。
背景技术：
在土木工程边坡加固和城市深基坑支护工程中，经常要应用预应力锚杆作为支护 结构的受力构件。但由于受场地、地质等条件的限制，不可避免要在局部不良地质和不易成 孔的土层中进行预应力锚杆施工。在云南省以及我国部分地区，存在着许多在饱水杂填土、 粉砂、流砂、圆砾、泥碳质土、草莓土等不易成孔的特殊土层，当在这些不易成孔的特殊土层 中施作预应力锚杆时，预应力锚杆成孔将非常困难。在目前的传统技术中，常采用液压钻机 全套管跟管钻进成孔。但在锚杆吨位(在软弱土层中预应力锚杆的吨位常小于25吨)较 小时，采用液压钻机全套管跟管钻进成孔技术，钻机对施工场地的要求较高且所需要的成 本较大。因此，需要一种能够高效且成本低廉地在各种不易成孔的特殊土层中进行预应力 锚杆施工的方法和系统，以及适合于在这些不易成孔的特殊土层中应用的预应力锚杆。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上 述问题的预应力锚杆施工方法和预应力锚杆。根据本发明的一个方面，提供了一种预应力锚杆，该预应力锚杆包括圆柱状圆 管，该圆管的一端具有圆锥状的扩大头，其中所述圆管靠近所述扩大头的一侧具有注浆孔 段，在所述注浆孔段中分布有透浆花眼；以及杆体，在所述圆管中并沿所述圆管轴向扩展， 所述杆体在圆管被灌入水泥浆之后插入到所述圆管中，所述杆体分为自由段和非自由段， 所述杆体非自由段靠近所述扩大头定位，并且与所述水泥浆直接接触以形成所述锚杆的锚 固段，所述杆体自由段不与所述水泥浆直接接触。根据本发明的另一个方面，提供了一种利用预应力锚杆的施工方法，包括步骤在 土层中的特定位置处将预应力锚杆的圆柱状圆管击入到土层中；在常压下将水泥浆注入到 所述圆柱状圆管中，以使得所述水泥浆通过所述圆柱状圆管上的透浆花眼注入到所述圆管 周围的土层中；将对自由段进行了保护的所述预应力锚杆的杆体插入到所述圆柱状圆管 中；进一步将水泥浆加压注入到所述圆柱状圆管中，以使得所述水泥浆通过所述圆柱状圆 管上的透浆花眼进一步注入到所述圆管周围的土层中；以及对浆体进行养护，并通过对所 述预应力锚杆的杆体进行张拉来在所述锚杆上施加预应力。根据本发明的预应力锚杆和预应力锚杆施工方法可以轻便快捷地在土层中成孔， 并不会导致在成孔后孔壁塌陷等问题，从而能有效解决不易成孔土层中小吨位预应力锚杆 成孔的难题，具有锚杆成孔率高、锚杆废孔及重复成孔率低等优点。利用根据本发明的预应 力锚杆和施工方法，可以加快施工进度、保证质量，并节约工程投资。
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字 之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附 图中图1示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆的示意图；图2A示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆中的注浆孔段的示意图；图2B示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆中的扩大头的示意图；图2C示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆中的圆管的横截面图；图2D示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆中的角钢的示意3示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆在土层中的示意图；以及图4示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆施工方法的流程图。
具体实施例下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。图1和图2A-2D示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆100的示意图。如 图1和图2A-2D所示，预应力锚杆包括圆柱体圆管110，其通常具有较薄的管壁110，管壁通 常由钢或者钢板焊接而成。该圆管通常称为薄壁焊管110。薄壁焊管通常具有3mm-5mm的 厚度并且直径通常为48-89mm。锚杆的长度取决于实际工程应用而发生变化，通常可以有 15m-25m长。当然上述有关锚杆的尺寸都是示意性的，可以根据实际工程应用而进行改变。薄壁焊管110的前端具有一个扩大头111，其制作成封闭圆锥状(其尺寸为 Φ48πιπι-Φ110πιπι，长100mm-150mm)，以利于减少将薄壁焊管110击入土层时的阻力并能够 迅速将该薄壁焊管110击进土层中。薄壁焊管110的主体部分包括靠近扩大头111布置的注浆孔段112和未开孔段 115，该注浆孔段112的长度通常为薄壁焊管110总长度的2/3-3/4。在该注浆孔段112上， 每隔一段距离分布透浆花眼113，以便在将薄壁焊管110击入土层中之后，通过这些透浆花 眼113将焊管内的水泥浆注入到土层中。透浆花眼113沿圆柱状圆管管壁纵向及环向布 置。具体而言，透浆花眼113在焊管上围绕焊管中心轴均勻分布，而且沿焊管轴向的间隔通 常为大约50cm。透浆花眼113的形状通常为圆形，并具有大约IOmm的孔直径。可以有多种 方式来加工这些透浆花眼113，例如采用台式钻机成孔来形成这些透浆花眼113。另外，在整个薄壁焊管110上焊接多个与焊管中心轴成一定角度的角钢114。利 用在薄壁焊管110的外壁上焊接的多个角钢，便于将薄壁焊管击入到土层中，并可以增大 锚孔的孔径。这些角钢通常具有L15mm*15mm*3mm(厚度)的尺寸并具有与焊管中心轴的 20-30度夹角，当然根据工程实际需要，可以修改这些尺寸。如图3所示，预应力锚杆100除了具有上述薄壁焊管110之外，还具有未在上述图 1中示出的、插入在焊管110中的杆体120。杆体120 —般与锚杆的中心轴近似重合地沿轴 向扩展。杆体120通常为钢筋，并在将薄壁焊管110击入到土层中并在焊管中进行初次常压灌浆之后插入到薄壁焊管中。杆体120所采用的钢筋可以采用市场中常见的二级或者三级 螺纹钢筋(直径为20-32mm)。插入到焊管110中的杆体120具有自由段和非自由段，其中 非自由段靠近焊管110的扩大头布置，而自由段靠近焊管远离扩大头的一端布置。杆体的 自由段具有锚杆总长度大约1/3到1/2的长度。应当注意的是，杆体的非自由段的长度可 以不同于焊管110中的注浆孔段的长度。在焊管110被击入到土层中之后，水泥浆液通过 焊管110上的透浆花眼113注入到焊管110周围的土层中，并形成较大的扩散区和固结水 泥胶结石区。由于杆体的非自由段在灌浆期间和水泥浆液直接接触，因此杆体的非自由段 会和灌浆形成的扩散区和固结水泥胶结石区一起形成预应力锚杆的锚固段(内锚段)。杆 体的自由段在灌浆期间用例如黄油和聚乙烯塑料套管进行保护，并不与水泥浆液相接触， 因此可以在水泥浆液固结一定龄期后，通过张拉杆体即钢筋即可对包括薄壁焊管、杆体和 水泥浆液固结区的锚杆施加小吨位预应力。这里应当理解的是，取决于实际工程应用，可以 采用其它任何可以将杆体自由段和水泥浆液隔开的装置和方式。在预应力锚杆100在土层中形成之后，为了在预应力锚杆100上施加预应力，需要 对预应力锚杆100进行张拉。为此，可以在杆体远离土层一侧的外锚头端部处焊接端头螺 杆，在该螺杆上分别安装锚梁、锚垫板与螺帽后，并对螺杆进行预紧，随后通过将穿心千斤 顶按要求套在锚杆的端头螺杆上以便对该锚杆100进行张拉(端头螺杆材料一般为45ΜΠ 钢，长度一般为500mm，螺杆直径为Φ20-Φ40πιπι。)。上面已经描述了根据本发明一个实施例的预应力锚杆100的结构，可以看出，由 于预应力锚杆100具有薄壁焊管110，可以保证在土层中的锚杆100不会塌陷，这提高了成 孔的成功率。另外，利用附于薄壁焊管前端的扩大头和薄壁焊管，可以便于将薄壁焊管击入 到土层中。另外，在将薄壁焊管Iio击入到土层中之后，可以通过焊管上的注浆孔段112将 水泥浆注入到焊管110周围的土层中，以形成较大的扩散区和固结水泥胶结石区。由于注 浆孔段处于土层深处，因此，锚杆中的钢筋非自由段和这些水泥浆液固结区形成的锚固段 可以承受较大的预应力。应当注意到的是，当锚杆较长时，单根钢筋可能没有办法完全达到锚杆的长度，这 时候可以采用直螺纹套筒或对焊来连接两根或者多根钢筋以形成达到锚杆长度要求的杆 体。此外，还应当注意到的是，为了防止在灌浆期间，尤其是在加压灌浆期间，水泥浆 液不恰当地从锚杆中与焊管上注浆孔段相对应的部分流到与焊管身上未开孔段的部分，可 以在灌浆期间用止浆袋隔离锚杆中的这些部分，以使得水泥浆正确地通过透浆花眼113注 入到焊管110周围的土层中。根据上述可得知，根据本发明的预应力锚杆是在采用预应力锚杆的施工方法中逐 步形成的。图4示出了根据本发明一个实施例的预应力锚杆施工方法200的流程图。方法200始于步骤S210，其中进行施工前的各种准备工作，例如准备根据本发明 的预应力锚杆的各个部分，如准备薄壁焊管110和锚杆杆体120如钢筋等。施工准备工作还 包括完善施工场地内抽排水系统、施工废水和废浆等污水处理系统，确保施工排水顺畅等。 在施工前准备工作完毕之后，方法200继续到步骤S220，以在土层中定位预应力锚杆孔的 位置，土层中小吨位预应力锚杆的埋设深度应遵循最上层锚杆的覆土厚度不使锚杆向上垂 直分力引起地面隆起的原则，根据该原理，可以采用本技术领域常用的任何锚杆孔定位方法来定位预应力锚杆孔。在定位了预应力锚杆孔的位置之后，方法进入步骤S230，其中采用锚杆钻机将薄 壁焊管直接击入土层中，根据一个实施例，锚杆钻机通常以压缩空气为动力，压缩空气的工 作压力通常为0. 4 0. 6MPa，工作风量为9 12m7min，其中的空压机采用12m7min以上 的空压机。此外，可选地，在将薄壁焊管击入土层后，验收焊管施工质量，检查焊管置入土层 的长度、焊管偏斜度。若置入土层的焊管长度、偏斜度不符合要求，需重新选取锚孔孔位、补 充击入薄壁焊管，并对已施工的不合格焊管进行注浆封堵加固处理。在将薄壁焊管正确地击入到土层中之后，在步骤S240中采用高压水冲洗薄壁焊 管，其目的是排出薄壁焊管内可能残留的土等杂质，并保证薄壁焊管注浆孔畅通，便于注 浆。一般而言，高压水压力控制在1. OMPa左右，并且在回水总体澄清时结束步骤S240中的 操作，并进入步骤S250。在步骤S250中，在常压下将水泥浆注入到焊管内，具体而言，将注浆管插入焊管 底部，采用灌浆泵通过注浆管进行常压灌浆，使得水泥浆可以通过焊管110上的透浆花眼 113注入到焊管110周围的土层中。在浆液充填锚孔的同时，使焊管内渣土和泥浆在浆液作 用下进一步排出。在通常的实施例中，常压灌浆的参数如下注浆管Φ18-Φ25πιπι，长度与焊管同长，每根焊管布设一根注浆管。注浆材料Ρ. 042. 5普通硅酸盐水泥浆液；水泥浆采用二次搅拌机搅拌均勻。浆液配比水泥浆三乙醇胺(早强剂)1 0. 5%ο水泥浆水灰比1 0.5水泥浆体强度Μ30。注浆压力0· 2 0. 4MPa，可注性差时取大值。孔内水泥浆的充盈系数达1. 2以上。当在常压灌浆期间，水泥纯浆流出焊管管口，并达到设计注浆量或达到设计压力 保持20分钟以上时，可以结束常压灌浆，并进入下一步步骤S260。在步骤S260中，将自由段用例如黄油和聚乙烯塑料套管进行了保护的杆体插入 (植入)薄壁焊管中。其中为保证植入焊管内的锚杆杆体的质量，要确保杆体植入至焊管端 部，同时要控制好杆体与焊管内壁的间隙。在将杆体插入到薄壁焊管之后，该方法进入步骤 S270，其中对锚孔封口并进行加压二次注浆。具体而言，在步骤S270中，在将杆体植入薄壁 焊管后，立即采用止浆袋封闭锚孔(焊管)孔口，并采用灌浆泵通过注浆管对锚孔进行加压 二次注浆(此时注浆管直接套在焊管外壁上)，以使得通过焊管上的注浆孔段112将水泥浆 进一步注入到焊管110周围的土层中，以形成较大的扩散区和固结水泥胶结石区。根据本 发明的一个实施例，加压二次注浆的参数如下注浆材料P. 042. 5普通硅酸盐水泥浆液；水泥浆采用二次搅拌机搅拌均勻。浆液配比水泥浆三乙醇胺(早强剂)1 0. 5%o水泥浆水灰比1 0. 55水泥浆体强度M30。注浆压力0· 6 0. 8MPa，可注性差时取大值。注浆结束标准水泥浆在持续压力作用下扩散进入锚孔内并渗入周边土层中，达 到设计注浆量或达到设计压力保持20分钟。
在加压二次注浆完成之后，在步骤S280中，对加压二次注浆后的浆体进行充分养 护，此后，在杆体外锚头的端部处焊接螺杆。并随后在步骤S290中，进行锚梁施工并安装锚 垫板，具体而言，将螺杆穿过锚梁、锚垫板，并利用螺帽将锚垫板安装在锚梁上，随后对螺杆 进行预紧。到步骤S290为止，已经在土层中的某个位置形成了根据本发明的预应力锚杆。随 后，在步骤S300中，通过对锚杆的杆体进行张拉来在锚杆上施加预应力。根据本发明的一 个实施例，在锚杆上施加预应力的方法包括步骤将张拉设备(例如油压表、千斤顶、测力 器)按要求套在锚杆的端头螺杆上；采用分级加载方式将荷载加载到锚杆上；在锚杆杆体 张拉到位后可通过螺杆上的螺帽锁定杆体，并采用冷切割工艺切除张拉锁定段外多余的杆 体。除了上述张拉方法之外，还可以采用本领域常用的其他方法来对锚杆进行张拉以施加 预应力。在张拉完成之后，方法200结束。本发明的施工方法可以在不易成孔的特殊土层中采用，本方法所使用的成孔设备 轻便、在复杂施工场地中便于移动和操作，而且预应力锚杆成孔快捷，能有效解决不易成孔 土层中小吨位预应力锚杆成孔难、成孔后孔壁塌陷等难题。根据本发明的施工方法，施工安 全可靠性高、施工进度快、施工质量有保证，从而节约了投资。应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本 领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求 中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存 在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个 这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。
权利要求
1.一种预应力锚杆，其特征在于该预应力锚杆包括圆柱状圆管，该圆管的一端具有圆锥状的扩大头，其中所述圆管靠近所述扩大头的一 侧具有注浆孔段，在所述注浆孔段中分布有透浆花眼；以及杆体，在所述圆管内并沿所述圆管轴向扩展，所述杆体在所述圆管被灌入水泥浆之后 插入到所述圆管中，所述杆体分为自由段和非自由段，所述杆体非自由段靠近所述扩大头 定位，并且与所述水泥浆直接接触以形成所述锚杆的锚固段，所述杆体自由段不与所述水 泥浆直接接触。
2.如权利要求1所述的预应力锚杆，其特征在于所述圆管状圆管的管壁上还布置有多 个与所述圆管中心轴成一定角度的角钢。
3.如权利要求2所述的预应力锚杆，其特征在于所述角钢具有L15mm*15mm*3mm的尺 寸，并且与所述焊管中心轴成20-30度夹角。
4.如权利要求1所述的预应力锚杆，其中所述注浆孔段的长度为所述圆柱状管总长度 的 2/3 到 3/4。
5.如权利要求1所述的预应力锚杆，其中所述透浆花眼为圆形，具有大约IOmm的孔直径。
6.如权利要求1所述的预应力锚杆，其中所述圆管的直径为48-89mm，且所述管壁具有 3mm-5mm的厚度。
7.如权利要求1-6中的任一个所述的预应力锚杆，其中所述杆体为二级、三级螺纹钢 筋或钢绞线。
8.如权利要求1-6中的任意更改所述的预应力锚杆，其中所述杆体的自由段的长度为 所述锚杆总长度的1/3到1/2。
9.如权利要求1-6中的任意更改所述的预应力锚杆，其中所述杆体的自由段用黄油和 聚乙烯塑料套管进行保护。
10.一种利用如权利要求1-9中的任一个所述的预应力锚杆的施工方法，包括步骤 在土层中的特定位置处将预应力锚杆的圆柱状圆管击入到土层中；在常压下将水泥浆注入到所述圆柱状圆管中，以使得所述水泥浆通过所述圆柱状圆管 上的透浆花眼注入到所述圆管周围的土层中；将对自由段进行了保护的所述预应力锚杆的杆体插入到所述圆柱状圆管中； 进一步将水泥浆加压注入到所述圆柱状圆管中，以使得所述水泥浆通过所述圆柱状圆 管上的透浆花眼进一步注入到所述圆管周围的土层中；以及对浆体进行养护，并通过对所述预应力锚杆的杆体进行张拉来在所述锚杆上施加预应 力。
11.如权利要求10所述的施工方法，还包括步骤在所述将预应力锚杆的圆柱状圆管击入到土层中的步骤之后，利用高压水冲洗所述圆 柱状圆管，以排出所述圆柱状圆管内可能残留的杂质。
12.如权利要求10所述的施工方法，其中对所述预应力锚杆的杆体进行张拉还包括步骤杆体外锚头的端部处焊接螺杆将所述螺杆穿过锚梁、锚垫板，并利用螺帽将锚垫板安装在所述锚梁上，随后对所述螺杆进行预紧；以及利用张拉设备对所述螺杆进行张拉。
全文摘要
本发明公开了一种预应力锚杆和利用该预应力锚杆的施工方法，该预应力锚杆包括一端具有圆锥状的扩大头的圆柱状圆管，以及沿该圆管轴向扩展的杆体，该杆体在圆管被灌入水泥浆之后插入到圆管中，杆体分为自由段和非自由段，杆体非自由段与水泥浆直接接触以形成所述锚杆的锚固段，而杆体自由段不与水泥浆直接接触以便通过对杆体进行张拉来施加预应力。
文档编号E02D5/76GK102094421SQ20091025323
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者普如李, 李伟, 李海鹏, 田俊, 程勇斌, 胡井友, 谢建斌, 黄望来 申请人:昆明军龙岩土工程有限公司