自进式锚杆

新型锚杆及岩土锚固新技术

刘永阔

(中铁二十二局集团四公司,河北高碑店074000)

摘要:岩土锚固技术在公路、铁路、矿山等工程中得到了广泛的应用,综合论

述了国内外常见的新型锚杆以及岩土锚固新技术,如单孔复合锚固技术、锚杆杆

体材料新技术、软土锚固新技术等,对岩土锚固工程实践有一定指导意义。

关键词:新型锚杆;岩土锚固;单孔复合锚固技术;软土锚固

岩层和土体的锚固是一种把受拉杆件埋入地层的技术[1]。锚固技术按应用

对象分为岩石锚杆、土层锚杆和海洋锚杆;按是否预先施加应力分为预应力锚杆

和非预应力锚杆;按锚固机理分为粘结型锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和

混合型锚杆;按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆;按锚

固体形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球型锚杆。众多的锚杆品种,

可满足在不同的岩土条件、工程对象和工作状态下,得心应手地选择、设计和采

用不同承载能力要求的锚杆。

下面仅就新型锚杆及岩土锚固新技术作一简述。

1新型锚杆

(1)快硬水泥锚杆[2~3]。快硬水泥锚杆是一种新型粘结式锚杆,近年来国外

研究发展很快,如瑞典、法国、美国等已批量生产,我国煤矿近两年也在研究各种

快硬水泥锚杆,取得了一定的成果,如煤炭部煤炭科研院建井所、中国矿业学院西

安矿业学院等均已研制成功,并已少量试生产。快硬水泥锚杆以快硬水泥药包取

代树脂药包,杆体与杆头部结构与树脂锚杆相同。安装时先将水泥浸水2~3min,

再投入锚孔底部用杆体搅破并迅速凝固。

(2)扩头地锚[1]。台湾卢锡焕发明了保壮PCBA扩孔地锚。

其扩孔要点是:

①组装PCBA旋转扩孔预应力锚杆杆体,包括安装扩孔叶片、旋转变化锚头、

预应力钢铰线、钢铰线与变化头相接处防水处理等;

②将带有PCBA旋转扩孔装置的预应力锚杆体下放至钻孔预定深度;

③液压钻机转动钻杆,扩孔时叶片张开,上下旋转,岩屑、碎片随水冲出孔外,

部分沉渣则留在孔底,待灌浆时再与之混合;

④灌注水泥浆,必要时加砂,边灌浆、边旋转扩孔叶片,使孔内沉渣与水泥浆

体混合,以低压灌至溢满孔口为止,停留20min,再次灌浆;

⑤回收钻杆,扩孔钻头则留置于孔底,作为扩头地锚的锚固结构。

(3)二次高压灌浆锚杆[4~5]:借助特别的注浆管和密封袋,以压力高达

3~3.5MPa的注浆工艺,使第一次注浆形成的强度约为5MPa左右的注浆体产生贯

通裂缝,浆液则沿裂缝深入土体中,在锚杆上形成一串球状体,不仅可以提高锚杆

周围土体的抗剪强度,还能增大土体与锚固体间的接触面积,从而显著地提高锚

固强度。

(4)让压锚杆(屈服锚杆)[6]:普遍的粘结式锚杆和机械式锚杆,一旦达到破

断载荷,则造成杆体断裂而失去支护作用;或者一旦位移过大,锚杆的锚固力将由

最大值下降到很小乃至完全丧失锚固力,导致围岩失稳破坏。为了使锚杆既始终

保持满足设计要求的足够大的锚固力而杆体不发生断裂破坏,又要使锚杆适应较

大的位移而保持其锚固力,西德采矿研究中心研制了多种可伸长的让压性锚杆。

一是改变锚杆结构:①在锚杆垫板、螺母处考虑,例如可压紧一个弹簧垫圈,这就

是技术上最简单的一种让压锚杆,但它仅承受7~8t的力,而且让压性较小。②在

杆体运动时将许多钢珠置于一个内部为锥形的套筒内,通过不断将钢珠拉入套筒

而恒定地保持力的传递,工作阻力可在20~25t以上。从恒定性,特别是从载荷的

可调性来看,这种系统显然是效率最高的,其缺点是造价较高,而且需要较大的钻

孔直径;二是改变锚头的结构,使用楔形锁紧器锚头的摩擦滑移锚杆和可伸长的

滑动锚杆。前者在锚头处使用楔形锁紧器,随着杆体的移动,楔子将越楔越紧而最

后阻止杆体滑移。后者在锚头端装有强度相当大的特殊钢组成的剪切凸块,锚杆

杆体外面套有一根100cm长的钢管,并将树脂砂浆注入杆体与套管、套管与钻孔

之间,使其粘结在一起。当锚杆受力时,剪切凸块以旋转方式剪碎树脂砂浆填料,

从而使锚杆伸长,产生较大的滑动距离,并保持恒定工作阻力15~18t。

(5)螺旋锚[7]:螺旋锚是螺旋锚片锚杆的简称,它由螺旋锚片、螺杆和杆头组

成。它最早应用在桩基的静载荷试验和静力触探试验中作为加载的反力装置,最

近一、二十年来,在加拿大、美国等欧美国家已经将螺旋锚作为一种有效的、新

型的土锚技术和承压承板的基础形式广泛地运用于各种土木工程中。近年来兴起

的螺旋锚,通过锚杆施加旋转力矩,将锚杆旋入土中,它的优点有:施工速度快、工

程造价低,对临时性结构可以重复利用,施工过程中对土层的扰动程度和范围小,

能充分利用土体强度,施工完毕可立即承受载荷载。

(6)可回收锚杆[8~9]:可回收锚杆是指用于临时性工程加固的锚杆,在工程

完成后可回收。可回收锚杆施工与普通锚杆并没有很大的差异,只不过是使用了

经过特殊加工过的张拉材料、注浆材料和承载体。目前该种锚杆在国外正处于发

展阶段,而国内还未见使用的报道。如按其结构可分为如下3类:

①机械可回收锚杆:是将锚杆体与联结器联结起来,在回收时施加与紧固方

向相反的力矩,使锚杆体与机械的联结器脱离后取出;

②力学式可回收锚杆:是使用特殊被复的钢丝作为锚杆体,使钢丝与注浆体

隔离,回收时对每一根钢丝进行张拉,直到钢丝被一根根抽出;

③化学式可回收锚杆:是先在锚杆的锚固段安装发热装置或爆破装置,在回

收时使用点火装置把锚杆从锚固段与自由段处切断,然后将其收回。

(7)自钻式注浆锚杆[10]:自钻式注浆锚杆也称为注浆锚杆,即用带钻头的钻

杆为锚杆杆体,进行凿孔到一定深度,放在孔中注浆的锚杆。它一般用在松软破碎

岩层中,因成孔困难,钻杆拔出,孔即坍塌。自钻式注浆锚杆的钻头有活钻头和死

钻头两种。在材质和形状上,有硬度60HRC的十字钻头和金刚石钻头等。

(8)塑料锚杆[11]:塑料锚杆是近几年研制的新产品,已在内蒙东胜、福建天

湖山矿等使用,德国埃森Esn煤矿也推广应用。塑料锚杆是为降低成本、节约

钢材,特别是它的锚固力可达200~300kN,抗腐蚀性强、重量轻、可切割、可弯曲

搬运等优点,而研制的新产品,公认为是今后的发展方向。塑料锚杆有两种,一是

塑料锚杆;二是玻璃钢锚杆。塑料锚杆是金属杆体和塑料的合制品。如锥体、杆

体、垫板和螺帽为金属,胀壳为塑料制品。玻璃钢锚杆是一种以合成树脂为粘结

剂,玻璃纤维为增强材料制成的复合材料。采用拉挤成型方法制成的玻璃钢杆体。

其相对密度为1.8~2.1,抗拉强度600~700MPa(钢杆体相对密度7.8,抗拉强度

340~500MPa),可以部分代替钢锚杆,节省钢材。玻璃钢杆体具有可切割性、可弯

曲和良好的防腐蚀性,很适合煤巷和综采工作面使用。

(9)分散压缩型锚杆[11]:分散压缩型锚杆是指将无粘结力的钢绞线弯曲加

工成U型,分别装入数个按一定间距配置的承载体上,张拉钢绞线时,在锚固体内

部以承压方式作用于灌浆材料,形成压缩分散型锚固体,其使用功能完成后,钢绞

线可从无粘结包裹体中抽出。这种锚杆的结构特征为,通过对锚固体施加压缩应

力及使用数个承载体,具有把传递到地层的周边粘结摩阻应力峰值控制到最低限

度和分散到整个锚固体上的效果。

(10)砂固结内锚头预应力锚杆[12]:砂固结锚固技术是近几年来出现的新型

锚固技术,与前述锚固技术不同,它所利用的是砂的膨胀性产生的与岩壁的摩擦

力作用而提供锚固力。砂固结内锚头预应力锚杆特点是:

①用膨胀木材料制成空心圆柱体做封口。封口吸水(吸潮)后自身膨胀而起封

砂作用,无需通过其他手段紧固封口,因此封口可以深入到钻孔中,从而内锚头砂

体长度可以适当减小,锚杆自由段得到加长;

②采用预制砂柱体的办法解决输砂问题。在天然散砂中添加少量水泥浆做为

粘结剂,用类似做蜂窝煤的办法预制空心砂柱体。锚杆安装时,把砂柱体和膨胀木

封口套到杆体上,然后推入钻孔中,无需专门的灌砂机械,工艺简单,操作方便。

2岩土锚固新技术

2.1单孔复合锚固技术[13~14]

传统的岩土锚固方法,即拉力型锚杆在锚杆受荷时,不能将荷载均匀地分布

于固定长度上,会产生严重的应力集中现象。由于粘结应力分布的不均匀性,随着

锚杆上荷载的增大,在荷载传至固定长度最远端之前,在杆体与灌浆体或灌浆体

与地层界面上就会发生粘结效应逐步弱化或脱开的现象。为了从根本上改变拉力

型锚固方法的弊端,冶金部建筑研究总院等单位已研究成功单孔复合锚固方法。

该方法是在同一钻孔中安装几个单元锚杆,而每个单元锚杆有自己的杆体、自由

长度和固定长度,而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的,并通过预

先的补偿张拉(补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由段长度不等而引起的位移

差),而使所有单元锚杆始终承受相同的荷载。这种新型锚固体系,可将集中荷载

分散为几个较小的荷载作用于固定段的不同部位,使粘结应力峰值大大降低,因

单元锚杆的固定长度很小,不会发生粘结效应逐步弱化,能使粘结应力均匀地分

布在整个固定长度上,最大限度地调用整个锚杆固定长度范围内的地层强度,锚

杆承载力可随固定长度的增长而成比例的提高。与拉力型锚杆相比,承载力可提

高30%~200%。目前,单孔复合锚固已成功地用于北京中国银行总行基坑支护工

程、北京华澳中心基坑工程、首都机场地下车库抗浮结构工程和北京虎峰山庄边

坡工程中。在中国银行大厦基坑工程中使用的单孔复合锚固法为一个钻孔内安放

4根单元锚杆,每根单元锚杆的固定段长度5.0m,固定段位于粉质粘土和中细砂

层中,在1500kN荷载作用下,无异常变化。冶金部建筑研究总院开发的单孔复合

锚固体系是一种压力分散型锚杆,它是将无粘结钢绞线绕承载体弯曲成U型构成

单元锚杆。这种锚杆用于永久工程,由于预应力筋(钢绞钱)由油脂、聚乙烯及灌

浆体包围,形成多层防腐,大大提高了锚杆的耐久性。用于临时工程,使用功能完

成后,可方便地拆除芯体,不构成对周边地下工程开发的障碍。

2.2锚杆杆体材料新技术[15~16]

目前,锚杆杆体材料一般使用各种类号的热轧钢筋,对大吨位长锚杆,常采用

精轧螺纹钢作为锚杆杆体材料。精轧螺纹钢强度高可根据需要,用接头接长。因

此可制作大吨位长锚杆。非金属材料作杆体材料,特别是塑化玄武岩(强度指标见

表2)、玻璃纤维(性能、规格见表3、4)等材料具有强度高、新型锚杆及岩土锚

固新技术重量轻、防腐性能好、易切割等优点,是锚杆杆体材料今后发展的方向。

2.3软土锚固取得重大突破[17]

软土主要由细粒土组成,一般具有松软、含水率高、孔隙比大、压缩性高和

强度低的特点,主要分布在沿海一带。改革开放以来,沿海地区高层建筑蓬勃兴起,

并要求快速经济地建造一大批深基坑工程,它为软土锚固的发展提供了契机。应

当说我国软土锚固技术与世界先进水平相比是毫不逊色的。其主要成果可归纳为

三方面:

表2塑化玄武岩锚杆强度指标

破坏强度拉伸压缩弯曲拉伸时的弹性模数

MPa1080~1880460~490670~70089000~93000

表3玻璃纤维锚杆的性能

序号性能单位数据序号性能单位数据

1抗拉强度MPa12005密度kg/cm32.0

2弹性模量MPa506泊松比—0.30

3抗剪强度MPa2007热膨胀率K05×10-6

4破坏变形%3.18玻璃含量%70

表4玻璃纤维锚杆的规格

项目

项目直径

单位

(mm)

性能参数

1517202225

抗拉力kN180

抗剪力kN35.345.462.876.098.1

(1)采用可重复灌浆技术,大幅度提高了软土中锚杆的承载

力。该技术是借助于密封袋、注浆套管、注浆枪等特殊的结构构造,能在一

次灌浆体强度达5MPa后,实现二次或多次重复高压(3.5~4.0MPa)劈裂灌浆,使水

泥浆能较均匀地沿锚固段全长向周围土体渗透、挤压和扩散,以显著提高灌浆加

固土层的抗剪强度,从而使灌浆体与土层界面上的粘结强度及锚杆承载力提高

0.6~1.0倍。可重复灌浆型锚杆已在天津、上海、深圳、厦门等地的软土基坑工

程中得到广泛应用。

(2)基本上掌握了软土中锚杆蠕变变形和预应力值变化的规律,对塑性指数

大于17的软土(不包括淤泥)在锚杆荷载作用下的蠕变变形及锚杆荷载时间的变

化特性进行了较深入的研究,提出了以下一些基本认识:

①用较小的应力水平,即当锚杆锁定荷载与极限承载力的比值小于0.53,能

使锚杆的蠕变变形控制在容许范围内;

②锚杆相联系的桩墙支挡结构出现较大位移时,锚杆荷载(预应力值)会急剧

增大,故锚杆锁定荷载值以取设计值的0.7~0.85为宜;

③锚杆的预应力损失大于10%时,可通过重复张拉加以补偿。

(3)在实践中,找到了控制软土基坑周边位移的若干有效方法。控制软土基坑

周边位移的方法主要有:

①在地下水位较高的软土地层中开挖基坑,应设可靠的止水帷幕,阻止坑边

地下水的流失;

②适当加大桩墙结构尺寸和加密锚杆,以提高支护结构刚度;

③锚杆成孔采取”跳钻”,即在水平方向上每隔2~4个锚杆孔位钻孔,并随即

完成插筋、注浆作业,使单位时间内对单位体积土体的扰动范围降低到最小程度;

④土方开挖要分层实施,使卸荷作用的应力调整缓慢发生。基坑周边应边开

挖,边锚固,使无支承条件下坑边所暴露的时间尽可能少,所敞露的面积尽可能

小;

⑤当坑边有密集建(构)筑物时,可在建构筑物周边设置垂直方向的微型桩,

以改变应力传递途径,减少基坑周边位移对建(构)筑物的影响。

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