专利名称：一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系及其锚固方法
技术领域：
本发明属于岩土工程支护和加固领域，尤其涉及用于对边坡、基坑、巷道、硐室等 加固的一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系及其锚固方法。
背景技术：
预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称[试论预应力锚固技术在 我国水利水电工程中的应用与发展，王红峡；王佳宁；王经五。华北航天工业学院学报， 2003. 01]，是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方 向、大小及锚固深度，预先对基岩或建筑物施加主动预压应力，从而达到加固或改善其受力 条件的目的。岩土预应力锚固措施包括预应力锚索和预应力锚杆。预应力锚索由锚孔、钢绞线 和粘结剂组成，预应力锚杆由锚孔、钢筋和粘结剂组成，一般情况下采用水泥材料作为粘结 剂。普通的预应力锚索和预应力锚杆由锚头段、自由段、锚固段等三个部分组成。锚固 段是预应力锚索和预应力锚杆的根基，其作用是将自由段传递的荷载传递到深层的稳定岩 土体中；锚头位于锚孔孔口以外，是张拉与锁定预应力的支撑部分；自由段联接锚头和锚 固段，承受预应力张拉所施加的全部荷载。岩土预应力锚固方法具有以下优点①可以主动调整预应力场与天然应力场的叠 加范围和叠加程度，进而充分调用工程地质体的潜在自稳能力，改变其内部应力分布性状 和大小，限制有害变形的范围；②可将结构与地层紧密地联结在一起，形成共同工作体系， 提高工程结构的稳定与安全；③能够在尽可能少地扰动被锚固体的前提下，达到加固、增稳 的目的。基于这些优点，预应力锚固方法在国内外岩土工程中已得到十分广泛地应用[岩 土预应力锚固技术的进展，陈祖煜，杨健，贵州水力发电，2004. 10]。传统的岩土预应力锚固方法虽然设计合理、施工简便、经济可行、应用十分广泛， 但与预应力混凝土的预应力锚固对象——混凝土相比，正是由于岩土体具有各向异性、流 变性、膨胀性等各种复杂的特性，使得岩土预应力锚固体系显现了如下不足之处(1)对于永久锚固体系而言，尤其是应用于大型、重点工程的锚固体系，如大型水 电站边坡加固等，其有效服务期长达百年，而锚头附近的表层岩土体，受外界因素影响较 大，包括风化、岩土体流变效应、腐蚀等，将引起较大的预应力损失，从而降低原加固结构的 整体稳定性。(2)滚石、爆破震动和地震等因素所产生的冲击力，将会显著改变锚头附近岩土体 的力学状态，导致明显的预应力损失。(3)较小的表层岩土体变形可产生很大的预应力损失。文献[Little john, S. 1992. Ground anchorage technology-a forward look [A]. Grouting，soil improvement and Geosynthetics[C]. Vol. 1632107. GeotechnicalSpecial Publications, No. 30. ASCE.]表明，对于永久预应力锚固体系，法国联邦预应力协会(Federation Internationale de la Precont rainte)对 35 个锚固件腐蚀情况的调查，得出的直接结论是预应力锚索的腐蚀可以发生在钢绞线和锚具的任一部位，腐蚀发生的 时间也可以从几个月到几十年，所以，在锚索设计和施工中，应该充分重视锚索的防腐蚀问 题，同时客观上也证实了现有的岩土预应力锚固方法存在上述不足。因此，岩土体预应力锚固体系目前亟需解决2个问题减少预应力损失和提高防 腐能力。这也是当前岩土锚固工程的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于(1)提供一种克服现有岩土预应力锚固方法的不足，通过在 浅层岩土体中增设一个外锚固段，使预应力筋与浅层岩土体粘结形成整体，将锚固结构的 受力性状由现有的内锚固段为线状承载、外锚头为点状承载，改变成为内锚固段和外锚固 段均为线状承载，内锚固段和外锚固段的粘结剂中剪切力的作用方向相反，与锚头承担的 荷载一起共同形成了自稳定预应力结构体系。(2)利用两次注浆以及套用波纹管，对预应力 筋形成了外层粘结剂、波纹管、内层粘结剂三层以上的保护，提高锚固结构防腐能力，延长 其使用寿命的一种三层保护双锚固段预应力锚固体系及其锚固方法。本发明的技术方案是一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，包括预应力 筋、自由段、锚头段和锚固段，其中，所述锚固段包括内锚固段和外锚固段，所述内锚固段置 于所述自由段外侧，所述外锚固段位于所述自由段和所述锚头段之间；所述内锚固段、自由 段和外锚固段置于波纹管内，所述波纹管的外管壁设有外部定位器；置于所述自由段中的 所述预应力筋外裹套管。所述预应力筋可采用一根或多根。所述预应力筋为钢绞线或钢筋。所述预应力筋顶端设有导向帽。所述预应力筋之间设有内部定位器。所述套管为塑料管或含有油脂的塑料管。所述内锚固段与所述自由段之间设有止浆环。所述外锚固段的长度大于lm，所述自由段的长度大于2m。上述一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系的锚固方法，具体包括以下步 骤A.钻孔在岩体中施工钻孔(6)；B.放置锚固体系将按照要求预先制作的锚固体系与一次注浆管(10)、二次注浆 管(11)按其空间关系进行安装，对内端部进行固定，再将其整体放入所述钻孔(6)内；C.锚固通过一次注浆管10进行内锚固段1注浆，形成外层粘结剂(5)和内锚固 段⑴的内层粘结剂(8)，由于内锚固段⑴与自由段(2)之间设有止浆环(14)，浆液不会 进入波纹管内的自由段⑵及外锚固段(3)；D.张拉锁定当外层粘结剂(5)和内锚固段中的内层粘结剂⑶的强度达到规定 强度时，对上述锚固体系进行张拉锁定；E. 二次注浆封锚索体张拉完成后，用二次注浆管(11)对波纹管(7)内的自由段 (2)和外锚固段(3)进行二次注浆，波纹管内的空气由排气管(25)排出。自由段的预应力筋由于套管的存在而保持自由状态；预应力筋与内层粘结剂、波纹管、外层粘结剂、浅层岩 土体形成外锚固段，从而形成三层保护双锚固段结构。由于内锚固段(1)位于深部稳定岩土体中，外锚固段(3)位于浅层岩土体中，分别 形成锚固持力端和保持预应力持力端。外锚固段(3)中的预应力筋(12)通过外层粘结剂 (5)—波纹管(7)—内层粘结剂(8)三层结构使其与浅层岩土体(22)粘结在一起，形成结构 复合体，抑制由于表层岩土体的蠕变、风化、腐蚀等作用导致的预应力损失，降低爆破、地震 等冲击力对锚固结构整体性的影响。通过外部和内部两次注浆以及套用波纹管，形成了多层保护体系，提高防腐能力。 外层粘结剂、波纹管、内层粘结剂对内锚固段、外锚固段的预应力筋形成三层保护。
本发明的有益效果是由于采用上述技术方案，本发明施工简单、可操作性强，与 现有锚固方法相比，工序改变很少，且成本与现有单锚固段锚固方法相比增加很少，其实施 效果可避免或大幅降低预应力损失，对于永久锚固体系而言具有现有锚固方法不可比拟的 优越性，可广泛应用于水利水电、矿山、道路等领域的边坡、巷道、硐室、基坑等岩土工程支 护和加固领域。三层保护双锚固段预应力锚固体系中，由于自由段的存在，预应力筋可以随 岩体变形，具备自由调整的能力；没有改变岩土预应力结构体系的受力特征，可以适应岩土 体的变形规律，保持了现有的单锚固段预应力锚固方法的本质特征。当由于各种因素的影 响导致锚固结构承担的荷载减小时，外锚固段中的粘结剂产生相应的剪切力，从而使得自 由段中的预应力基本保持稳定，增强了锚固体系的稳定性和持久性，达到了避免或减小预 应力损失的目的，可保持预应力加固结构的长期稳定。
图1本发明一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系及其锚固方法构造图。图2本发明内锚固段A-A剖面图。图3本发明自由段B-B剖面图。图4本发明外锚固段C-C剖面图。图中1.内锚固段13.内部定位器2.自由段14.止浆环3.外锚固段16.导向钢管4.锚头段18.锚具5.外层粘结剂19.垫板6.钻孔20.防护帽7.波纹管21.锚墩8.内层粘结剂22.浅层岩土体9.外部定位器23.波纹管塑料端帽10. 一次注浆管24.导向帽11. 二次注浆管25.排气管12.预应力筋26.套管
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。如图1所示，本发明一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系及锚固方法构造图。本发明一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，包括内锚固段、自由段、外锚固段， 预应力筋和锚头段。锚头段4由锚墩21，垫板19，锚具18和防护帽20组成。锚具18固定在垫板19 上，垫板19通过锚墩21固定在浅层岩土体22的外端；内锚固段1、自由段2和外锚固段3 依次位于波纹管7内，波纹管7的外管壁设有外部定位器9，预应力筋12之间设有内部定位 器13，预应力筋12的一端通过锚具18锚固在锚墩21上的垫板19上，另一端与内锚固段1 中的导向帽24连接。其中置于自由段2中的预应力筋外裹套管26。施工过程中，在加固的岩体中施工钻孔6，将本发明之锚固体系整体放入钻孔6 内，然后通过一次注浆管10注浆形成外层粘结剂5和内锚固段1的内层粘结剂8，由于止浆 环14的存在，浆液不会进入波纹管内的自由段2及外锚固段3 ；当外层粘结剂5和内锚固 段1中的内层粘结剂8的强度达到规定强度时，对锚固体系进行张拉锁定；张拉完成后，用 二次注浆管11对波纹管7内的自由段2和外锚固段3进行二次注浆，波纹管内的空气由排 气管25排出，安装好防护帽20。自由段2的预应力筋12由于套管26的存在而保持自由状 态，预应力筋与内层粘结剂、波纹管、外层粘结剂、浅层岩土体形成外锚固段，从而形成三层 保护双锚固段结构。如图2所示，为本发明的内锚固段1的A-A剖面图。内锚固段1为整个锚固系统 的受力段。置于内锚固段1中的预应力筋12之间设有内部定位器13，一次注浆管10穿过 波纹管塑料端帽23，注浆范围涉及内锚固段和外层粘结剂。如图3所示，为本发明的自由段2的B-B剖面图。置于自由段2中的预应力筋12 表面包裹了一层套管26，保持预应力筋的自由状态。如图4所示，为本发明的外锚固段3的C-C剖面图。此段形成保持预应力持力端。 置于外锚固段3中的预应力筋12通过外层粘结剂5、波纹管7、内层粘结剂8与浅层岩土体 22粘结在一起，抑制由于表层岩土体的蠕变、风化、腐蚀等作用导致的预应力损失，降低爆 破、地震等冲击力对锚固结构整体性的影响。对预应力筋形成了外层粘结剂5、波纹管7、内 层粘结剂8的三层保护，提高锚固结构防腐能力，延长其使用寿命。本发明三层保护双锚固段预应力锚固体系在承载初期，表层岩土体或承载结构没 有产生变形或没有受到其它因素的影响，外锚固段预应力筋与岩土体间虽存在粘结剂，但 粘结剂中不存在剪切力，全部预应力均由锚头结构承担。随锚固体系服务时间的延续，表层岩土体会不同程度地受到风化、流变、腐蚀或冲 击、震动等因素的影响，锚头或锚头附近岩土体产生变形，由于外锚固段的存在，浅层岩土 体与预应力筋间的粘结剂产生剪切力，阻止自由段中的预应力降低，从而起到降低预应力 损失的作用，此时预应力由锚头、预应力筋与浅层岩土体间的粘结力共同承担。当外锚固段承载时，外锚固段粘结剂与岩土体接触面、外锚固段粘结剂与预应力 筋接触面将产生较小的向钻孔深部方向的应变变形，从而导致自由段中的预应力轻微减 小。以文献[压力分散型预应力锚索抗拉拔破坏试验，张景成等，勘察科学技术，2004. 3]对锚索的拉拔试验结果为例，对于传统的单锚固段预应力锚索，在锚固体系设计承 载力范围内，锚固体在自由段的拉力作用下，当拉力小于设计承载力30%时，其锚固体(相 当于本发明的内锚固段位置)塑性位移极小，可忽略不计；当拉拔力等于设计承载力时，其 锚固体(相当于本发明的内锚固段位置)塑性位移占锚索自由段弹性变形的20%以下。根据本发明提出的三层保护双锚固段预应力锚固方法——预应力筋自由段受内 锚固段与外锚固段的双向作用，当锚头段由于岩土体的蠕变、风化、腐蚀等作用导致预应力 损失时(小于设计预应力30% )，锚头段损失的拉力载荷将转移至外锚固段，此刻因外锚固 段产生的向孔内方向的塑性位移很小可忽略不计，即对整体锚固体系预应力无损。如若发生因岩土体的蠕变、风化、腐蚀等作用导致锚头段预应力全部丧失等极端 情况，锚头段对自由段的拉力荷载全部转移到外锚固段，因外锚固段的塑性变形(或整体 位移)所导致的预应力损失也不大于20%，即在此极端情况下，锚固体系的预应力损失不 大于20%，达到了避免和减小预应力损失的目的。同时，浆体一波纹管一浆体由外向内的三层保护结构，大幅提高了锚固体系的防 腐能力，避免了由于腐蚀造成的锚固结构破坏和预应力损失。三层保护双锚固段预应力锚固体系，综合了减少预应力损失和提高防腐能力2个方面的改进，可保证锚固结构在长期处于设计荷载下延长其使用寿命。内锚固段、自由段、外锚固段及锚头段的具体设计参数与加固工程对象的工程地 质条件、安全技术要求等因素有关，可依据具体的工程地质条件确定。
权利要求
一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，该体系包括预应力筋(12)、锚固段、自由段(2)和锚头段(4)，其特征在于，所述锚固段包括内锚固段(1)和外锚固段(3)，所述内锚固段(1)置于所述自由段(2)外侧，所述外锚固段(3)位于所述自由段(2)和锚头段(4)之间，所述内锚固段(1)、自由段(2)和外锚固段(3)置于波纹管(7)内，所述波纹管(7)的外管壁设有外部定位器(9)；置于所述自由段(2)中的所述预应力筋(12)外裹套管(26)。
2.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于所述内 锚固段⑴与所述自由段⑵之间设有止浆环(14)。
3.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于所述套 管(26)为塑料管或含有油脂的塑料管。
4.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于所述预 应力筋(12)可采用一根或多根。
5.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于预应力 筋(12)为钢绞线或钢筋。
6.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于所述预 应力筋(12)顶端设有导向帽(24)。
7.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系，其特征在于所述预 应力筋(12)之间设有内部定位器(13)。
8.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固方法，其特征在于所述外 锚固段⑶的长度大于lm，所述自由段⑵的长度大于2m。
9.如权利要求1所述的具有三层保护双锚固段预应力锚固体系的锚固方法，其特征在 于，包括以下步骤A.钻孔在岩体中施工钻孔(6)；B.放置锚固体系将按照要求预先制作的锚固体系与一次注浆管(10)、二次注浆管 (11)按其空间关系进行安装，对内端部进行固定，再将其整体放入所述钻孔(6)内；C.锚固通过一次注浆管进行内锚固段注浆，形成外层粘结剂(5)和内锚固段(1)的 内层粘结剂(8)，由于内锚固段⑴与自由段⑵之间设有止浆环(14)，浆液不会进入波纹 管内的自由段⑵及外锚固段(3)；D.张拉锁定当外层粘结剂(5)和内锚固段中的内层粘结剂(8)的强度达到规定强度 时，对上述锚固体系进行张拉锁定；E.二次注浆封锚；索体张拉完成后，用二次注浆管(11)对波纹管(7)内的自由段(2) 和外锚固段(3)进行二次注浆，波纹管内的空气由排气管(25)排出。自由段的预应力筋由 于套管(26)的存在而保持自由状态；预应力筋与内层粘结剂、波纹管、外层粘结剂、浅层岩 土体形成外锚固段，从而形成三层保护双锚固段结构。
全文摘要
本发明一种具有三层保护双锚固段预应力锚固体系及其锚固方法，包括由内锚固段、自由段、外锚固段和锚头段组成。外层粘结剂、波纹管、内层粘结剂对锚固体系的内、外锚固段形成三层保护，外层粘结剂、波纹管、套管、内层粘结剂对自由段形成四层保护，大幅提高锚固结构抗腐蚀能力。双锚固段形成了锚固持力端和保持预应力持力端。与普通单锚固段锚固方法相比，其优点在于特殊设计的外锚固段能有效抑制表层岩土体的蠕变、风化、腐蚀、爆破、地震等因素对锚固体系的影响，达到避免或减少预应力损失的目的。本发明施工简单、可操作性强，与现有锚固方法相比工序改变很少，对于永久锚固体系而言具有明显的优越性，可广泛应用于边坡、基坑等岩土工程加固。
文档编号E02D17/20GK101798812SQ20101015348
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者吴顺川, 高永涛 申请人:北京科技大学