[原创]锚杆新技术之自旋锚杆 [复制链接]

 

自旋锚管简介

 

 

 ??1. 自旋锚管特点 ­??自旋锚管是一种基于螺旋锚固技术基础上新的全功能锚杆。 ??这一成果是西安科技大学惠兴田教授经过长期的现场研究实践积累的基础上，深入分析传统螺旋锚杆作用机理发明的一种实用新型的螺旋式锚杆新家族→自旋锚管。 ??自旋锚管扬弃传统螺旋锚杆的大锚叶阻力结构，采用连续小旋丝质量分散中空结构。在这种基本结构的基础上改变中空结构或增加不同的钻眼装置就派生出一系列适应于不同地质和施工情况的全功能锚杆体系。自旋锚管能够实现树脂锚杆、普通砂浆锚杆、中空注浆锚杆、自钻锚杆、让压锚杆和喷浆锚杆的功能，特别适应于松软破碎岩土工程。 ??自旋锚管最大的优点是在同等级抗拉能级锚杆的基础上抗剪能力提高5倍以上。抗弯能力提高10倍以上，而且自旋锚管可以采用钻锚一次完成的快速施工工艺。使得该品种锚杆能够适应于任何岩土地层。 ??自旋锚管现在已经发展成一个新的锚杆体系：Screwed Tube Bolting System(STBS?) ­??1.1 结构特点 ??参见 图1 自旋锚管装配结构。  ­??1.2 工程范畴 ??主要应用到复杂边坡、破碎围岩隧道、煤矿巷道顺槽、地铁基坑工程或地下工程的明挖桩锚和暗挖超前支护领域，具有快速及时锚固和可回收的功能。 ­??2 . 自旋锚管体系Self-screwed Tube Bolting System(STBS?) ????（自旋锚管〓普通锚杆+自钻锚杆+注浆锚杆） ­??2.1 自攻旋进锚管Screwed Drilling Tube Bolt(SDTB?) ????在岩体钻孔中自攻旋进安装不使用锚固剂软岩中锚固力50KN/m，在土层中无需钻孔直接挤压旋进安装锚固力20KN/m ????创新点：土层中不钻眼，不使用锚固剂的全长锚固锚杆 ????优点：成本低，施工速度快，挤压强化土体结构使土体承载力大大提高。 ????缺点：各项参数配合恰当。钻机扭矩要求大，个别情况下单位锚固力小。 ??2.2 自旋注浆锚管Screwed Slip Casting Tube Bolt(SSCTB?) ????在钻孔中安装结束后利用自旋锚管注浆就成为具有初锚力的自旋注浆锚杆 ????创新点：具有初锚力且是全长锚固的注浆锚杆 ????优点：具有一定初锚力，适应于各种松软岩土体 ????缺点：注浆程序占用时间，施工环境差，速度受限制 ??2.3 自旋树脂锚管Screwed Resin Tube Bolt(SRTB?) ????在钻孔中安装的同时自旋锚管将树脂药卷搅拌具有初锚力的自旋树脂锚杆 ????创新点：药卷搅拌结束立即施加预应力的树脂锚杆 ????优点：锚固可靠，适应性广 ????缺点：锚杆安装需要专用钻具 ??2.4 自钻旋进锚管Screwed Rod Drilling Tube Bolt(SRDTB?) ????在自旋锚管中空内放入钻杆使钻眼安装一次完成是具有初锚力的自钻锚杆 ????创新点：钻眼安装一次完成且具有初锚力的自钻锚杆 ????优点：有一定的初锚力，安装快速，适应于任何岩土层 ????缺点：施工需要专用钻具 ??2.5 自旋喷浆锚管Screwed Full Injecting Tube Bolt(SFITB?) ????在土层中边喷浆边钻进安装锚注一次完成锚固力35KN/m ????创新点：钻眼安装和注浆一次完成的土层锚杆 ????优点：适应于松散岩土体 ????缺点：不能用于岩体破碎带松散体 ­??3. 自旋锚管力学行为 ­??3.1 锚管改变土体力学形态 ??自旋锚管虽然以螺旋形式为其基本结构，但其作用原理与传统的螺旋锚杆的大锚叶阻力机理有一定的差别，自旋锚管是以自身旋进安装形式完成安装过程，在此过程中，利用较为粗大的杆体挤压杆体周围的土体，使土体在挤压过程中密度变化，进而改变锚固段土体的力学参数，其锚固力是来自锚杆螺丝与土体之间的摩擦力。见图 2B自旋锚杆安装使得杆体周围土体力学参数改变和图 2A  锚杆体周围锚固力分布。  ­??3.2 自旋锚管的抗滑作用 ??自旋锚管比起传统的钢筋杆体结构来，采用了质量分散的管状结构，使得锚杆体的截面抗弯模量大幅度增加。同样截面的杆体采用自旋锚管结构时其抗弯能力增加幅度很大。见图 3自旋锚管的抗滑作用效果。 ­??3.3 自旋锚管的工程作用机理         3.3.1 张拉锚杆（索）力学行为 ??优点：预应力锚索对结构施加主动力，改变岩土结构体的应力状态，能够有效地控制结构体变形破坏。 ??缺点：锚索施工后需要十天才能施工预紧力，在此期间结构体依靠桩体结构被动承载土体压力，土体会产生松弛处于危险状态。然后在经过一段时间给锚索施加预应力时，由于单根锚索对桩体系相对会产生“负挤压效应”。负挤压效应非常不利于结构的稳定。 预应力锚索应用于桩间时，张拉初期锚索很难克服灌注桩的抗力后对土体施加预应力。因此，桩间锚索只有在群锚作用下才能达到设计要求。 ????3.3.2 全长锚固自旋锚管作用机理 ??优点：全长锚固锚杆不完全追求托盘产生效应，它是全长加固结构体以改变结构体的力学参数，而且它本身较大的截面抗弯模量能够很好的控制滑移面。尤其是它不受托盘和预应力的作用，只要安装有效就100%起作用。这种锚固形式已被采矿业广泛采用，实践证明了其良好的工程特性。 ??桩间自旋锚管比起锚索来具有其显著优点： ??（1）全长锚固改变土体力学特性，抗滑能力远远超过锚索结构，使工程结构体成为本质安全性。 ??（2）安装结束立即达到设计锚固力，使工程及时加固。 ­??3.4 比较锚索和自旋锚管数值模拟结果 ????3.4.1 位移和应力云图 y/i"o-}}~|  
????3.4.2 垂直方向应力 ??从位移云图可以看出，自旋锚杆和锚索对基坑的滑移有非常显著的改变。 ??从基坑表面的位移来看，自旋锚杆的控制性稍微优于锚索。 ??从垂直方向应力云图看来，不论那种支护方式对垂直方向应力的影响都较小。 ??从水平方向应力云图看来，自旋锚杆支护方式对水平方向应力有较好的控制作用。 ????3.4.3 比较结论 ??锚索是以张拉预应力施加给边坡，将轴向张拉力转化为抗滑力。而自旋锚管是靠挤压摩擦产生锚固力约束土体，同时依靠大于锚索几十倍的抗弯模量抵抗滑移面的滑移而使得土体稳定。 W8":lpp  
 ??4.2 基坑边坡支护用自旋锚管 ­??4 . 自旋锚管工程应用 ­??4.1 施工机具 ­????4.2.1 支护技术发展 ??深基坑支护是要解决复杂情况下的边坡稳定，实际上主要是控制滑移。控制边坡滑移最直接的方式是横支持。由于横支持结构费工费时且成本很高，更主要是严重影响挖掘施工和结构建设工作，对施工速度影响很大。采用的桩锚体系能克服横支持的大部分弊端，但一般的锚索技术受地层地质状况影响较大，又造成污染地层。 ??锚索控制滑移的原理是靠张拉力挤压土体克服土体的下滑力。因此，锚索一般需要施加100KN以上的张拉力才能达到预期效果。 ??自旋锚管的锚固原理是靠对土体的强挤压摩擦锚固约束土体形成纵向锚固力，对土体更主要的是自旋锚管很大的截面抗弯模量能够直接抵抗土体滑移。因此，在很小托盘承托力的情况下，自旋锚管就能达到高预应力锚索的锚固效果。 cJ[n<hTv
 
 基坑自旋锚管推荐选用： ????自钻旋进锚管SRDTB?型或自旋注浆锚管SSCTB? ??例如：SRDTB-T5828(40/3)*6。该锚管外径为φ58mm，每节锚管长度6米。 ????4.2.2 自钻旋进锚管SRDTB? ??施工原理见图 7   自钻旋进锚管施工结构。 ??自钻旋进锚管采用管内钻眼取土的钻安一次施工工艺。锚固可靠，施工速度快。 dOiy[4s  
????4.2.3 自旋注浆锚管SSCTB? ­??自旋锚管自带钻头，根据设计选用150-200mm直径一次性钻头。钻眼\注浆\安装三位一体一次完成。参见图 8 自旋注浆锚管结构及施工原理 7B&nV92S  
 ??适应松软破碎地层。钻注施工同时进行。施工快，可靠性好。 ­??4.3 隧道支护应用自旋锚管 ????4.3.1 自旋注浆锚管 ??砂浆锚杆和中空注浆锚杆是隧道广泛采用的锚杆。遇到破碎层时候应用自钻锚杆能比较好的解决。但这三种锚杆的共同缺陷是注浆过程浆液中有气泡，饱和度难以保证。自旋锚管技术相对来说能够比较好的解决这一问题。而且，施工工艺稍微简单一些。   },f7I^s|  
施工原理如图 10 自旋注浆锚管浆液只能顺旋丝顺序流出保证了注浆饱满。 &F.lo9JJ  
­??5. 自旋锚索新技术 ­??一般砂浆锚杆锚索施工需要钻眼\下锚\注浆\收管等工序。在稳定地层中这一工序可以顺利完成,但遇到松软破碎地层,钻眼工序就十分复杂。需要泥浆护壁或是套管跟进才能完成钻孔作业,这不但费时费工,施工成本高,速度很慢。为了克服这些缺陷。我们课题组进行了长达两年的攻关。图 11　注浆锚杆和锚索专用钻头跟进装置组件和组图 就是专门为解决松软破碎地层而设计的新专利。 ??应用这种专用钻头跟进装置组件可以1米/分钟的速度实现钻孔\注浆\锚索安装一系列工序。安装一根20米的锚索只需要20分钟就完成。 {L4^IKI  
 ??应用该新专利技术可以提高施工速度,降低工程成本。希望从事岩土设计和施工承包单位使用我们课题组的技术。与我们课题组签订行业联盟协议者技术免费共享。 ­­??6. 自旋锚管问题质疑 ­??6.1 在含水土层自旋锚管如何保证锚固效果 ??土层含水是影响土层锚杆锚固效果的主要因素，只要是设计了桩锚体系，任何锚杆锚索都会遇到同样的问题，这不仅仅是自旋锚管的问题。 ??对此，我们课题组也进行了大量实验研究。解决这一问题的方法是将锚管安装成负角度，让地层水从锚管中自然流出。这样能保证基坑边坡内部保持比较低的含水率。这比常见的任何锚杆锚索的安全性更好。 ??6.2 自旋锚管预应力小于锚索如何能够保证锚固效果 ??锚索是柔性结构，所形成的砂浆锚固体基本上没有抗弯能力。锚索就是靠强大的预应力改变锚索张拉段土体力学特性，是岩土体达到稳定。 ??自旋锚管是刚性结构，具有强大的抗弯能力。自旋锚管就是靠强挤压提高锚管与土体间的摩擦形成锚固力，同时自旋锚管比锚索高出数十倍的抗弯来直接抵抗土体滑坡是土体达到稳定。因此，从理论上说，自旋锚管具有更优秀的效果。 ??6.3 自旋锚管成本高不高 ??与各种锚杆锚索比较，自旋锚管使用的材料数量基本相同。自旋锚管由于施工速度快，综合施工成本比其他锚杆要低10-20%。 ??6.4 自旋锚管技术完善吗 ??自旋锚管技术发明于1999年，那时候是一个单一品种。现在已经发展成为一个体系。在这个体系中现场应用的技术都是成熟的。还有进一步挖潜提高功效和创新的机会。我们课题组希望跟设计施工单位合作再出新成果,共享新效益。 ??6.5 自旋锚管显著优点是什么 7Q[P  
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