一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，属于岩土锚固工程领域。
背景技术
土层锚杆是一种设置于钻孔内、端部伸入稳定土层中的钢筋或钢绞线与孔内注浆体组成的受拉杆体，它一端与工程构筑物相连，另一端锚固在土层中，通常对其施加预应力，以承受由土压力、水压力或风荷载等所产生的拉力，用以维护构筑物的稳定。
根据土体结构、工程特性与使用要求，土层锚杆锚固体结构可分为圆柱型、端部扩大头型或连续球体型三类。对于端部扩大头型锚固体，目前国内外主要有机械扩大头型、旋喷扩大头型、囊式扩大头型等。由于土层结构具有松散软弱地质特性，现有的扩大头型锚固体结构体系，一定程度上存在着施工工序较复杂、成孔护壁有难度、下锚清孔不干净，锚固质量难保证等诸多技术问题。
发明内容
本发明的研究基础是基于专门针对松散软弱土层进行灌浆防渗与加固提出的一种原位灌浆方法(专利号：ZL201210348150.2)，及其一种膏浆挤扩桩灌浆方法(专利号：ZL201610790308.X)。本发明旨在提供一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，该施工方法施工便捷、弃浆量小、安全环保、质量可控；同时，通过该施工方法可以保证施工形成的锚杆结构体系较现有常规的锚杆结构体系具有更大的抗拔承载力、较小的蠕变量，及其较密实的围土防腐环境。
根据本发明的第一个方案，一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系的施工方法，其特点是，对于孔深小于等于30m锚杆孔，直接使用符合设计要求的自钻式中空注浆锚杆采用钻灌一体原位冲挤灌浆方法，先对全孔段围土自上而下进行中高压膏浆冲挤钻灌，而后采用膏浆脉冲高压挤劈桩方法自下而上对扩大头锚固孔段进行分段往复高压膏浆冲挤挤扩灌注，形成符合设计要求的扩大头锚固段后，再自上而下进行中高压膏浆冲挤钻灌将自钻式中空注浆锚杆安装到位，形成一种与自钻式中空注浆锚杆结合的上部非锚固段中高压膏浆冲挤灌浆复合围土与下部锚固段高压膏浆冲挤扩大头桩体与桩周挤劈浆脉及挤密土体复合型锚杆结构体系；其中，所述中高压是指压力≥1.5MPa，高压是指压力≥3MPa。
为避免深孔冲挤钻灌挤扩造成自钻式中空注浆锚杆体损伤，根据本发明的第二个方案，一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系的施工方法，其特点是，对于孔深大于30m锚杆孔，首先使用冲挤钻灌专用机具采用钻灌一体原位冲挤灌浆方法先对全孔段围土自上而下进行中高压膏浆冲挤钻灌，而后采用膏浆脉冲高压挤劈桩方法自下而上对扩大头锚固孔段进行分段往复高压膏浆冲挤挤扩灌注，形成符合设计要求的扩大头锚固段后，再更换使用符合设计要求的自钻式中空注浆锚杆全孔自上而下进行中高压膏浆冲挤钻灌将自钻式中空注浆锚杆安装到位，形成一种与自钻式中空注浆锚杆结合的上部非锚固段膏浆冲挤灌浆复合围土与下部锚固段高压膏浆冲挤扩大头桩体与桩周挤劈浆脉及挤密土体复合型锚杆结构体系。
所述钻灌一体原位冲挤灌浆方法，是指钻孔与灌浆合为一体自上而下随钻随灌，钻灌浆液泵送采用脉冲灌浆泵，钻灌全过程孔口采用可回转活动式孔口封闭器动态封闭，在孔口动态封闭及孔内钻灌机具与孔壁贴合封阻条件下，钻灌浆液按照所述中高压依次对钻灌地层进行原位冲挤劈揳灌注；
所述膏浆脉冲高压挤劈桩方法，是指采用脉冲灌浆泵向孔内脉冲压入膏状浆液，借助钻灌一体原位冲挤灌浆形成的完整孔壁与钻灌机具贴合封阻条件，以及膏状浆液粘滞自封特性，对松软地层进行分段往复脉冲高压膏浆挤扩与劈楔成桩灌注，形成一种膏浆挤扩桩、挤劈浆脉与桩间挤密土体复合体。
本发明的结构体系的核心点是由钻灌一体膏浆冲挤灌浆所形成的上部非锚固段保护层，以及下部锚固段由膏浆高压冲挤挤扩形成的挤扩桩体与桩周挤劈浆脉及挤密土体复合型锚固体，从而形成具有更大的抗拔承载力、较小的蠕变量，及其较密实的围土防腐环境。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
优选地，所述锚固孔段上部的非锚固段中高压膏浆钻灌一体冲挤钻灌桩体最小直径不小于Φ100mm，所述下部扩大头锚固孔段高压膏浆冲挤挤扩桩体最小直径不小于Φ200mm。
优选地，所述中高压膏浆冲挤钻灌的转速为100r～200r/min，钻速≤15cm/min；冲挤钻灌过程中，每钻灌一个立轴行程，上下回转活动2-3次。
优选地，自下而上分段往复高压膏浆冲挤挤扩往复段长为0.5～1.0m，往复速度1.0～1.5m/min，回转速度50～100r/min。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系，采用所述的锚杆结构体系的施工方法施工形成，所述膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系包括沿锚固孔轴线安装的多节中空注浆锚杆，上下相邻两节中空注浆锚杆通过锚杆接头连接并连通；最下一节中空注浆锚杆的底端装有自钻钻头，最上一节中空注浆锚杆的顶端装有位于地面上的锚固锁紧装置；所述多节中空注浆锚杆与锚固土体之间从内至外依次包绕有挤扩膏浆体和挤劈灌浆复合体。
由此，中空注浆锚杆体、挤扩膏浆体和挤劈灌浆复合体一起形成一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系，从而具有更大的抗拔承载力、较小的蠕变量，及其较密实的围土防腐环境。
所述锚固锁紧装置包括套装在最上一节中空注浆锚杆上的锚头垫板和螺纹连接在最上一节中空注浆锚杆端头的锚头螺母。优选的，上部自由段中空注浆锚杆外具有防腐层与自由套管。
最上一节中空注浆锚杆及其上部锁紧装置外具有防腐层。
在其中一个优选的实施例中，所述膏浆层分为位于下部锚固段冲挤挤扩扩大头膏浆桩体，以及位于上部非锚固段冲挤钻灌膏浆层；所述下部冲挤挤扩扩大头膏浆桩体最小直径不小于200mm，所述上部冲挤钻灌膏浆膏浆体最小直径不小于100mm。由此，可以确保下部锚固段抗拔承载力及上部非锚固段良好的防腐性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，具有钻锚一体、无需清孔、质量可靠、施工便捷、安全环保等优势。
2、本发明的一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，作为一种大直径挤扩锚固桩体与高密实性挤劈围土复合锚固体，抗拔承载力受力条件与受力形式发生了根本性改变，具有更大的抗拔承载力、较小的蠕变量，及其较密实的围土防腐环境。
3、本发明的一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，各锚固孔之间可形成一种膏浆挤扩桩体与桩间挤劈浆脉及挤密土体复合加固基础，极大的改善了锚固系统整体锚固基础力学性能，可为土层锚固基础提供一种灌浆加固附加效果。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构原理图；
图2是本发明一种实施例的施工原理图；
图3是本发明两个实施例的锚杆结构体系的施工流程图。
在图中
1-钻灌组合机具，2-孔口封闭器；3-孔口钢管；4-原位脉冲劈楔灌浆；5-脉冲回浆控制开关；6-锚固土体；7-中空注浆锚杆；8-锚杆接头；9-自钻钻头；10-挤扩膏浆层；11-灌浆复合体；12-钻灌膏浆层；13-防腐层；14-锚头垫板；15-锚头螺母。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法，如图1所示，包括沿锚固孔轴线安装的多节中空注浆锚杆7，上下相邻两节中空注浆锚杆7通过锚杆接头8连接并连通。上部非锚固自由段中空注浆锚杆外具有防腐层与自由套管最下一节中空注浆锚杆的底端装有自钻钻头9，最上一节中空注浆锚杆的顶端装有位于地面上的锚固锁紧装置。所述锚固锁紧装置包括套装在最上一节中空注浆锚杆上的锚头垫板14和螺纹连接在最上一节中空注浆锚杆断头的锚头螺母15。
所述多节中空注浆锚杆7与锚固土体6之间从内至外依次包绕有挤扩膏浆体和挤劈灌浆复合体11。所述膏浆层分为位于下部锚固段冲挤挤扩扩大头膏浆桩体10，以及位于上部非锚固段冲挤钻灌膏浆层12；所述下部冲挤挤扩扩大头膏浆桩体10最小直径不小于200mm，所述上部冲挤钻灌膏浆体12最小直径不小于100mm。
本实施例的锚杆结构体系的施工方法是基于一种“原位冲挤灌浆”新技术，结合现有自钻中空注浆锚杆材料结构体系，研究推出的一种钻、灌、扩、锚一体化锚杆施工新技术。
上述锚杆结构体系的施工方法主要依靠膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆施工技术来实现，该锚杆施工技术锚固成孔直接使用设计要求的高强中空注浆锚杆(30m以上深孔宜先采用原位冲挤灌浆专用机具进行引孔)，采用钻灌一体原位冲挤灌浆技术方法，先对全孔段围土自上而下依次进行中高压膏浆冲挤钻灌，而后自下而上对扩大头锚固孔段进行高压膏浆循环往复冲挤扩大，形成一种膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系及其施工方法。各施工技术特点、施工步骤、技术控制标准如下：
1.原位冲挤灌浆技术
“钻灌一体原位冲挤”灌浆新技术，是针对松软岩(土)体采用常规的灌浆工艺普遍存在钻灌成孔塌孔、分段封闭困难，灌浆难以起压、局部重复劈裂、无效灌注浪费等诸多技术问题，而推出的一种控制性原位冲挤灌浆新技术，主要适用于对结构松散、软弱、破碎等不良地质体进行基础加固与防渗灌浆处理。如图2所示，该技术钻孔与灌浆合为一体自上而下随钻随灌，钻灌组合机具1采用冲挤灌浆专用机具，钻灌膏浆根据不同灌浆要求可采用稳定浆液或膏状浆液，浆液泵送采用低频(100次/min)、小量(0.2L/冲次)脉冲灌浆泵脉冲压送，钻灌全过程孔口采用可回转活动式孔口封闭器2动态封闭，在孔口动态封闭及孔内同径钻灌机具与孔壁贴合封阻条件下，钻灌膏浆按照充填、压渗、冲挤、劈楔组合机理，中高压(大于1.5MPa)依次对钻灌地层进行原位冲挤劈揳灌注。故此，较常规灌浆工艺相比较，灌浆压力大、有效可控、密实均匀，工程应用实践证明，用于灌浆固结或防渗工程，复合地基承载力fka＞150Kpa，渗透系数k≤10-6cm/s。
2.膏浆循环冲挤扩大头技术
所谓膏浆循环冲挤扩大头，就是在锚固孔段中高压原位冲挤灌浆完成后，继续进一步提升冲挤灌浆压力，按照规定的单位灌入量，自下而上分小段(0.5-1.0m)依次对锚固段进行高压冲挤扩大灌注。根据土力学可知，土体在高压应力条件下具有一定的压缩性，由于膏浆高压冲挤扩大灌浆是在孔口动态封闭及孔内同径钻灌机具与孔壁贴合封阻条件下进行，加上膏浆固有的粘滞自封性能，孔内钻灌机具出浆口脉冲压入的膏浆基本属于封闭式强制性脉冲压入，以此必然会对扩大头锚固孔段围土进行高压挤密、挤扩与挤劈，形成一种膏浆挤扩桩体与桩间挤劈浆脉复合型软基加固体，从而可为松软土体提供一种高压挤密、挤扩与挤劈复合灌浆改性后的锚固基础。
3.抗拔承载力提升技术
膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆结构体系的施工方法，上部非扩大头锚固孔段为“钻灌一体原位冲挤”灌浆形成的水泥渗固与挤扩混合桩体，桩体连续均一、水泥含量高、强度大(桩中心部位强度大于20MPa)，不仅可提高非扩大头锚固孔段锚固抗拔承载力，同时可为锚杆体提供较厚的高强固结体防腐保护层，确保锚杆具有良好的防腐耐久性能。下部扩大头锚固段为膏浆循环冲挤扩大灌浆形成的挤扩与挤劈桩体，直径大，收缩小、强度高(桩体中心部位强度大于25MPa)，从而可形成一种大直径桩体与高密实性围土复合锚固体，锚固体抗拔承载力显著提升。
4.膏浆材料配比与制备技术
膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆施工工法中，原位冲挤灌浆与扩大头锚固段冲挤扩大灌浆均采用水泥或水泥砂膏状浆液。水泥膏浆组分主要包括水泥、粉煤灰、膏浆剂等，水泥砂膏浆为参加适量中细砂的水泥膏浆。常用水泥或水泥砂膏浆材料配比见表3-1。
1)水泥：采用强度等级不低于42.5MPa的普通硅酸盐水泥，必要时可采用抗硫酸盐水泥，不宜采用高铝水泥。水泥质量应符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准。
2)砂：采用质底坚硬的天然砂或人工砂，粒径不宜大于2.5mm，细度模数不宜大于2.0，SO3含量不宜大于1％(重量比)，泥质物与有机物含量不宜大于3％。
3)粉煤灰：可选用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，质量应符合相关规定标准。
4)膏浆剂：采用原位冲挤灌浆配套型号的膏浆剂，或其他具有同样性能的膏浆剂。选用的膏浆剂不得影响浆体结石体对锚杆的粘结性能，也不得对锚杆钢筋产生腐蚀性。
表3-1水泥或水泥砂膏浆配比参考表
膏浆制备过程中，应注意：
1)膏浆拌制所用水泥、掺和料、外加剂等固相材料应采用重量称量法，计量误差应小于5％。混合浆液、膏浆必须搅拌均匀，测定浆液密度或流动度等参数，并作好记录。
2)膏浆基本浆液(未加膏浆剂浆液)的搅拌时间：使用高速搅拌机时，应不少于30s。基本浆液制成膏浆使用前应过筛，膏浆初凝时间与有效使用时间根据试验确定，膏浆从开始制备至用完的时间宜小于6h。
膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆施工前先进行施工准备、技术交底、锚杆组件分孔配置与自由段杆体防腐处理等方面的工作。现场实施过程中可按浅孔和深孔两种情况进行。具体实施过程如下：
本实施例要点如下：
1、膏浆冲挤钻灌孔结构
1)冲挤钻灌孔结构主要按照选定的中空注浆锚杆配套钻头规格确定，孔底扩孔段扩孔直径主要依据设计抗拔承载力及地层密实性(可压缩性)试验确定，且扩大头最小直径不小于Φ200mm；
2)为起下钻与局部返浆回收方便，以及冲挤钻灌与挤扩灌浆回浆压力控制，孔口设置Φ89mm或Φ108mm长0.8至1.5m孔口管，并安装收浆盆与动态孔口封闭器。
2、冲挤钻灌主要工艺参数
膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆冲挤钻灌施工主要控制参数，可根据地层条件及其工程设计要求，参照表5-1通过现场试验确定。
表5-1膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆冲挤钻灌施工主要技术参数控制参考表
3、钻灌与挤扩施工过程控制
1)膏浆钻灌冲挤扩大头锚杆施工宜分Ⅱ序进行。
2)锚杆钻灌施工前，根据施工作业空间或钻灌设备动力头行程、锚杆孔深等，确定单根锚杆标准长度，配置好锚杆连接头，预应力锚杆上部自由段按现行国家与行业技术标准及工程设计要求做好防腐保护。
3)冲挤钻灌转速控制在100r～200r/min，钻进压力以控制钻速≤15cm/min的同时，满足钻机给进压力适中即可。
4)冲挤钻灌过程中每钻灌一个立轴行程，上下回转活动2-3次。
5)先全孔自上而下中高压冲挤钻灌一径到底，而后扩大头锚固段自下而上分段往复高压膏浆冲挤挤扩灌注。
6)所述扩大头锚固段自下而上分段往复高压膏浆冲挤挤扩灌注段长为0.5～1.0m，往复速度1.0～1.5m/min，回转速度50～100r/min，
7)所述锚固段扩大头自下而上分段往复膏浆高压冲挤挤扩灌注控制标准如下：
①当单位灌入量达到设定最大单位灌入量、且冲挤脉冲压力大于设定最小脉冲压力时，或当单位灌入量达到设定最大单位灌入量的150％、而冲挤脉冲压力仍小于设定最小冲挤脉冲压力时，结束本往复段高压膏浆冲挤挤扩灌注。
②当冲挤脉冲压力达到设定最大脉冲压力、且单位灌入量大于设定最小单位灌入量时，或当冲挤脉冲压力超过设计最大脉冲压力的20％，而单位灌入量仍小于设定最小单位灌入量时，结束本往复段高压膏浆冲挤挤扩灌注。
4、锚杆张拉与锁定
1)锚杆钻灌完成后，卸除立轴钻杆，拔出孔口管，孔口脱空部分补灌水泥浓浆或膏浆。
2)锚固灌浆体达到规定的力学强度指标后，按照现行国家与行业技术标准及工程设计要求，对锚杆进行紧固或张拉锁定。
5、特殊情况处理
1)钻孔遇岩溶等洞穴出现膏浆严重漏失时，应及时更换采用速凝膏浆进行充填堵漏，必要时适当待凝后再扫孔正常钻灌。
2)锚固段扩大头高压膏浆冲挤挤扩灌注，尽可能采用较大的脉冲压力，可通过调控膏浆泵脉冲量与脉冲频率进行；或适当增加膏浆浆液稠度；或提高单位灌入量设计标准。
3)高压膏浆冲挤灌注过程中孔口出现冒浑水或稀浆，属软基高压排水作用所致，为正常现象。但若因高压膏浆冲挤造成自封击穿而出现孔口冒出膏浆或冲挤脉冲压力突然下降时，可采取原位静止冲挤、间歇停顿冲挤等技术措施，待孔内膏浆冲挤自封有效与冲挤脉冲压力上升后，再恢复段内正常往复回转冲挤挤扩灌注。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
