一种基于纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系

摘要

一种基于纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系，该岩锚体系包括以下实施步骤：步骤一、确定锚杆材料及锚固粘结介质；步骤二、设计锚固体系；步骤三、锚具锚固锚杆两端；步骤四、锚杆出厂检验；步骤五、岩锚体系现场安装；步骤六、锚杆张拉；步骤七、封锚。由于本发明岩锚体系采用纤维增强塑料筋作为锚杆、超高性能水泥基材料作为两端粘结介质，采用专门设计的群锚锚具作为地上端锚具、锚杆地下端设计锚具-锥形帽组合体，发挥了两种高性能材料的优异特征，克服了现存岩锚体系由于钢筋锈蚀、注浆体老化导致的结构耐久性问题。该岩锚体系结构安全、可靠、高效，且具有优良的物理力学性能和广泛应用前景。

说明书

一、技术领域

本发明涉及预应力岩土锚固技术，尤其涉及一种基于纤维增强塑料筋锚杆 与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系。

二、背景技术

岩锚体系是将受拉杆件埋入被加固的岩体或土体，通过两者之问的相互作 用形成锚固体，共同承受外部荷载的一种结构体系。传统岩锚体系普遍采用高 强钢丝或钢绞线作为锚索、普通水泥砂浆作为地下锚固介质、普通预应力筋锚 具作为锚索外露张拉端的锚固体系，然而传统钢材和普通水泥浆由于其强度低、 耐腐蚀性能较差，致使其实际应用面临以下主要问题：

(1)岩锚系统埋设于地下的普通钢制预应力筋和普通水泥砂浆，在复杂的 地质环境下极易发生锈蚀和老化，其使用寿命与特大型工程长达百年的设计寿 命远远不相协调，严重影响结构的安全性和耐久性。

(2)采用传统的水泥砂浆及钢材，由于其强度较低，致使其材料用量和地 下工程量一般较大。更为重要的是，由于岩锚结构的地下工程特性，致使其建 成以后的维护、加固极为困难。因此，岩锚系统设计基本上不考虑日后大型维 护和更换的可能，一旦建成，对其使用年限的要求应与工程结构的整体寿命一 致。这就对岩锚系统所使用的材料提出了更高要求，所用材料必须具有超高性 能，以保证处于恶劣环境工作的岩锚体系在长期荷载作用下的稳定性和耐久性。 而实践证明：采用传统钢筋和水泥砂浆的岩锚体系其使用效果远远达不到这一 要求。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提出一种耐腐蚀性好、强度高 的纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系。

为了解决上述存在的技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于纤维 增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固介质的岩锚体系，该岩锚体系包括 以下实施步骤：

步骤一、确定锚杆材料及锚固粘结介质：确定纤维增强复合塑料筋的具体 类型，以其作为锚杆材料，确定超高性能水泥基复合材料的原料及配比，以其 作为锚固粘结介质；

步骤二、设计锚固体系：主要设计内容为纤维增强塑料筋锚杆的数量及排 布方式、地上端锚具的关键尺寸、岩锚体系地下段长度、地下端锚具-导向帽组 合体关键尺寸；

步骤三、锚具锚固锚杆两端：先将多个对中架均匀布置在纤维增强复合塑 料筋锚杆中间段，再将纤维增强复合塑料筋锚杆一端依次穿过锚具的压紧环、 定位件及地上端锚筒，然后将纤维增强复合塑料筋锚杆从锚板中对应的锚孔穿 过，最后将纤维增强复合塑料筋锚杆定位并固定在地上端锚筒的后端；纤维增 强复合塑料筋锚杆另一端安装有地下端锚具，地下端锚具的构造和安装顺序与 地上端锚具基本相同；然后向地上端锚筒和地下端锚筒的定位件端灌入超高性 能水泥基材料到腔内，待浆体溢出后轻微振捣密实，再固定定位件、旋紧压紧 环，最后对超高性能水泥基材料进行养护，待其达到要求强度；

步骤四、锚杆出厂检验：使用千斤顶对两端锚固的纤维增强塑料筋-锚具组 装件施加顶推张拉力，张拉力达到设计荷载方可判定两端锚固端承载能力合格；

步骤五、岩锚体系现场安装：具体安装步骤如下：(1)开挖和钻孔；(2) 制作钢筋混凝土垫墩；(3)安装锚杆；(4)浇筑超高性能水泥基复合材料；

步骤六、锚杆张拉：使用穿心式千斤顶对纤维增强塑料筋锚杆施加张拉力， 当张拉力达到设计要求即可拧紧螺母锁定地上端锚具；

步骤七、封锚：安装端盖和保护罩将地上锚固端封住。

以上所述的岩锚体系，所述的地上端锚筒和地下端锚筒腔内灌注有超高性 能水泥基复合材料，岩锚地下锚固段也采用超高性能水泥基复合材料作为灌浆 材料。

以上所述的岩锚体系，地下锚固体系由锚固段超高性能水泥基复合材料灌 浆及纤维增强塑料筋锚杆末端的锚具-导向帽组合体组合成复合锚固体系。

以上所述的岩锚体系，多根纤维增强塑料筋锚杆之间的净距大于一倍纤维 增强塑料筋锚杆的直径。

以上所述的岩锚体系，所述的地上端锚筒或地下端锚筒内壁设为锥形腔， 锥形腔的锥度为3～8°。

以上所述的岩锚体系，锚筒锚固段纤维增强塑料筋锚杆为倾斜布置，倾角 为2～6°。

以上所述的岩锚体系，所述的地上端锚筒锚板端设有内螺纹用于联接张拉 螺杆。

以上所述的岩锚体系，所述的地下端锚筒设有内螺纹用于联接锥形帽。

本发明与现有技术相比具有以下优点：(1)由于纤维增强塑料筋材料强度 高、重量轻和免锈蚀等优异性能成为处于恶劣自然环境地下岩锚体系中传统钢 制锚索的理想替代品；在土木工程中极具实际应用前景的超高性能水泥基材料 -活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料，通过提高组分的细度与活性， 使材料内部的缺陷降到最底，可获得由其组分材料所决定的最大承载力及优异 的耐久性，具有强度高、韧性大和耐久性好的显著特点。将纤维增强塑料筋和 活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料结合而形成新型地下岩锚结构具备 可靠和高效的优势，且能够克服传统岩锚体系由于钢筋锈蚀、灌浆体老化导致 的结构耐久性问题。(2)综合上述两种材料的特点，设计了群锚粘结锚固体系， 表现为岩锚地上段、锚杆端部的锚具结构，由锚筒、端盖、锚板、定位件、压 紧环等部件组成；(3)设计了岩锚地下复合锚固体系，主要为设计了锚杆末端 的锚具-导向帽组合体结构，该结构内部也以超高性能水泥基材料粘结锚固纤维 增强塑料筋锚杆，纤维增强塑料筋锚杆在下放过程中锚具-导向帽组合体作为导 向结构使用，后期作为锚杆末端的锚具使用，在地下锚固段灌浆时与纤维增强 塑料筋锚杆一同预埋在灌浆料中，纤维增强塑料筋锚杆地下锚固段粘结失效后 其转变为承载体，此时锚杆的地下锚固由拉力型转变为承压型，使锚杆兼具拉 力型和承载型两种传统锚杆的优点，大幅减小了地下锚固深度。

由以上可知，本发明岩锚体系采用纤维增强塑料筋作为锚杆、超高性能水 泥基材料-活性粉末混凝土或高致密超细颗粒均布材料作为两端粘结介质，采 用专门设计的粘结式群锚锚具作为地上端锚具、锚杆地下端设计锚具-导线帽组 合体，不仅发挥了两种高性能材料的优异特征，克服了现存岩锚体系由于钢筋 锈蚀、注浆体老化导致的结构耐久性问题，该岩锚体系结构安全、可靠、高效， 且具有优良的物理力学性能和广泛应用前景。

四、附图说明

图1为本发明岩锚体系剖面结构示意图；

图2为本发明地上端锚具或地下端锚具剖面结构示意图；

图3为本发明锚具中锚板19的结构示意图；

图4为本发明锚具中定位件20的结构示意图；

图5为本发明锚具中压紧环21的剖面结构示意图；

图6为本发明岩锚体系中预埋定位钢板8、预埋钢管9的结构示意图；

图7为本发明岩锚体系现场施工流程示意图；

图8为本发明岩锚体系两种地下段的横剖面结构示意图；

图9为本发明岩锚体系的锚杆张拉结构示意图。

附图中标号所示名称为：1-保护罩；2-地上端锚筒；3-纤维增强塑料筋锚 杆；4-超高性能水泥基复合材料；5-螺母；6-钢垫板；7-锚固底座；8-预埋定 位钢板；9-预埋钢管；10-钢筋混凝土垫墩；11-岩面；12-注浆管；13-对中架； 14-普通水泥砂浆；15-孔壁；16-超高性能水泥基复合材料；17-地下端锚筒； 18-端盖；19-锚板；20-定位件；21-压紧环；22-锥形帽；23-锚筒外螺纹；24- 锚筒内螺纹；25-张拉螺杆；26-撑脚；27-穿心式千斤顶；28-工具螺母。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细阐述，但本发明的实 施方式不限于此。

本发明所述的一种基于纤维增强塑料筋锚杆与超高性能水泥基粘结锚固 介质的岩锚体系，具体实施步骤如下：

(1)确定锚杆材料及锚固粘结介质：确定纤维增强复合塑料筋的具体类型， 以其作为锚杆材料，确定超高性能水泥基复合材料的原料及配比，以其作为锚 固粘结介质；

(2)设计锚固体系：材料确定后进行材性研究，通过拉拔试验确定粘结锚 固体系中多根纤维增强塑料筋锚杆3与超高性能水泥基材料、超高性能水泥基 注浆与现场地下岩体的接触界面的粘结强度，以试验结论为依据，对岩锚体系 进行尺寸拟定，主要设计内容为纤维增强塑料筋锚杆3的数量及排布方式、地 上端锚具的关键尺寸、岩锚体系地下段长度、地下端锚具-导向帽组合体关键尺 寸等；

(3)锚具锚固锚杆两端：先将多个对中架13均匀布置在纤维增强复合塑 料筋锚杆3中段，再将纤维增强复合塑料筋锚杆3一端依次穿过锚具的压紧环 21、定位件20及地上端锚筒2，然后将纤维增强复合塑料筋锚杆3从锚板19中 对应的锚孔穿过，最后将纤维增强复合塑料筋锚杆3定位并固定在地上端锚筒2 的后端；纤维增强复合塑料筋锚杆3另一端安装有地下端锚具，地下端锚具的 构造和安装顺序与地上端锚具基本相同；然后向地上端锚筒2和地下端锚筒17 的定位件20端灌入超高性能水泥基材料4到腔内，待浆体溢出后轻微振捣密实， 再固定定位件20、旋紧压紧环21，最后对超高性能水泥基材料4进行养护，待 其达到要求强度；

(4)锚杆出厂检验：在厂内制作完成的纤维增强复合塑料筋锚杆3为两端 均锚固有锚具的纤维增强塑料筋-锚具组装件。为验证两端锚固结构的可靠性， 纤维增强塑料筋-锚具组装件出厂前需进行组装件张拉检验，根据锚杆长度选取 张拉场地和设备；两端的锚筒外壁安装有螺母作为承载面；纤维增强塑料筋-锚 具组装件的摆放务必使两个锚筒轴线在同一条直线上，将纤维增强塑料筋-锚具 组装件一端固定，另一端通过千斤顶顶推施加张拉力，张拉力达到设计荷载方 可判定合格；

(5)岩锚体系现场安装：图7示出了本岩锚体系的现场施工流程，具体安 装步骤如下：(1)按照设计要求进行基坑开挖和钻孔，孔位深度比纤维增强塑 料筋锚杆3长度多出40～60cm，使纤维增强塑料筋锚杆3在安装后、注浆前均 维持悬吊状态，这种处理方法可以保持纤维增强塑料筋锚杆3的直线线性，避 免纤维增强复合塑料筋材弯曲受剪；(2)绑扎混凝土垫墩钢筋网，安装预埋定位 钢板8和预埋钢管9，再浇筑混凝土，然后对混凝土进行养护，待其达到要求强 度；(3)检查各锚杆是否完好，对损坏的防护层及配件进行修复，再安装锥形 帽22等配件及锚杆悬吊装置，然后将纤维增强塑料筋-锚具组装件和注浆管12 放入钻孔中就位；(4)通过预留注浆管12将配置好的超高性能水泥基材料16 浆体灌入孔位下段，然后对浇筑材料进行养护，待其达到要求强度。由于纤维 增强复合塑料材料本身与钢材重度不同，选用不同纤维、不同形态的纤维增强 复合塑料材料会导致所制成纤维增强塑料筋锚杆3的纵向刚度存在巨大差异， 在进行地下段超高性能水泥基复合材料4灌浆时，可对以下两种灌浆工艺进行 比选：若纤维增强塑料筋锚杆3较柔，可先将注浆管12与纤维增强塑料筋锚杆 3同时放入孔内，后浇筑超高性能水泥基复合材料16；若纤维增强塑料筋锚杆3 刚度大，也可以先将注浆管12放入孔内，再对地下锚固段进行灌浆，最后将纤 维增强塑料筋锚杆3插入超高性能水泥基复合材料16中；

(6)锚杆张拉：待地下锚固段灌浆达到要求强度，即可对各纤维增强塑料 筋锚杆3进行整束张拉，先将张拉螺杆25与地上端锚筒2内螺纹24旋合联接， 然后安放撑脚26、穿心式千斤顶27和工具螺母28，使各零部件轴线保持一致， 最后使用穿心式千斤顶27对纤维增强塑料筋锚杆3施加张拉力，当张拉力达到 设计要求即可拧紧螺母5锁定地上端锚具；

(7)封锚：在封锚前，岩土孔位未填充段，可灌入普通水泥砂浆14进行 填充，再安装端盖18和保护罩1将地上锚固端封住。

上述实施步骤具有以下特征：纤维增强塑料筋锚杆3地上端锚固介质和地 下端锚固介质均采用超高性能水泥基复合材料作为粘结锚固介质，由于厂内与 现场制作的工艺不同，所以选用两种不同配合比和两套养护措施，以发挥材料 的最佳性能。纤维增强塑料筋锚杆3地上端锚固介质采用适于工厂生产的超高 性能水泥基复合材料灌注锚固，超高性能水泥基复合材料灌浆料以40-70目的 石英砂作为骨料，采用80℃以上热水浴养护3～5天强度可达130MPa；纤维增 强塑料筋锚杆3地下锚固介质则采用适于现场压力注浆机使用的超高强水泥基 复合材料浆体灌注，超高强水泥基复合材料选用无骨料灌浆料，且添加了纳米 材料以改善其流动性能，采取模拟地下环境的溶洞养护12～16天强度可达 110MPa。

纤维增强塑料筋锚杆3地上端锚具和地下端锚具是针对纤维增强复合塑料 及超高性能水泥基材料的特性设计制作，特点包括：岩锚体系中，多束纤维增 强塑料筋锚杆3的排列应遵循分散、对称原则，避免筋材集中受力或不均匀受 力，各纤维增强塑料筋锚杆3的合理净距应大于一倍筋材直径，以此为依据确 定定位件19、锚板20上的孔位排布；地上端锚筒2或地下端锚筒17内壁设为 锥形腔，浆体灌注后成楔形，能提高其粘结锚固效果，锥形腔的合理锥度范围 在3～15°；锚筒锚固段纤维增强塑料筋锚杆3同样设倾角，合理的倾角范围为 2～12°，提高锚固效果的同时能避免筋材受剪；考虑两种材料的粘结强度确定 锚筒长度，本实施例采用的多根纤维增强复合塑料筋与超高性能水泥基材料的 平均粘结强度达到约20MPa，则理论锚固长度约250mm，锚筒长度设计还需考虑 一定安全系数；地上端锚筒2或地下端锚筒17外壁设外螺纹23，其作用是在厂 内组装件张拉时在两端锚筒安装螺母5用于固定并施加顶推力，现场岩锚张拉 后拧紧螺母5进行荷载锁定；此外，各锚筒锚板19端设内螺纹24，其作用是在 地上端锚筒2张拉时用来联接张拉螺杆25，地下端锚筒17内螺纹用于锚杆下放 前安装锥形帽22。

纤维增强塑料筋锚杆3地下末端的锚具-导向帽组合体与地上端锚具结构相 似，锚杆在现场安装(下索)前，先将锥形帽22的外螺纹与地下端锚筒17内 螺纹旋合联接，使末端呈锥形。其在锚杆下放过程中作为导向装置使用，后期 作为锚杆末端的锚具使用，能将纤维增强塑料筋锚杆3在地下锚固，在纤维增 强塑料筋锚杆3地下锚固段粘结失效后其转变为承载体，此时纤维增强塑料筋 锚杆3的地下锚固由拉力型转变为承压型，使纤维增强塑料筋锚杆3兼具拉力 型和承载型两种传统锚杆的优点，大幅减小了地下锚固深度。

综上所述的本发明具体实施例仅为本发明优选的实施方式，并非用于限定 本发明保护范围的限制。因此，任何在本发明的技术特征之内所作的改变、修 饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围 之内。