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(岩土工程专业论文)扩大头锚杆技术研究与工程应用.pdf.pdf 免费下载
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。i c l a s s i f i e di n d e x : u d c : t u 4 7 3 2 d l s s e r t a l i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d ya n de n g i n e e i u n g a p p l i c a t i o no ft h e h e a d e x t e n d e da n c h o r c a n d i d a t e : s u p e r 、r i s o r : l i us h e n g m e i z h a n gm i n g 姐,s u n t a o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r :m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a i 够: g e o t e c h n i c a le n g i n e 舐n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n :h m e2 0lo u m v e r s i 够:q i n g d a ot l e c h n o l o 百c a lu 1 1 i v e r s i 够 工程硕士学位论文 扩大头锚杆技术研究与工程应用 学位论文答辩日期: 指导教师签字: 答辩委员会成员签字: 一查l 一兰l 乏 l 俐乏 7 1 i j 一 黛敝双 锄铆 私 青岛理工大学工程硕士学位论文 目录 摘要i a b s 吐a c t i i 第1 章绪论1 1 1 问题的提出。l 1 2 锚杆的构造及分类,。2 1 2 1 锚杆的构造2 1 2 2 锚杆的分类2 1 3 锚杆支护的锚固机理4 1 3 1 土层锚杆加固机理。5 1 3 2 加固计算理论5 1 3 3 土层锚杆的破坏机理6 1 4 锚杆支护的特点。7 1 5 锚杆的国内外研究发展动态7 1 5 1 国内外锚杆的研究现状、发展动态。7 1 5 2 国内外现有土层中扩大头锚杆、锚索研究现状1 0 1 6 研究的意义和内容1 3 第2 章扩大头锚杆作用机理研究1 5 2 1 扩大头锚杆工法原理。1 5 2 2 扩大头锚杆工法1 5 2 3 扩大头锚杆受力破坏机理1 6 2 3 1 锚杆按受力特点的分类:1 6 2 3 2 扩大头锚杆的破坏形式。1 6 2 3 3 扩大头锚杆的受力破坏机理1 7 2 4 扩大头锚杆的预拉强化特征2 0 2 5 扩大头锚杆抗拔力计算公式2 3 2 5 1 扩大头锚杆的力学模型2 3 2 5 2 锚杆抗拔承载力计算公式2 4 2 6 扩大头锚杆的设计要点2 5 2 6 1 扩大头锚杆的特点2 5 2 6 2 扩大头锚杆的适用对象2 5 2 6 3 扩大头锚杆的结构设计要点2 5 2 7 扩大头锚杆抗拔承载力的现场对比试验2 6 第3 章扩大头锚杆在基坑支护工程的应用3 l 3 1 扩大头锚杆在奥帆赛场3 1 号东西地块基坑工程中的应用3 l 3 1 1 工程概况3 l 3 1 2 工程地质条件及环境条件3 1 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 1 3 支护方案设计3 3 3 1 4 现场试验3 7 。3 1 5 监测结果及分析4 2 3 1 6 工程评价4 4 3 2 扩大头锚杆在东海路污水泵站基坑工程中的应用。4 4 3 2 1 工程概况4 4 3 2 2 工程地质条件及环境条件4 5 3 2 3 支护设计方案4 6 3 2 4 基坑监测数据分析4 7 3 2 5 工程评价4 9 3 3 本章小结4 9 第4 章扩大头锚杆在抗浮工程中的应用5 0 4 1 工程概况一5 0 4 2 工程地质条件5 0 4 3 试验方案51 4 3 1 试验目的5 1 4 3 2 试验设计5 1 4 4 试验数据分析5 5 4 4 1b 组锚杆试验数据分析5 5 4 4 2d 组锚杆试验数据分析5 9 4 4 3 数据比较分析6 2 4 5 试验成果及数据分析6 2 第5 章结论与研究展望6 3 5 1 结j 沦6 3 5 2 研究展望6 3 参考文献6 6 攻读学位期间学术论文发表及科研情况7 0 致谤 7 1 青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 岩土锚固技术能够充分地调用和提高岩土体自身强度和自稳能力,简化结构 体系,提高结构物的稳定性,确保岩土工程的施工安全。该技术具有工期短,造 价低,施工方便的特点。目前,该项技术仍然是提高岩土工程稳定性和解决复杂 岩土工程问题最经济、最有效的途径之一。岩土锚固技术在我国的深基坑支护、 边坡整治及结构抗浮等工程中得到了广泛的应用。 采用爆炸法、注浆法或机械法等工艺形成的锚固段局部扩大的锚杆( 俗称“扩 大头锚杆”) 具有单锚抗拔承载力高,受荷后位移小,地层适应性强,单位承载力 造价低的特点。该技术不但能够发挥锚固体与周边土层的摩擦作用,而且可以发 挥扩大头部位土体的端承作用,具有显著的经济效益。 本文从锚杆的构造及分类入手,介绍了土层锚杆的加固机理、计算理论、破 坏机理和国内外研究现状,阐明了锚杆支护的优点。在此基础上,重点对国内外 土层扩大头锚杆( 锚索) 的研究现状进行了综述。 以高压旋喷法为例,对扩大头锚杆的作用机理展开研究。该工法主要包括分 序扩孔、完全置换、二次注浆、充填砂浆等四个重要的概念和工艺。根据理论研 究,结合工程实测数据分析,对扩大头锚杆的受力破坏过程和作用机理进行了详 细阐述。扩大头锚杆的循环加载试验数据表明,扩大头锚杆具有明显的预拉强化 特征。在上述工作的基础上,建立了扩大头锚杆的力学模型,提出了扩大头锚杆 的承载力计算公式和设计要点。 对比试验表明,扩大头锚杆与普通锚杆的轴向应变相比具有陡降的现象,具 有明显的端承效应。 结合扩大头锚杆在两个不同基坑工程中的应用,详细介绍了扩大头锚杆在基 坑工程应用中的设计计算方法。工程实践表明,扩大头锚杆的应用,成功解决了 水位以下预应力锚杆施工困难的问题,非常适合海边水位较高地段复杂地质条件 和复杂周边环境的支护。抗浮工程中的现场对比试验表明,采用扩大头工艺可以 显著提高锚杆的抗拔承载力。 关键词:基坑支护:抗浮工程;锚杆;扩大头锚杆 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a n c h 耐n gt ec _ h n 0 1 0 9 yc a n 如l l yi n v o k e 趾di m p r 0 v e 也es o i ls 仃e n g ma n di t s s e l f :鼬i l i 够砸ste | d m o l o g ) ,c a ns i m p l i 匆也er e t a 证n gs 仃u 咖埘s y s t 锄卸di m p r o v e 也es t a b i l i t ) ro fm e 鼬n l c t l l r e st 0e n s u r em es a f 邑哆o fg e o t e c h n i c a lw o f k s t h et e 曲m o l o g y h 缎as h o r td 埘o n ,l o wc o s t ,粗dc o n v e n i tc o n s 咖c t i o n 岛a n u 岱c 硼嘟l t l 弘也e t c c h n o l o g yi ss mo n e o ft 1 1 em o s te 蕊:c t i v ea n de c o n o m yw a yt oi n l p r o v e 也es t a b i l i 够o f g e o t c c 皿c a le n g i n 砒g 觚dt 0 s o l v e 也em o s tc o n l p l e x g e o t e c h n i c a le n g i n e 面l g p r o b l e m s a n c ! h o 塔h a v eb e e nw i d e l yu s e di n 也ed e 印e x c a v a t i o n ,也es l o p e 仃e a 恤e n t 龃d 也es t r u 魄鹏锄虹一n o a 血g 锄do t l l e re n g i i l e e f i n 辱 t h ep a r t 孤d l o 面唱s c c 舡o ne n l a 唱e da nc _ h o rf 0 如a a t t e db ye x p l o s i o n ,g r o u t i n g0 r m e c h a n i c a lm e 血o d s ( c o m m o l l l yk n o w n 孙”h e a d 一删e d 强c h o r s ”) h a sh i g hp u l l o u t c a p a c i 劬s m a l ld i s p l a c 锄e 峨谢d e l yg r 0 1 l n da d a p t a b i l i t ya n d1 0 wc o s tl l n i tc a p 撕哆 c h 娥贼耐s t i c s n et e c h o l o g yc 观n o to n l yp l a y 也es o i l 衔c t i o nb e 咐e 也e 趾c h o r b o d ya n dt h es 1 1 r r o u n d i n gs o i l ,b u ta l s oc a np l a ym eb e 疵gc a p a c i 够o f 也es o i l s l l l t o u n d i i l g 也eh e a do fm ee n l 越g e dp a n w i 也s i g l l i 矗c a n te c o n o m i c b e n 曲t s f r o m 也es o i l 觚c h o r ss 仃1 l c t l l r ea n dc l a s s i f i c 撕。玛m e 硒n f o r c 锄锄tm e c h a n i s m , t 1 1 ed 髓i 孕强d m p u t a t i o n a l 也c 0 f a i l l l r em e c h a i l i s m 觚dr c s e a r c hs 觚sa r e d i s c i l s s c d a d v a n 罐e so f 也ea n c h o ra r ee x p l a i n 。da tt 1 1 es 锄e 面e o nt h j sb 捌s ,也e s t u d yo f t h eh 髓d 吼l a 蹭e d 姐c h o ri nd o m e s t i c 柚df 0 】两孕w a s 删e w e d 1 1 1 em 葩h 卸妇r e s 既r c ho f h e a d 一蜘l a r g e da n c h o rf o m a 位c db y 也e1 1 i g hp r e s s u r c j e tg r o u 血gm e m o 也f 1 0 re x a m p l e ,w a l sc 枷e do u t t h en e wm e m o di n c l u d 鼯 s l l b s e q u e n c er 锄i n g ,c o m p l e t er 印i a c e m t ,s e c o n d a r yg r o u t i n g 勰dm o r t a r 丘l l i n g , t 1 1 ef o l | r 硫印r t a n tc o n c e p t sa n dp r o c c s s e s a c c o r d i i l gt 0t l l e 也e 0 d rs t u d y c o m b i n e d 谢也e n 咖e e 血gt c s t d a 土a a n a l ) ,s i s ,也ef 甄l u 】旧p r o c e s s 觚dm e c h a n i s mo f 也e h e a d e 1 1 1 a r g c d 锄c h o rw e r cd e s c r i b e di nd 酏a i l da :t ao f 也ec y c l i c1 0 a d i n gt e s to f 也e h e a d e n l a r g e d 姐c h o rs h o wm a tm en e w 蠲c h o rh 觞o b 啊o u sp r e t e n s i o ne n h a n c e d f e a t i 】r e s b a s e do nt 1 1 ea :b o v ew o d ( m em e c h a n i c a lm o d e lo ft l l en e wa n c h o rw a s e s t a b l i s h c d ;也eb e a r i n gc a p a c i t yd e s i 弘f o m m l aa n dm 血d e s i 弘p o i n t sw e r ep r o p o s e 由 t o o 青岛理工大学工程硕士学位论文 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着城市化进程的不断加快和世界人口的不断增长,土地资源日益稀缺,世 界各国纷纷加快了地下空间开发和利用的速度。大型地下商场、地下停车场、地 铁车站及污水处理系统等的建设规模越来越大,其周边环境也越来越复杂,类似 工程的建设都面临着深基坑工程的支护问题。可以说,深基坑支护工程已经成为 高层建筑地基基础和地下空间开发中的重要环节。 深基坑工程支护体系种类繁多,主要型式有:锚喷支护、桩锚支护、重力式 挡墙、地下连续墙、双排桩、内支撑等。其中,锚固技术能较充分地调用和提高 岩土体自身强度和自稳能力,简化结构体系,提高结构物的稳定性,并能确保施 工安全。由于该技术能够节约工程材料,缩短工期,降低造价,世界各国都在大 力发展岩土锚固技术【l 】。目前,该项技术已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂 岩土工程问题最经济、最有效的途径之一,并且已在我国的深基坑支护、边坡整 治及结构抗浮等工程中得到广泛的应用。 沿海城市第四系地层主要由砂土组成。基坑支护时,普通预应力锚杆在饱和 砂土地层中施工时往往涌砂冒水现象严重,往往给基坑支护的顺利进行带来极大 困难。在工程场区较开阔,基坑周边环境简单,基坑周边建( 构) 筑物对位移要 求不高时,可以采用自进式锚杆进行支护。但在基坑周边环境复杂,周边建( 构) 筑物对位移要求较高时,自进式锚杆并不能很好地解决这一问题。 此外,沿海地区淤泥质软土也较发育。这类土的抗剪强度较低,提供的抗拔 力较小,计算得出的锚杆锚固段非常长。但单纯依靠增加锚固段长度来提高抗拔 力往往是有限度的。大量试验表明,锚固长度超过某个数值后,抗拔力并不能得 到明显提高【2 棚。因为锚杆受力后会出现渐进式破坏,只有当前面的锚固段有了相 当大的位移或者被破坏后,后面的锚固段才能发挥作用。因此,通过增大锚杆的 锚固段直径来增加锚杆的侧摩阻力,是提高锚杆抗拔力水平、减小锚杆变形的最 好办法。 在抗浮工程中,由于抗浮锚杆布置时间距较小,底板产生的弯矩和剪力相应 青岛理工大学工程硕士学位论文 较小,抗浮工程总体造价较低。近年来,锚杆在抗浮工程中被大量采用。但由于 对锚杆的受力机理和施工工艺缺乏足够的认识,青岛地区土层抗浮锚杆失败的案 例不在少数。因此,如何提高锚杆的锚固力,减小锚杆的位移,更大限度地降低 锚杆工程的造价也是一个崭新的课题。 1 2 锚杆的构造及分类 1 2 1 锚杆的构造 锚杆广泛应用于各种支护结构。土层以主动滑动面为界可分为稳定区与非稳 青岛理工大学工程硕士学位论文 两者的一般力学特性如图1 3 所示。 占劲 t ,n , 套臂 整 。 装 体 氆 f 体i - 型 互 誊 拉力 体 图1 2 预应力锚杆与非预应力锚杆结构构造的比较 ( a ) 预应力锚杆:( b ) 非预应力锚杆 图1 3 预应力锚杆与非预应力锚杆受力特性的比较 2 ) 拉力型锚杆与压力型锚杆 锚杆受荷后,杆体总是处于受拉状态。拉力型与压力型锚杆的主要区别在于 锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或者受压状态【1 4 1 。 拉力型锚杆( 如图1 4 ( 口) ) 的荷载是依赖其固定段杆体与灌浆体接触的界面上 的剪应力由顶端向底端传递。锚杆工作时,固定段的灌浆体容易出现张拉裂缝, 防腐性能差。 压力型锚杆( 如图1 4 ( 6 ) ) 则借助无粘结钢绞线或带套管钢筋使之与灌浆体隔 开和特制的承载体,将荷载直接传至底部的承载体,从而使荷载由底端向固定段 的顶端传递。这种锚杆虽然成本略高于拉力型锚杆,但由于其受荷时固定段的灌 浆体受压,不宜开裂,宜用于永久性锚固工程。 青岛理工大学工程硕士学位论文 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 1 土层锚杆加固机理 锚杆在正常工作状态下,由于涉及拉杆、注浆体、土体等各部分的相互作用, 受力情况复杂,所涉及的各部分材料性能差异很大,一般的结果都是根据模型试 验或现场试验得出的,没有完全成形的理论,所以对锚杆体系的工作机理一时还 难以彻底搞清楚1 5 】。目前,对于土层锚杆加固的机理有多种不同的观点,主要的 观点都是围绕锚杆与土体之间力的传递以及土体的性质变化展开的,下面是常见 的几种观点 1 6 ,1 7 】: ( 1 ) 摩擦作用:主要是靠锚固段的粘结材料与稳定土体之间的摩擦力来维持被 锚固土体的稳定。 ( 2 ) 内凝聚力的增加:对于层理不发育,整体性能较好的土体,由于锚杆杆体 的“销钉作用可以增大破坏面的抗剪强度,即提高了破坏面的等效凝聚力。 ( 3 ) 内摩擦角增大:锚杆的预应力将使土体压缩,而使土体等效内摩擦角得到 提高。 ( 4 ) 等效单轴抗压强度提高:按照全长粘结式锚杆的中性点理论,锚杆安设后 将随土体共同变形。此时,中性点以下锚杆表面剪力将阻止土体表面位移,锚杆 的这种加固作用表现为土体峰值抗压强度的提高。 ( 5 ) 等效变形模量增加:由于锚杆的弹性模量高于土体弹性模量,当锚杆随土 体共同变形时,这种变形特征差异造成了土体等效弹性模量的增加。 ( 6 ) 土体整体性增强:由于锚杆的作用,可以有效地限制滑裂面的移动,从而 增强土体的整体性。 1 3 2 加固计算理论 关于锚杆加固的计算理论和模型国内外都有一些比较被工程认可的认识,这 些认识均在特定的岩土体条件和锚固方式下反映了锚杆的加固作用。这些理论对 实际状况做了简化,且都比较倾向于岩石锚杆,是在加固岩石巷道和边坡时总结 出来并形成理论的,而专门对土层锚杆的计算理论和模型研究较少,但在这方面 岩石锚杆和土层锚杆不乏共性,具有代表性的观点有: ( 1 ) 压缩带理论:该理论由t l v r a b c e w i c z 于1 9 5 5 年提出,揭示了锚杆的作 用是使围岩中产生一定厚度的压缩带承受围岩压力,在土层锚杆加固的土层中也 可以形成压缩带,使土体的内摩擦角增大,但压缩带的承载力难以确定。 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 加固理论:对有节理、裂缝等力学不连续面的地层打入锚杆,使已破碎的 地层具有整体性或近似整体性,在软弱土体中增加筋骨,从而增强了锚固区岩土 体的强度( 如弹性模量e 、凝聚力c 等) ,增强了土体的整体性,改善了土体的性质, 但其效能评价,还需要进一步深入研列1 6 1 引。 ( 3 ) 中性点理论:王明恕等【1 9 】提出了全长锚固中性点理论。该理论认为在靠近 岩石壁面部分,锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面;在围岩深处,围岩阻 止锚杆向壁面方向移动,剪力背向壁面,锚杆上剪力指向相背的分界点,称为中 性点。该点处剪应力为零,轴向拉应力为最大,由中性点向锚杆两端剪应力逐渐 增大,轴向拉应力逐渐减少。该理论对于锚杆的造型、结构设计及参数优化等起 着有效的指导作用。 ( 4 ) 销钉理论:葛修润院士【2 0 1 1 9 8 8 年进行了加锚节理面抗剪性能试验。试验表 明,加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大,即使不大的剪切位移就已 使锚杆体的抗剪作用得到充分发挥,即锚杆的“销钉”作用,并提出改进了估算 加锚节理面抗剪强度的公式。 ( 5 ) 地应力为基础的锚杆支护设计理论【2 l 】:该支护设计理论应用地质力学评 估一初始设计一现场监测一反馈信息一修改设计 这种以地应力为基础、充分考 虑水平地应力作用的动态锚杆支护设计方法,充分利用每个动态过程提供的信息 编制计算程序。 以上几条理论反映了在特定条件和锚固方式下锚杆的加固作用,相应的力学 模型与实际情况出入较大。但由于其计算方法简单,物理概念明确,在目前岩土 锚固工程中仍被广泛应用,对土层锚杆也有较大的实用性和参考性。更精确实用 的土层锚杆理论还有待于研究人员通过室内模型试验、数值仿真模拟、现场试验 等手段进行深人细致的研究。 1 3 3 土层锚杆的破坏机理1 1 7 l ( 1 ) 整体失稳: 地面破坏下滑,由于桩端下卧软土层破坏使地面下滑时向外推移及整个体 系沿着一条假定的滑裂面下滑,造成土体的破坏; 深层滑缝破坏,墙、土、拉杆的共同作用力均在滑动土体内部,因而从桩 端处剪切面开始向墙拉结的方向形成一条深层滑缝、造成倾覆: 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 整个锚固体系绕桩端倾覆。 ( 2 ) 局部破坏:锚杆体系的某些个别地方发生的有限破坏,如个别锚杆损坏, 墙面被刺穿等。 ( 3 ) 超量变形:虽然锚护体系未发生破坏,但其水平位移和地表下沉过大达到 危及相邻设施或建筑物安全也是不能允许的。 ( 4 ) 土体液化:在易液化的土体环境中开挖地基,在施工中和竣工后都可能在 外界的冲击和振动下使锚护体系或深远部的土体突然塌落失稳。 1 4 锚杆支护的特点 岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆,将结构物与地层紧紧地联系在一起, 依赖锚杆与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固,以保 持结构物和岩土体的稳定。 锚固技术的特点是相对于其它支护形式而言的,与完全依靠自身的强度、重 力而使结构物保持稳定的方法相比较,具有许多鲜明的特点【1 4 1 。 ( 1 ) 能够提供开阔的施工空间,极大地方便土方开挖和主体结构施工。锚杆施 工机械及设备的作业空间不大,适合各种地形及场地。 ( 2 ) 对岩土体的扰动小;在地层开挖后,能立即提供抗力,且可施加预应力, 控制变形发展。 ( 3 ) 锚杆的作用部位、方向、间距、密度和施工时间可以根据需要灵活调整, 获得最佳效果。 ( 4 ) 用锚杆代替钢或钢筋混凝土支撑,可以节省大量钢材,减少土方开挖量, 改善施工条件,尤其对于面积很大支撑布置困难的基坑。 ( 5 ) 锚杆的抗拔力可通过实验来确定,可保证设计有足够的安全度。 1 5 锚杆的国内外研究发展动态 1 5 1 国内外锚杆的研究现状、发展动态 1 ) 国外锚杆的发展动态 据记载,锚杆发明于十八世纪中叶,一个英国采矿专家在井下坑道中看到顶 板发生了弯曲、沉降,而又难以维护。经过苦思冥想,从钉子能钉牢层状木板中 得到了启示,于是发明了岩石锚杆。但是,直到上世纪末锚杆才真正获得实际应 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 用和发展【2 2 1 。 1 9 1 8 年西利西安矿山开采使用锚索支护。1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法大坝加 高工程使用预应力锚杆,1 9 5 7 年西德b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。 近几年来出现的几种新型锚杆【2 2 2 3 2 4 】: 美国w o r l y 公司研制的全长楔形锚杆由各具有锯齿形表面的两部分组成,锚杆 的两部分均在全长上对岩石施加作用力,使用非常方便,必要时可重新安装。 英格索兰公司研制的组合式锚杆,兼有机械锚杆和全长灌浆( 树脂) 锚杆的优 点。由插入孔底的开缝塑料管和端部有锻制锯齿螺纹的锚杆组成。将有螺纹的锚 杆端旋入塑料管,使其变形产生锚固作用。塑料管的作用类似树脂锚杆的树脂。 英格索兰的缝管锚杆,是使用最广泛的非注浆锚杆,钢管直径比锚孔直径稍 大,且沿全长开缝。用机械力将其打入孔内,从而使轴向缝压缩,整个管壁与岩 石成摩擦接触。这种锚杆容许岩体移动的程度足以控制岩体的应力释放,同时又 保持其初始锚杆力。 南非研制了一种与缝管锚杆类似的0 v a l 锚杆,其断面为椭园形,打入锚孔后 变为锚孔的断面,从而对孔壁施加径向压力。 阿特拉斯科普柯公司研制的胀管锚杆是一根卷曲的钢管,用高压水使之膨胀 并与不规则的孔壁密贴,从而在其全长形成摩擦结合。在膨胀的同时,钢管在长 度方向产生收缩、使端面垫板对岩体起到锁紧作用。这种锚杆的适用性很广,从 软砂和粘土层,到硬岩层都可使用。 1 9 8 7 年瑞士的w i e d e m a n n 公司首选推出玻璃纤维锚杆,这种锚杆不存在腐蚀问 题,是在腐蚀环境下可作为真正永久支护的唯一锚杆,另一重要优点是重量轻, 便于运输,可以切割。 国际工程协会和美国矿业局于8 0 年代初最先研制了几种树脂式和机械式自钻 锚杆,此后,奥地利的g d a n k e r 公司于1 9 8 5 年推出了l b 0 型自钻锚杆。这类锚杆是 带有一次性钻头的空心钻杆,用自带钻头钻孔。然后通过钻杆中心高压灌浆。这 种锚杆既可用于岩石支护,又可用于土层加固。 德国d y w i d a g 国际公司研制的让压锚杆,又称屈服锚杆或可伸缩锚杆,比普通 锚杆具有更大的变形能力,在圈套的围岩压力作用下能产生柔性卸压作用,是大 变形和受动压作用条件下的一种有效加固方法。 可扩孔锚杆,对软弱地层,以及因受场地限制锚杆长度不宜过长时使用。扩 8 青岛理工大学t 程硕士学位论文 孔的方法有爆炸法、注浆法和机械法。 高压灌浆锚杆,在第一次灌浆完成之后,采用高压浆液使已凝固的浆体压裂 并渗入土层形成加固体,从而提高锚杆的承载力。法国s 0 1 e t a n c h e 公司的e r p 高压 灌浆锚杆,利用密封袋和特殊注浆管可进行高压灌浆。必要时还可以重复灌浆。 密封袋长一般为2 m ,并固定在锚固段的上部。当锚杆插入孔内并拔出套管后,使 用低压向密封袋充填浆液,使之紧压在孔壁上。 国外岩土锚固技术的发展主要体现在以下几个方面: 应用领域不断拓宽 不仅广泛用于支护矿山巷道、采场、铁路、隧道和地下洞室,还用于坝基加 固、基坑支护、结构抗浮和抗倾、滑坡治理、岩石力学现场试验等,几乎遍及岩 土工程的各个领域,经济效益极为显著。 锚杆结构和锚固工艺不断更新 缝管锚杆、胀管锚杆、让压锚杆、自钻锚杆、可扩孔锚杆、高压灌浆锚杆和 可拆式锚杆等相继出现,改变了锚杆结构和锚固工艺的单一化,提高了锚杆在不 同条件下的适应性。 锚固机具不断完善 地下工程的锚杆安装已基本实现机械化和半机械化,自动化锚杆安装机也投 入使用。适用于土层锚固的土锚钻机已形成系列,可适用于各种软硬土层。 锚固工程的设计与施工已进入规范化轨道。 继1 9 7 2 年德国首先颁布锚固施工标准之后, 法国、奥地利、瑞士、瑞典、 日本、英国、美国、澳大利亚、捷克、南非、香港和国际预应力协会( f i p ) 等先后 制定了锚固设计与施工的标准与建议,其中f i p 建议尤其受到国际上的广泛认可。 b r o c he ,m y r v a n gam ,s t j e r ng 【2 5 1 、s i a dl 2 6 】、k i l i ca ,y a s a re ,a t i s cd 2 7 】、z a d o k sri ,k o k a t a mdpr 2 8 】、c u n d a l lpa ,s t r a c kodl 【2 9 】、s e r g e e v b ,m a d e n c ie ,a m b u rdr 【3 0 1 、b e a r d m d ,l o w e mjs 【3 1 1 等对锚杆的作用机理、应力 传递特点等作了大量研究。 。 2 ) 国内锚杆发展动态 我国对锚杆加固技术的研究是从1 9 5 6 年开始,当时有京西矿务局安滩煤矿、 河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代, 9 霄岛理工大学工程硕士学位论文 我国开始在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射 混凝土支护。1 9 6 4 年,梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。7 0 年代,北京国 际信托大厦等基坑工程采用土层锚杆维护。但由于技术条件等原因,锚杆支护的 发展一直比较缓慢,直到2 0 世纪9 0 年代才开始有大的发展【1 3 2 】。近几年来,我国 岩土锚固工程发展迅速,几乎已触及土木建设领域的各个角落。 在隧道与地下工程中,利用岩石锚杆加固围岩的力学效果和经济效益极为显 著。1 9 6 9 年,我国海军某大跨度地下工程首先采用大锚杆加固4 0 m 的岩墙,比原计 划的钢筋混凝土边墙支护节约投资2 5 0 万元,并缩短了工期,提高了工程质量。碧 口电站隧洞、白山电站地下厂房、北京十三陵蓄能电站主厂房和小浪底坝址大跨 度隧洞,均采用了预应力长锚索。 在坝基加固工程中,采用预应力长锚索可不放空水库进行加固施工,而且不 必增加坝体重量,对抗震稳定也有利,是最为经济有效的坝基稳定处理方法。1 9 6 4 年,我国对使用中出现偏斜和裂缝的梅山水库右岸坝基采用长3 0 4 7 m 的预应力锚 索加固,效果良好。后来,麻石、双牌、白山、南河等大坝的坝基、闸墩、导流 壁也分别采用预应力锚索加固,大大提高了坝基和闸墩的稳定性。 1 9 8 7 年以来,厦门、深圳等地的一些建筑物旁的永久性边坡采用锚固技术, 有效地维护了工程的长期稳定。 为解决在工程地质条件较差条件下锚杆施工难以成孔的问题,发明了自进式 锚杆。自进式锚杆作为一种新型锚固工艺,能适应各种复杂地质条件和施工现场 环境,较好地解决了基坑支护中钻中缩径、坍孔、砂土液化及管涌等施工难题, 施工时将钻进、放杆、注浆、张拉、锚固在一个流程中完成,具有施工工艺简单、 成孔率高、工期短、强度高、经济效益好等优点。王书宏【3 4 1 、张彬【3 5 】、张广亮【3 6 】、 姚磊【3 7 1 、郑学贵【3 8 】等分别介绍了自进式锚杆在基坑支护、高边坡加固、隧道治理 等工程中的应用。 远方发明的连续式锚杆及其施工方法( 发明专利,申请号c n 0 2 1 5 5 3 3 0 o ) ,钻 孔和下锚杆一次完成,自动锁定,能大幅度降低施工成本。 1 5 2 国内外现有土层中扩大头锚杆、锚索研究现状 早在2 0 世纪7 0 年代l h o b s t 、j z a j i c 等人就对扩大头锚杆的应用进行了论 述。法国s o l e t a n c h 公司、原西德k l a m 公司、英国f n d e d i l e 公司和瑞典a t l a s 公司 1 0 青岛理丁大学工程硕士掌位论文 先后生产了扩孔钻头并用于工程。 m i c k o v s k i 等学者【3 9 】通过对洋葱等植物根系对砂、土壤的机理进行了系统的试 验研究,得到了锚杆抗拔力与深度和直径成正比的规律,且抗拔力可提高1 5 5 0 。 近年来国内也开始研究软土中的锚索、锚杆扩大头方法和施工工艺。概括地 可归为:二次高压注浆法、高压旋喷扩孔法和爆炸扩孔法。 曾庆义等的发明专利一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法( 专利号: c n 0 1 1 0 3 5 7 8 1 ) ,介绍了一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法,它是利用高压泵产 生高压水或高压水泥浆,对锚孔孔壁土体进行高压喷射切割而形成扩大头。它不 仅能显著地提高锚杆抗拔力,而且操作简便、成本低,能适合任何土层,尤其是 有效地解决了砂土层塌孔所带来的问题。 曾庆义等的发明专利高压喷射扩大头锚杆的施工方法和装置( 申请号: c n 2 0 0 5 1 0 0 2 1 3 1 8 9 ) ,介绍了一种高压喷射扩大头锚杆的施工方法,它是在锚杆成 孔后,利用钻机控制操作高压管对锚孔的扩大头部位进行喷射扩孔,然后再下锚 注浆。它创造性地采用钻机来进行高压管的支承和操作,无需再对扩孔设备的支 承和操作进行额外设计。 刘波等的发明专利机械扩孔施工方法( 申请号:c n 2 0 0 5 1 0 1 1 5 9 1 9 1 6 ) 介绍 了一种对岩土层进行加固和维护的锚固方法,具体说是采用机械扩孔器制作预应 力锚杆的施工方法。它包括钻孔、扩孔、水洗和注浆四个步骤,浆液与预应力筋 体握裹在一起,固化后构成锚杆。一次注浆后根据设计要求还可进行二次注浆, 二次注浆管采用高压劈裂注浆管或多根管。这种施工方法适应于不同土质的地层, 可以在水平面夹角为o 9 0 。的方向施工作业,在锚杆长度上既有圆柱型段,又有 圆锥型扩孔段;既可以只扩孔一次,又可以多次或多段扩孔,且相互连为一整体, 增加锚杆与岩土体的接触面积,由于锚杆端承作用与摩擦作用的结合,成倍地提 高锚杆承载力,相应地也缩短了锚杆的长度,具有显著的经济效益。 曹兴明的发明专利注砂浆一次成扩头锚杆施工方法及其装置( 申请号: c n 2 0 0 5 1 0 0 1 0 0 9 2 2 ) 。锚杆钻机钻至设计深度后提钻,提钻的同时,注砂浆或细石 砼,边提钻边注砂浆或细石砼,再安放锚杆主筋,然后回拉完成扩大头,拉回送 进往返三次以上,形成完整砂浆扩大头,注浆压力在0 5 9 m p a 之间。适合饱和、 非饱和粘土层或砂层等地质条件。 1 1 青岛理工大学工程硕士学位论文 刘钟等的发明专利钻喷注一体化扩体锚杆施工方法( 申请号: c n 2 0 0 8 1 0 1 0 4 8 2 3 3 ) 。一种钻喷注一体化扩体锚杆施工方法,采用配备可液控启闭 辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头和能够实施单管高速喷射流切削工艺的长钻 架锚杆钻机进行钻进,当钻孔达到设计深度后,移动钻头至锚根孔段的设计位置, 向钻头输送高压清水或浆液,产生高速喷射流切割锚孔侧壁形成符合设计要求的 锚根孔;完成锚根孔的扩孔作业后,将钻头下放至锚孔底部,然后缓慢退出钻头 并通过辅助注浆孔连续注浆直至完成锚孔注浆或锚孔置换注浆,再将锚束体下放 至注满浆液的锚孔中,形成扩体锚杆。其目的在于提供一种承载力高,耐久性好, 所用施工设备少,工艺简单,工效高,成本低,无污染,能在多种地层条件下施 工作业的外喷注一体化扩体锚杆施工方法。 胡建林等【删在研制锚杆机械扩孔器的基础上,进行了扩体型锚杆的工艺试验 和抗拔试验研究。试验结果表明,所研制的锚杆机械扩孔器对地层具有良好的适 应性;扩体型锚杆较普通锚杆的承载力平均提高2 0 3 0 ,最大为6 6 ;扩体型锚 杆的轴向应变陡降现象明显,具有显著的端承效应。 天津的陈维华、季树凯【4 l 】在预应力土层锚杆加固海河堤岸中对预应力土层锚 杆进行现场试验,试验采用圆柱型和端部扩大头型两种锚杆型式,每种形式锚杆 分别采用一次注浆和二次注浆施工工艺。试验结果表明,二次注浆技术可以显著 提高锚杆的承载能力,采用二次灌浆技术可以将普通圆柱型锚杆的承载力从3 3 0 k n 提高到6 0 8 k n ,其承载能力提高约8 4 ;端部扩大头型锚杆的极限承载力是普通预 应力锚杆极限承载力的1 3 倍。 青岛的孙涛等蚓对土层中的抗浮锚杆进行了现场试验,试验采用普通锚杆与 端部扩大头型锚杆两种型式,试验结果表明,在同等条件下,扩大头型锚杆的极 限承载力是普通预锚杆的1 5 倍。 李瑞华等的扩大头土层锚杆在深基坑支护中的应用、曾庆义等【2 1 的高 吨位土层锚杆扩大头技术的工程应用、孙凯等【删土体中扩大头压力型预应力 锚索研究及工程应用、张小平等【4 5 】的扩大头锚技术在基坑支护工程中的应用、 杜柏林等m 】的扩大头锚杆反拉支撑s m w 在工程中的应用说明了扩大头锚杆技术 在不同地层条件下深基坑工程的应用实例,并与普通锚杆进行了对比。 唐春安【4 7 】介绍了一种作用机理及结构与普通锚杆均有所不同的新型锚杆,其 锚固力由锚杆杆体与岩体的摩擦力、锚杆杆端的锚固力与多点楔胀力所提供。对 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 新型锚杆进行了数值模拟和物理试验,其实验室试验证实,新型锚杆的拉拔力比 普通锚杆的拉拔力提高3 9 。结果表明,此种锚杆具有优异的力学性能、施工方便, 完全可以在工程支护领域中推广应用。 陈浩华【4 8 】介绍了端头扩大型锚杆的各种扩孔方法,重点阐述了一种新型的船 锚式注浆张开型土锚。带有锚抓的新型土锚,不需要专门的扩孔机械,在注浆作 用下能连续完成端头扩张与灌浆,具有施工方便、锚固面大、效果好等优点。通 过对土锚进行张开试验,证明了在上海等软土地区通过灌浆压力使锚抓张开并形 成扩大头是能够实现的。 有关论述扩大头锚杆研究的文献还有:地基处理手册【4 9 】、地基处理工程实例 应用手册【5 0 1 、岩土锚固新技术、现代岩土论丛书【5 2 】、岩土锚卧9 1 、岩土锚固理 论研究之现状【1 1 、预应力锚索锚固长度的确定方法【5 3 】、大型船闸闸墙锚杆的分析与 设计嗍、全长粘结式锚杆的受力分析【5 5 】等。 近年来,锚杆扩大头方面的研究取得一定程度的进展,解决了锚杆扩大端的 施工工艺,但其应力、应变分布规律、破坏模型以及抗拔力计算公式等理论方面 的问题还需要进一步研究。 1 6 研究的意义和内容 近年来,国内外锚杆技术的发展日趋成熟,锚杆的类型也越来越多,预应力 锚杆在工程中的应用越来越广泛,随之带来的问题也越来越明晰,这带动了广大 科技人员对锚杆技术进一步研究的热情。在软土地区,普通预应力锚杆设计时往 往存在摩阻力不足,锚杆设计长度过长的问题,在适当提高材料强度,增强杆体 与浆液的粘结力等的前提下,如何进一步提高锚杆的抗拔力,适当减短锚杆长度, 使之在一个比较合理的范围内,是锚杆发展的新方向、新课题。 在多年从事深基坑支护设计工作中,经常遇到水位以下普通预应力锚杆施工 困难及软土中锚杆的抗拔力不足、计算得出的锚固段过长等问题,这些问题长期 以来一直困扰着相关技术人员。 经过众多技术人员的多年研究,扩大头锚杆技术得以迅速发展,并越来越广 泛地应用到基坑工程、边坡工程、抗浮工程等工程实践中。 本文主要研究方法可概括为文献研究法、探索性研究法、试验研究法。首选 通过网络搜集集国内外相关资料,查阅有关研究资料、规范;其次,收集有关工 青岛理工大学工程硕士学位论文 程资料,总结工程经验;最后进行相关对比试验。以工程实践为背景,在国内外 研究资料的基础上,结合现场试验,总结不同地层条件下设计、施工中的经验。 本文拟在总结以往施工经验的基础上,结合扩大头锚杆在奥帆赛场3 1 号东、 西地块深基坑工程及其它多个工程中的应用,分析扩大头锚杆的工法机理及受力 破坏机理,建立扩大头锚杆抗拔力计算公式。同时,总结扩大头锚杆的设计要点, 分析施工过程中的难点和亮点,总结成功的工程经验,为类似工程提供宝贵的实 践经验,使本地深基坑工程中的锚固技术进一步成熟、完善,为沿海高水位条件 下的基坑支护提供一种新的支护模式。 本文研究的内容主要是扩大头锚杆的作用
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