一种横向抗剪的锚杆组合装置及设计方法与流程

本发明涉及一种锚杆锚固支护装置，具体涉及一种横向抗剪的锚杆组合装置及设计方法。

背景技术：

在隧道及地下工程中，锚杆作为工程岩体的支护与加固措施被广泛应用，预应力锚杆、高强度锚杆、恒阻让压锚杆、抗剪锚管索等各种类型的锚杆被相继研发与运用，用以解决工程中的软岩变形、节理岩体变形等问题。在隧道及地下工程中锚杆支护一般主要考虑杆体的轴向拉压受力，即锚杆与岩体在轴向的拉压变化，通常将其视为一维受力关系，但是在实际工程中，锚杆受力状态为三维应力状态，除了杆体轴向的拉压外还受到横向的剪切力，使得在工程中常出现锚杆受剪切破坏失效的现象。

工程中为了避免锚杆剪切破坏，一般采用开缝管对锚杆进行包裹，从而在横向具有加大的抗剪能力，可以释放微量的围岩位移(取决开缝宽度)，但是这种装置整体上还是一种刚性或半刚性装置，不利于岩体在锚杆横向方向上应力应变的释放，属于一种硬抗装置。

本发明针对锚杆横向抗剪能力弱的情况，构建了一种灵活度高、横向抗剪适应性强的装置，可以较大程度得释放岩体在锚杆横向的应力、应变，满足锚杆的安全需要。

技术实现要素：

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种横向抗剪的锚杆组合装置及设计方法，该装置和方法可根据锚杆支护加固范围内的岩体或节理岩体在锚杆横向剪切变形情况，通过合理设置钢卷管数量及其尺寸、选取适宜锚固剂，能够有效缓解与改善锚杆横向剪切受力状况，使其横向受力部分转化为锚杆轴向锚固力，提高锚杆对隧道围岩的约束与加固。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种横向抗剪的锚杆组合装置，包括插装于钻孔内的锚杆及连接在锚杆外端由锚杆垫板和螺栓组成的锚头，所述锚杆外侧套装钢卷管，所述钢卷管与锚杆之间设有锚杆支架，另有充填剂填充于钢卷管与锚杆间的空隙，所述钢卷管与钻孔壁之间填充锚固剂粘结。

在本发明中，作为一种改进，所述钢卷管接缝交错重叠，其重叠搭接部分的圆心角不小于36°。

在本发明中，作为一种改进，所述锚杆垫板的边框尺寸不小于钻孔直径的两倍，所述锚杆直径应小于钢卷管最小内径尺寸，钢卷管与锚杆的半径差为充填剂充填计算厚度。

在本发明中，作为一种改进，所述钢卷管根据围岩性状设置为以下两种形式的管体：

(1)当隧道围岩属于软岩且节理不发育或不是主要控制对象，即钻孔方位内岩体沿锚杆轴向的剪切变形差异性较小时，采用一根通长钢卷管或等分的n段钢卷管；

(2)当隧道围岩属于较硬岩，锚杆加固范围内节理发育，钻孔方位内岩体沿锚杆轴向的剪切变形差异性明显时，采用分段式钢卷管。

在本发明中，作为一种改进，所述分段式钢卷管的数量和尺寸确定方法如下：

1)锚杆加固范围内的岩体做如下划分，自钻孔端向钻孔底依次标识为：节理块体1、节理块体2直至节理块体i和深部岩体，共计标识数量为i+1；

2)钻孔深或锚杆加固长度为l，节理块的厚度为lj，则

3)钢卷管的数量等于锚杆加固范围内岩体标识数量i；每段钢卷管gj长度为：

gj＝lj-kx；

其中，j取值范围为1-i，x为保证相邻围岩块体剪切变形而预留的孔隙；k为钢卷管两端剪切面数量，两端端部取值1，中间处取值2。

在本发明中，作为一种改进，所述充填剂其充填计算厚度下的安全压剪变形量不小于允许节理块体剪切位移量，相邻节理块体发生剪切时，作用在钢卷管截面的切向力将钢卷管卷紧，对管内包裹的锚杆和充填剂径向约束力均匀增加，避免在局部产生集中力。

在本发明中，作为一种改进，所述锚杆的半径、钢卷管的最小半径及钻孔的尺寸按照以下顺序确定：

1)根据加固范围需要确定锚杆半径和最大剪切位移s；

2)再确定充填剂的厚度；

3)确定钢卷管的最小半径；

4)确定钻孔半径；

其中，钢卷管最小半径比锚杆半径至少大1.5cm，钻孔半径比钢卷管最小半径至少大1cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与常规锚杆相比，本发明可以允许锚杆加固范围内的围岩除了可以提供在锚杆轴向上进行压力释放外，也可以在锚杆的横截面方向进行剪应力释放，能够较好地适应锚杆的三维受力状况。

(2)相对于开缝钢管抗剪锚杆装置，本发明更能灵活得适应加固范围内不同部位节理块体的剪切变形，允许各部位剪切变形有较大突变性；同时采用钢卷管包裹锚杆使得锚杆径向受力更为均匀，避免同一截面上受力不均。

(3)可有效缓解与改善锚杆横向剪切受力状况，尤其隧道围岩节理发育情况时，可根据岩体节理参数调节钢卷管尺寸，更利于横向受力部分转化为锚杆轴向锚固力，有利于锚杆对隧道围岩的约束与加固。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明横向抗剪的锚杆组合装置布设图；

图2为本发明横向抗剪的锚杆组合装置横断面关系图；

图3为本发明锚杆支架示意图；

图4为本发明钢卷管内侧与外侧重叠搭接部分的圆心角示意图；

图中：1、锚杆，2、锚杆垫板，3、螺栓，4、钢卷管，5、锚杆支架，6、充填剂，7、锚固剂。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种横向抗剪的锚杆组合装置，包括插装于钻孔内的锚杆1及连接在锚杆1外端由锚杆垫板2和螺栓3组成的锚头，所述锚头位于钻孔外侧，所述钻孔穿过数层节理块体直至深部岩体，多层节理块体由钻孔外端向钻孔底依次标识为节理块体1、节理块体2直至节理块体i，锚杆1可以为普通型螺纹钢筋，也可以为带有阻尼或变形让压装置的复合式锚杆，所述锚杆1外侧套装钢卷管4，锚杆1直径应小于钢卷管4最小内径尺寸，所述钢卷管4与锚杆1之间设有锚杆支架5，锚杆1通过锚杆支架5固定在钢卷管4内，锚杆支架5采用三脚式塑料支架，其强度可以忽略，另有充填剂6填充于钢卷管4与锚杆1间的空隙，所述钢卷管4与钻孔壁之间填充锚固剂7粘结。

钢卷管4在横向剪切力作用下握裹锚杆1，为了保障钢卷管4对锚杆1的包裹效果，所述钢卷管4接缝交错重叠，其重叠搭接部分的圆心角不小于36°。

所述锚杆垫板2为锚杆提供足够的反作用力，且不应对隧道围岩发生剪切破坏，锚杆垫板2最小边尺寸不得小于钻孔直径的2倍。

所述锚杆1直径应小于钢卷管4最小内径尺寸，钢卷管4锚杆1半径差为充填剂6充填计算厚度。

所述钢卷管4根据围岩性状设置为以下两种形式的管体：

(1)当隧道围岩属于软岩且节理不发育或不是主要控制对象，即钻孔方位内岩体沿锚杆轴向的剪切变形差异性较小时，采用一根通长钢卷管4等分的n段钢卷管4。

(2)当隧道围岩属于较硬岩，锚杆加固范围内节理发育，钻孔方位内岩体沿锚杆轴向的剪切变形差异性明显时，采用分段式钢卷管4。

对于锚杆1的锚固段一般处于稳定的的岩体，通常认为是不受工程影响的岩体，因此，锚固段不存在剪切变形，所以锚固段钻孔中可以不设钢卷管4。

所述分段式钢卷管的数量和尺寸确定方法如下：

1)锚杆1加固范围内的岩体做如下划分，自钻孔端向钻孔底依次标识为：节理块体1、节理块体2直至节理块体i和深部岩体，共计标识数量为i+1；

2)钻孔深或锚杆1加固长度为l，节理块的厚度为lj，则：

3)钢卷管4数量等于锚杆加固范围内岩体标识数量i；每段钢卷管gj长度为：

gj＝lj-kx；

其中，j取值范围为1-i，x为保证相邻围岩块体剪切变形而预留的孔隙；k为钢卷管两端剪切面数量，两端端部取值1，中间处取值2。

锚固剂7用于钢卷管4与围岩之间的粘结，可采用工程常用锚固剂7，如水泥砂浆等。

充填剂6与钢卷管4间以压应力为主，不存在剪切力或可以忽略，为保障工程效果，可在钢卷管4与填充剂6间铺设一层隔离膜或在钢卷管4内壁喷涂表层光滑的隔离材料。

所述充填剂6其充填计算厚度下的安全压剪变形量不小于允许节理块体剪切位移量，相邻节理块体发生剪切时，作用在钢卷管4截面的切向力将钢卷管4卷紧，对管内包裹的锚杆1和充填剂6径向约束力均匀增加，避免在局部产生集中力，充填剂6充填计算厚度下的安全压剪变形量、钢卷管4对锚杆的约束及各节理岩体剪切变形三者相互协调。

充填剂6、锚杆1、钢卷管4及节理块体的相应参数要满足以下关系：

σg＝g(eg，γg，σθ)，

εa＝f(ea，γa，σm，σg)，

s≤2(rg-rm)εa；

其中，ea和γa为充填剂6的弹性模量与剪切模量，rm为锚杆1半径，rg为钢卷管4半径，eg和γg为钢卷管4力学参数的弹性模量和剪切模量，σθ为相同部位的节理块体剪切应力，以及锚杆1对充填剂6的应力σm、锚杆1对充填剂6的应力σg和节理块体位移s。

所述g和f为对应的函数关系，不同工程的相应参数所对应的函数关系式也不同。

所述锚杆1的半径、钢卷管4的最小半径及钻孔的尺寸按照以下顺序确定：

1)根据加固范围需要确定锚杆1半径和最大剪切位移s；

2)再确定充填剂6的厚度；

3)确定钢卷管4的最小半径；

4)确定钻孔半径；

其中，钢卷管4最小半径比锚杆1半径至少大1.5cm，钻孔半径比钢卷管4最小半径至少大1cm。

实施例二：深埋岩石隧道，锚杆1加固范围长度为4m(不含锚固段0.5m)，加固范围内岩石节理发育，除锚固端岩体外，自隧道壁向锚杆1钻孔底部以此分布四层节理岩体，其厚度分别为1.5m、0.8m、1.2m和0.5m；四层岩体间最大剪切变形位移为3mm，最大剪应力为0.4mpa；考虑岩体自重和支护效果每根锚杆1向岩体需提供0.2mpa支撑力。

计算锚杆1直径和钢卷管4、钻孔及锚杆垫板2的设计参数。

(1)锚杆1半径rm确定

以锚杆1抗拉强度为控制标准，锚杆1采用hrb400型钢材，其抗拉断强度σm为570mpa，锚杆1安全系数α取1.2，则杆体半径rm为：

即采用hrb400性钢材时锚杆1半径不能小于11.6mm(锚杆直径不小于23.2mm)。

根据锚杆1直径类型，选取φ25mm钢筋作为锚杆1，即锚杆型号为φ25mm的hrb400钢筋，锚杆支架采用pvc材料的支架，在此不做计算考虑。

(2)填充剂6厚度h确定

在填充剂6与钢卷管4之间铺设一层厚度可以不计的hdpe薄膜，解除两者间的切向力，使其具有法向压应力，填充剂6选取具有良好压剪变形性能的高弹抗剪性能的聚氨酯固体弹性体材料，该材料弹模e为20mpa。

在初始状态，即锚杆1装置刚安装完成时，填充剂6与钢卷管4间压力为0，在最终状态时，周边岩体剪切变形位移sr为3mm，该部分的变形通过钢卷管4卷紧收缩来使得填充压缩变形以提供变形空间；此时钢卷管4外部作用力为0.4mpa，考虑到钢卷管4管壁较薄其内部不产生应力差，因此，钢卷管4内部对填充剂6的压力σ视为0.4mpa。

则填充剂6的最小厚度h为：

(3)钢卷管4半径rg、长度确定：

①半径：

根据公式s≤2(rg-rm)εa，钢卷管4半径rg最小值不小于rm+h，即：

rg≥rm+h＝20mm；

由于钢卷管4半径同时要比锚杆1半径最小大于1.5cm，即不小于27.5mm，因此钢卷管4的最小直径为55mm。

钢卷管4选取钢卷管内侧与外侧重叠搭接部分的圆心角为45°，满足不小于36°的要求。

②长度和数量：

锚杆1加固范围内自隧道壁向锚杆1钻孔底部以此分布四层节理岩体，其厚度分别为1.5m、0.8m、1.2m和0.5m，因此，每个钻孔内钢卷管4也应分为4份，根据公式gj＝lj-kx，x可取5mm，得出参数分别如下表1：

表1钢卷管分段计算结果

(4)锚杆1钻孔直径：

钢卷管4的最小直径为55mm，钻孔半径比钢卷管4半径最小大于1cm，因此，钻孔直径最小值为75mm。

(5)锚固剂：

锚固剂7选用普通硅酸盐水泥砂浆。

(6)锚杆垫板2尺寸：

根据锚杆垫板2最小边尺寸不得小于2倍钻孔直径的要求，锚杆垫板2选取20×20cm的垫板。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。