專利名稱：一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系的制作方法
技術領域：
本發明涉及預應力巖土錨固技術，尤其涉及一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系。
背景技術：
巖錨體系是將受拉桿件埋入被加固的巖體或土體，通過兩者之問的相互作用形成錨固體，共同承受外部荷載的一種結構體系。傳統巖錨體系普遍采用高強鋼絲或鋼絞線作為錨索、普通水泥砂漿作為地下錨固介質、普通預應力筋錨具作為錨索外露張拉端的錨固體系，然而傳統鋼材和普通水泥漿由于其強度低、耐腐蝕性能較差，致使其實際應用面臨以下主要問題(1)巖錨系統埋設于地下的普通鋼制預應力筋和普通水泥砂漿，在復雜的地質環境下極易發生銹蝕和老化，其使用壽命與特大型工程長達百年的設計壽命遠遠不相協調， 嚴重影響結構的安全性和耐久性。(2)采用傳統的水泥砂漿及鋼材，由于其強度較低，致使其材料用量和地下工程量一般較大。更為重要的是，由于巖錨結構的地下工程特性，致使其建成以后的維護、加固極為困難。因此，巖錨系統設計基本上不考慮日后大型維護和更換的可能，一旦建成，對其使用年限的要求應與工程結構的整體壽命一致。這就對巖錨系統所使用的材料提出了更高要求，所用材料必須具有超高性能，以保證處于惡劣環境工作的巖錨體系在長期荷載作用下的穩定性和耐久性。而實踐證明采用傳統鋼筋和水泥砂漿的巖錨體系其使用效果遠遠達不到這一要求。
發明內容
本發明的目的在于克服上述技術的不足，而提出一種耐腐蝕性好、強度高的纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系。為了解決上述存在的技術問題，本發明提出的技術方案是一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系，該巖錨體系包括以下實施步驟步驟一、確定錨桿材料及錨固粘結介質確定纖維增強復合塑料筋的具體類型，以其作為錨桿材料，確定超高性能水泥基復合材料的原料及配比，以其作為錨固粘結介質；步驟二、設計錨固體系主要設計內容為纖維增強塑料筋錨桿的數量及排布方式、 地上端錨具的關鍵尺寸、巖錨體系地下段長度、地下端錨具-導向帽組合體關鍵尺寸；步驟三、錨具錨固錨桿兩端先將多個對中架均勻布置在纖維增強復合塑料筋錨桿中間段，再將纖維增強復合塑料筋錨桿一端依次穿過錨具的壓緊環、定位件及地上端錨筒，然后將纖維增強復合塑料筋錨桿從錨板中對應的錨孔穿過，最后將纖維增強復合塑料筋錨桿定位并固定在地上端錨筒的后端；纖維增強復合塑料筋錨桿另一端安裝有地下端錨具，地下端錨具的構造和安裝順序與地上端錨具基本相同；然后向地上端錨筒和地下端錨筒的定位件端灌入超高性能水泥基材料到腔內，待漿體溢出后輕微振搗密實，再固定定位件、旋緊壓緊環，最后對超高性能水泥基材料進行養護，待其達到要求強度；步驟四、錨桿出廠檢驗使用千斤頂對兩端錨固的纖維增強塑料筋-錨具組裝件施加頂推張拉力，張拉力達到設計荷載方可判定兩端錨固端承載能力合格；步驟五、巖錨體系現場安裝具體安裝步驟如下(1)開挖和鉆孔；(2)制作鋼筋混凝土墊墩；(3)安裝錨桿；(4)澆筑超高性能水泥基復合材料；步驟六、錨桿張拉使用穿心式千斤頂對纖維增強塑料筋錨桿施加張拉力，當張拉力達到設計要求即可擰緊螺母鎖定地上端錨具；步驟七、封錨安裝端蓋和保護罩將地上錨固端封住。以上所述的巖錨體系，所述的地上端錨筒和地下端錨筒腔內灌注有超高性能水泥基復合材料，巖錨地下錨固段也采用超高性能水泥基復合材料作為灌漿材料。以上所述的巖錨體系，地下錨固體系由錨固段超高性能水泥基復合材料灌漿及纖維增強塑料筋錨桿末端的錨具-導向帽組合體組合成復合錨固體系。以上所述的巖錨體系，多根纖維增強塑料筋錨桿之間的凈距大于一倍纖維增強塑料筋錨桿的直徑。以上所述的巖錨體系，所述的地上端錨筒或地下端錨筒內壁設為錐形腔，錐形腔的錐度為3 8°。以上所述的巖錨體系，錨筒錨固段纖維增強塑料筋錨桿為傾斜布置，傾角為2
6° ο以上所述的巖錨體系，所述的地上端錨筒錨板端設有內螺紋用于聯接張拉螺桿。以上所述的巖錨體系，所述的地下端錨筒設有內螺紋用于聯接錐形帽。本發明與現有技術相比具有以下優點(1)由于纖維增強塑料筋材料強度高、重量輕和免銹蝕等優異性能成為處于惡劣自然環境地下巖錨體系中傳統鋼制錨索的理想替代品；在土木工程中極具實際應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細顆粒均布材料，通過提高組分的細度與活性，使材料內部的缺陷降到最底，可獲得由其組分材料所決定的最大承載力及優異的耐久性，具有強度高、韌性大和耐久性好的顯著特點。將纖維增強塑料筋和活性粉末混凝土或高致密超細顆粒均布材料結合而形成新型地下巖錨結構具備可靠和高效的優勢，且能夠克服傳統巖錨體系由于鋼筋銹蝕、灌漿體老化導致的結構耐久性問題。(2)綜合上述兩種材料的特點，設計了群錨粘結錨固體系，表現為巖錨地上段、錨桿端部的錨具結構，由錨筒、端蓋、錨板、定位件、壓緊環等部件組成；C3)設計了巖錨地下復合錨固體系，主要為設計了錨桿末端的錨具-導向帽組合體結構，該結構內部也以超高性能水泥基材料粘結錨固纖維增強塑料筋錨桿，纖維增強塑料筋錨桿在下放過程中錨具-導向帽組合體作為導向結構使用，后期作為錨桿末端的錨具使用，在地下錨固段灌漿時與纖維增強塑料筋錨桿一同預埋在灌漿料中，纖維增強塑料筋錨桿地下錨固段粘結失效后其轉變為承載體，此時錨桿的地下錨固由拉力型轉變為承壓型，使錨桿兼具拉力型和承載型兩種傳統錨桿的優點，大幅減小了地下錨固深度。由以上可知，本發明巖錨體系采用纖維增強塑料筋作為錨桿、超高性能水泥基材料-活性粉末混凝土或高致密超細顆粒均布材料作為兩端粘結介質，采用專門設計的粘結式群錨錨具作為地上端錨具、錨桿地下端設計錨具-導線帽組合體，不僅發揮了兩種高性能材料的優異特征，克服了現存巖錨體系由于鋼筋銹蝕、注漿體老化導致的結構耐久性問題，該巖錨體系結構安全、可靠、高效，且具有優良的物理力學性能和廣泛應用前景。
四
圖1為本發明巖錨體系剖面結構示意圖；圖2為本發明地上端錨具或地下端錨具剖面結構示意圖；圖3為本發明錨具中錨板19的結構示意圖；圖4為本發明錨具中定位件20的結構示意圖；圖5為本發明錨具中壓緊環21的剖面結構示意圖；圖6為本發明巖錨體系中預埋定位鋼板8、預埋鋼管9的結構示意圖；圖7為本發明巖錨體系現場施工流程示意圖；圖8為本發明巖錨體系兩種地下段的橫剖面結構示意圖；圖9為本發明巖錨體系的錨桿張拉結構示意圖。附圖中標號所示名稱為1-保護罩；2-地上端錨筒；3-纖維增強塑料筋錨桿； 4-超高性能水泥基復合材料；5-螺母；6-鋼墊板；7-錨固底座；8-預埋定位鋼板；9-預埋鋼管；10-鋼筋混凝土墊墩；11-巖面；12-注漿管；13-對中架；14-普通水泥砂漿；15-孔壁；16-超高性能水泥基復合材料；17-地下端錨筒；18-端蓋；19-錨板；20-定位件；21-壓緊環；22-錐形帽；23-錨筒外螺紋；24-錨筒內螺紋；25-張拉螺桿；26-撐腳；27-穿心式千斤頂；28-工具螺母。
五具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步詳細闡述，但本發明的實施方式不限于此。本發明所述的一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系，具體實施步驟如下(1)確定錨桿材料及錨固粘結介質確定纖維增強復合塑料筋的具體類型，以其作為錨桿材料，確定超高性能水泥基復合材料的原料及配比，以其作為錨固粘結介質；(2)設計錨固體系材料確定后進行材性研究，通過拉拔試驗確定粘結錨固體系中多根纖維增強塑料筋錨桿3與超高性能水泥基材料、超高性能水泥基注漿與現場地下巖體的接觸界面的粘結強度，以試驗結論為依據，對巖錨體系進行尺寸擬定，主要設計內容為纖維增強塑料筋錨桿3的數量及排布方式、地上端錨具的關鍵尺寸、巖錨體系地下段長度、 地下端錨具-導向帽組合體關鍵尺寸等；(3)錨具錨固錨桿兩端先將多個對中架13均勻布置在纖維增強復合塑料筋錨桿 3中段，再將纖維增強復合塑料筋錨桿3 —端依次穿過錨具的壓緊環21、定位件20及地上端錨筒2，然后將纖維增強復合塑料筋錨桿3從錨板19中對應的錨孔穿過，最后將纖維增強復合塑料筋錨桿3定位并固定在地上端錨筒2的后端；纖維增強復合塑料筋錨桿3另一端安裝有地下端錨具，地下端錨具的構造和安裝順序與地上端錨具基本相同；然后向地上端錨筒2和地下端錨筒17的定位件20端灌入超高性能水泥基材料4到腔內，待漿體溢出后輕微振搗密實，再固定定位件20、旋緊壓緊環21，最后對超高性能水泥基材料4進行養護，待其達到要求強度；(4)錨桿出廠檢驗在廠內制作完成的纖維增強復合塑料筋錨桿3為兩端均錨固有錨具的纖維增強塑料筋-錨具組裝件。為驗證兩端錨固結構的可靠性，纖維增強塑料筋-錨具組裝件出廠前需進行組裝件張拉檢驗，根據錨桿長度選取張拉場地和設備；兩端的錨筒外壁安裝有螺母作為承載面；纖維增強塑料筋-錨具組裝件的擺放務必使兩個錨筒軸線在同一條直線上，將纖維增強塑料筋-錨具組裝件一端固定，另一端通過千斤頂頂推施加張拉力，張拉力達到設計荷載方可判定合格；(5)巖錨體系現場安裝圖7示出了本巖錨體系的現場施工流程，具體安裝步驟如下(1)按照設計要求進行基坑開挖和鉆孔，孔位深度比纖維增強塑料筋錨桿3長度多出 40 60cm，使纖維增強塑料筋錨桿3在安裝后、注漿前均維持懸吊狀態，這種處理方法可以保持纖維增強塑料筋錨桿3的直線線性，避免纖維增強復合塑料筋材彎曲受剪；( 綁扎混凝土墊墩鋼筋網，安裝預埋定位鋼板8和預埋鋼管9，再澆筑混凝土，然后對混凝土進行養護，待其達到要求強度；(3)檢查各錨桿是否完好，對損壞的防護層及配件進行修復，再安裝錐形帽22等配件及錨桿懸吊裝置，然后將纖維增強塑料筋-錨具組裝件和注漿管12放入鉆孔中就位；(4)通過預留注漿管12將配置好的超高性能水泥基材料16漿體灌入孔位下段，然后對澆筑材料進行養護，待其達到要求強度。由于纖維增強復合塑料材料本身與鋼材重度不同，選用不同纖維、不同形態的纖維增強復合塑料材料會導致所制成纖維增強塑料筋錨桿3的縱向剛度存在巨大差異，在進行地下段超高性能水泥基復合材料4灌漿時，可對以下兩種灌漿工藝進行比選若纖維增強塑料筋錨桿3較柔，可先將注漿管12與纖維增強塑料筋錨桿3同時放入孔內，后澆筑超高性能水泥基復合材料16 ；若纖維增強塑料筋錨桿3剛度大，也可以先將注漿管12放入孔內，再對地下錨固段進行灌漿，最后將纖維增強塑料筋錨桿3插入超高性能水泥基復合材料16中；(6)錨桿張拉待地下錨固段灌漿達到要求強度，即可對各纖維增強塑料筋錨桿3 進行整束張拉，先將張拉螺桿25與地上端錨筒2內螺紋M旋合聯接，然后安放撐腳26、穿心式千斤頂27和工具螺母W，使各零部件軸線保持一致，最后使用穿心式千斤頂27對纖維增強塑料筋錨桿3施加張拉力，當張拉力達到設計要求即可擰緊螺母5鎖定地上端錨具；(7)封錨在封錨前，巖土孔位未填充段，可灌入普通水泥砂漿14進行填充，再安裝端蓋18和保護罩1將地上錨固端封住。上述實施步驟具有以下特征纖維增強塑料筋錨桿3地上端錨固介質和地下端錨固介質均采用超高性能水泥基復合材料作為粘結錨固介質，由于廠內與現場制作的工藝不同，所以選用兩種不同配合比和兩套養護措施，以發揮材料的最佳性能。纖維增強塑料筋錨桿3地上端錨固介質采用適于工廠生產的超高性能水泥基復合材料灌注錨固，超高性能水泥基復合材料灌漿料以40-70目的石英砂作為骨料，采用80°C以上熱水浴養護3 5天強度可達130MPa ；纖維增強塑料筋錨桿3地下錨固介質則采用適于現場壓力注漿機使用的超高強水泥基復合材料漿體灌注，超高強水泥基復合材料選用無骨料灌漿料，且添加了納米材料以改善其流動性能，采取模擬地下環境的溶洞養護12 16天強度可達llOMPa。纖維增強塑料筋錨桿3地上端錨具和地下端錨具是針對纖維增強復合塑料及超高性能水泥基材料的特性設計制作，特點包括巖錨體系中，多束纖維增強塑料筋錨桿3的排列應遵循分散、對稱原則，避免筋材集中受力或不均勻受力，各纖維增強塑料筋錨桿3的合理凈距應大于一倍筋材直徑，以此為依據確定定位件19、錨板20上的孔位排布；地上端錨筒2或地下端錨筒17內壁設為錐形腔，漿體灌注后成楔形，能提高其粘結錨固效果，錐形腔的合理錐度范圍在3 15° ；錨筒錨固段纖維增強塑料筋錨桿3同樣設傾角，合理的傾角范圍為2 12°，提高錨固效果的同時能避免筋材受剪；考慮兩種材料的粘結強度確定錨筒長度，本實施例采用的多根纖維增強復合塑料筋與超高性能水泥基材料的平均粘結強度達到約20MPa，則理論錨固長度約250mm，錨筒長度設計還需考慮一定安全系數；地上端錨筒2或地下端錨筒17外壁設外螺紋23，其作用是在廠內組裝件張拉時在兩端錨筒安裝螺母5用于固定并施加頂推力，現場巖錨張拉后擰緊螺母5進行荷載鎖定；此外，各錨筒錨板 19端設內螺紋M，其作用是在地上端錨筒2張拉時用來聯接張拉螺桿25，地下端錨筒17內螺紋用于錨桿下放前安裝錐形帽22。纖維增強塑料筋錨桿3地下末端的錨具-導向帽組合體與地上端錨具結構相似， 錨桿在現場安裝(下索)前，先將錐形帽22的外螺紋與地下端錨筒17內螺紋旋合聯接，使末端呈錐形。其在錨桿下放過程中作為導向裝置使用，后期作為錨桿末端的錨具使用，能將纖維增強塑料筋錨桿3在地下錨固，在纖維增強塑料筋錨桿3地下錨固段粘結失效后其轉變為承載體，此時纖維增強塑料筋錨桿3的地下錨固由拉力型轉變為承壓型，使纖維增強塑料筋錨桿3兼具拉力型和承載型兩種傳統錨桿的優點，大幅減小了地下錨固深度。綜上所述的本發明具體實施例僅為本發明優選的實施方式，并非用于限定本發明保護范圍的限制。因此，任何在本發明的技術特征之內所作的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系，其特征在于該巖錨體系包括以下實施步驟步驟一、確定纖維增強復合塑料筋的具體類型，以其作為錨桿材料，確定超高性能水泥基復合材料的原料及配比，以其作為錨固粘結介質；步驟二、設計錨固體系主要設計內容為纖維增強塑料筋錨桿(3)的數量及排布方式、 地上端錨具的關鍵尺寸、巖錨體系地下段長度、地下端錨具-導向帽組合體關鍵尺寸；步驟三、錨具錨固錨桿兩端先將多個對中架(1 均勻布置在纖維增強復合塑料筋錨桿(3)中間段，再將纖維增強復合塑料筋錨桿C3) —端依次穿過錨具的壓緊環(21)、定位件 (20)及地上端錨筒O)，然后將纖維增強復合塑料筋錨桿( 從錨板(19)中對應的錨孔穿過，最后將纖維增強復合塑料筋錨桿( 定位并固定在地上端錨筒( 的后端；纖維增強復合塑料筋錨桿( 另一端安裝有地下端錨具，地下端錨具的構造和安裝順序與地上端錨具基本相同；然后向地上端錨筒( 和地下端錨筒(17)的定位件00)端灌入超高性能水泥基材料(4)到腔內，待漿體溢出后輕微振搗密實，再固定定位件(20)、旋緊壓緊環(21)，最后對超高性能水泥基材料(4)進行養護，待其達到要求強度；步驟四、錨桿出廠檢驗使用千斤頂對兩端錨固的纖維增強塑料筋-錨具組裝件施加頂推張拉力，張拉力達到設計荷載方可判定兩端錨固端承載能力合格；步驟五、巖錨體系現場安裝具體安裝步驟如下(1)開挖和鉆孔；(2)制作鋼筋混凝土墊墩；(3)安裝錨桿；(4)澆筑超高性能水泥基復合材料；步驟六、錨桿張拉使用穿心式千斤頂(XT)對纖維增強塑料筋錨桿( 施加張拉力，當張拉力達到設計要求即可擰緊螺母( 鎖定地上端錨具；步驟七、封錨安裝端蓋(18)和保護罩(1)將地上錨固端封住。
2.根據權利要求1所述的巖錨體系，其特征在于所述的地上端錨筒(2)和地下端錨筒(17)腔內灌注有超高性能水泥基復合材料；巖錨地下錨固段也采用超高性能水泥基復合材料(16)作為灌漿材料。
3.根據權利要求1所述的巖錨體系，其特征在于地下錨固體系由錨固段超高性能水泥基復合材料(16)灌漿及纖維增強塑料筋錨桿C3)末端的錨具-導向帽組合體組合成復合錨固體系。
4.根據權利要求1所述的巖錨體系，其特征在于多根纖維增強塑料筋錨桿(3)之間的凈距大于一倍纖維增強塑料筋錨桿(3)的直徑。
5.根據權利要求1所述的巖錨體系，其特征在于所述的地上端錨筒(2)或地下端錨筒(17)內壁設為錐形腔，錐形腔的錐度為3 8°。
6.根據權利要求1所述的巖錨體系，其特征在于錨筒錨固段纖維增強塑料筋錨桿(3) 為傾斜布置，傾角為2 6°。
7.根據權利要求1或5所述的巖錨體系，其特征在于所述的地上端錨筒( 錨板(19) 端設有內螺紋04)用于聯接張拉螺桿05)。
8.根據權利要求1或5所述的巖錨體系，其特征在于所述的地下端錨筒(17)設有內螺紋用于聯接錐形帽02)。
全文摘要
一種基于纖維增強塑料筋錨桿與超高性能水泥基粘結錨固介質的巖錨體系，該巖錨體系包括以下實施步驟步驟一、確定錨桿材料及錨固粘結介質；步驟二、設計錨固體系；步驟三、錨具錨固錨桿兩端；步驟四、錨桿出廠檢驗；步驟五、巖錨體系現場安裝；步驟六、錨桿張拉；步驟七、封錨。由于本發明巖錨體系采用纖維增強塑料筋作為錨桿、超高性能水泥基材料作為兩端粘結介質，采用專門設計的群錨錨具作為地上端錨具、錨桿地下端設計錨具-錐形帽組合體，發揮了兩種高性能材料的優異特征，克服了現存巖錨體系由于鋼筋銹蝕、注漿體老化導致的結構耐久性問題。該巖錨體系結構安全、可靠、高效，且具有優良的物理力學性能和廣泛應用前景。
文檔編號E02D5/74GK102493451SQ201110456040
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者余躍, 向宇, 張曠怡, 方志, 涂兵 申請人:湖南大學