一种多段自适应膨胀锚杆回收方法与流程

1.本发明涉及锚杆回收技术领域，尤其涉及一种多段自适应膨胀锚杆回收 方法。


背景技术：

2.边坡加固工程中锚杆支护是最为常见的一种边坡支护方式，目前国内外 相关技术较为成熟，但锚杆仅作为一种临时支护设施，工程竣工后，锚杆被 大量地废弃在土体中，不仅会对邻近工程的施工造成不利影响，而且资源浪 费、污染严重，与地下空间及建筑用地越来越紧张的趋势相悖，因此近几年 国家和地方出台相关政策规定建筑用地红线，锚杆遗留问题亟待解决。为了 解决这一问题，国外较早提出了可回收锚杆的理念并推出相关产品，国内起 步较晚但发展速度较快。目前的膨胀锚杆无法回收设计这样的回收机制和方 法。因此需要设计相应的膨胀锚杆，然后使用完后对膨胀锚杆进行回收。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种多段自适应膨胀锚杆回收方法，解决现有锚 杆无法回收的技术问题。该回收方法针对特别设计的多段自适应膨胀锚杆进 行回收。
4.一种多段自适应膨胀锚杆回收方法，从锚杆壳的中间孔放入扩大钻头， 扩大钻头在锚杆壳内正转，破除锚杆壳管内和底部的水泥浆，然后扩大钻头 反转清除底部混凝土碎料，把拉张装置扭入锚杆壳内将锚杆壳向下拉直，然 后锚杆壳没有土体的横向阻力，将锚杆壳取出，完成回收。
5.进一步地，扩大钻头的外径与锚杆壳的内径大小相等。
6.进一步地，锚杆壳内部设置为空心结构，锚杆壳内注入混凝土，锚杆壳 设置在土体的钻孔内，锚杆壳包括若干段内螺纹段和若干段膨胀段，两段内 螺纹段之间设置有一段膨胀段，锚杆壳的两端均设置内螺纹段，锚杆壳安装 进土体内后，膨胀段向外拉张与土体紧密贴合，与土体锚固。
7.进一步地，膨胀段设置为空管结构，侧壁上设置有若干个注浆孔，注浆 孔设置为椭圆形结构或者圆形结构。
8.进一步地，锚杆壳注浆时，将设置的注浆机构拧入锚杆壳内，注浆机构 内部设置为空心结构，包括螺纹保护段和注浆段，螺纹保护段和注浆段相间 设置，注浆段上设置有注浆漏孔，螺纹保护段与锚杆壳的内螺纹段螺纹设置， 螺纹保护段的长度与内螺纹段相同，将水泥浆从注浆机构内部空心壳体注入， 水泥浆从注浆漏孔流到锚杆壳的膨胀段的内部，并从注浆孔流到外部土体， 注浆完后，待水泥浆从浆体变为固体后，时间为1
‑
2小时，将注浆机构拧出， 然后拧入螺杆。根据膨胀段的数量，设置注浆段数量，每个注浆段和膨胀段 相契合。
9.进一步地，拉张装置包括前端旋转板、前端主杆、前端螺纹、后端旋转 板、后端旋转杆、后端主杆和后端螺纹，前端旋转板设置在前端主杆的一端， 前端螺纹设置在前端主杆另一端的侧壁上，前端主杆中间开设有通孔，后端 旋转杆穿过通孔，后端旋转板设置在
前端主杆的一端，后端主杆设置在前端 主杆的另一端，后端主杆的大小与前端主杆的大小相同，后端螺纹设置在后 端主杆上。
10.进一步地，拉张装置拉直锚杆壳的具体过程为：将后端主杆拧入锚杆壳 最底部的内螺纹段内，然后把前端主杆的前端螺纹拧在倒数第二段内螺纹段 上，然后固定端旋转板，同时把前端主杆固定，用力向下压后端旋转板，使 得后端主杆带最底部的内螺纹段向底部运动，拉直最底部的内螺纹段与倒数 第二段内螺纹段之间的膨胀段，依次同理后端主杆拧入锚杆壳倒数第二段的 内螺纹段内，然后把前端主杆的前端螺纹拧在倒数第三段内螺纹段上，拉直 倒数第二段的内螺纹段与倒数第三段内螺纹段之间的膨胀段，依次拉直整根 锚杆壳。
11.进一步地，破除锚杆壳底部的水泥浆的深度为锚杆壳所有膨胀段长度之 和。
12.进一步地，将锚杆壳取出的具体过程为：将螺杆拧入锚杆壳内，然后将 锚杆壳的外端与螺杆固定为一体，然后出力往外拔，螺杆对锚杆壳内部进行 连接性保护，锚杆壳完整被取出，然后拧开螺杆，回收到完整的锚杆壳。
13.本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
14.本发明通过使用扩大钻头清楚混凝土，然后使用拉张装置一节一节的把 锚杆壳拉直，不仅可以优先的保证锚杆壳全部回收出来，同时还能保证了锚 杆壳的完整性，从而可以重复的利用锚杆壳，不仅实现回收，还实现重复利 用，具有非常的推广意义，一个行业的变革，
附图说明
15.图1为本发明放入扩大钻头破除混凝土结构示意图。
16.图2为本发明锚杆膨胀外壳结构示意图。
17.图3为本发明拉张装置剖面图。
18.图4为本发明钻头清除混凝土结构示意图。
19.图5为本发明注浆机构结构示意图。
20.图中标号：1
‑
锚杆壳；1.1
‑
可拆卸圆盘；1.2
‑
内螺纹段；1.3
‑
膨胀段；1.4
‑ꢀ
注浆孔；1.5
‑
压力传感器；1.6
‑
弯曲软角位移传感器；2
‑
拉张装置；2.1
‑
前端旋 转板；2.2
‑
前端主杆；2.3
‑
前端螺纹；2.4
‑
后端旋转板；2.5
‑
后端旋转杆；2.6
‑ꢀ
后端主杆；2.7
‑
后端螺纹；3
‑
注浆机构；3.1
‑
螺纹保护段；3.2
‑
注浆段；3.3
‑
注 浆漏孔；5
‑
钻头。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例， 对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节 仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有 这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
22.一种多段自适应膨胀锚杆回收方法，如图1所示，从锚杆壳1的中间孔 放入扩大钻头，扩大钻头在锚杆壳1内正转，破除锚杆壳1的膨胀段1.3管内 和底部的水泥浆，然后扩大钻头反转清除底部混凝土碎料，把拉张装置扭入 锚杆壳1内将锚杆壳1向下拉直，然后锚杆壳1没有土体的横向阻力，将锚 杆壳1取出，完成回收。扩大钻头的外径与锚杆壳1的内径大
小相等。防止 扩大钻头对对螺纹造成损伤，又能把混凝土清除干净。
23.本发明实施例中，如图2所示，锚杆壳1内部设置为空心结构，锚杆壳1 内注入混凝土，锚杆壳1设置在土体的钻孔内，锚杆壳1包括若干段内螺纹 段1.2和若干段膨胀段1.3，两段内螺纹段1.2之间设置有一段膨胀段1.3，锚 杆壳1的两端均设置内螺纹段1.2，锚杆壳1安装进土体内后，膨胀段1.3向 外拉张与土体紧密贴合，与土体锚固。膨胀段1.3设置为空管结构，侧壁上 设置有若干个注浆孔1.4，注浆孔1.4设置为椭圆形结构。锚杆壳1的前端设 置有可拆卸圆盘1.1与锚杆壳1的前端连接，可拆卸圆盘1.1的直径比锚杆壳 1的直径大。
24.本发明实施例中，如图5所示，锚杆壳1注浆时，将设置的注浆机构3 拧入锚杆壳1内，注浆机构3内部设置为空心结构，包括螺纹保护段3.1和注 浆段3.2，螺纹保护段3.1和注浆段3.2相间设置，注浆段3.2上设置有注浆漏 孔3.2，螺纹保护段3.1与锚杆壳1的内螺纹段1.2螺纹设置，螺纹保护段3.1 的长度与内螺纹段1.2相同，将水泥浆从注浆机构3内部空心壳体注入，水泥 浆从注浆漏孔3.2流到锚杆壳1的膨胀段1.3的内部，并从注浆孔1.4流到外 部土体。注浆完后，待水泥浆从浆体变为固体后，时间为1
‑
2小时，将注浆机 构3拧出，然后拧入螺杆。注浆的时候采用专用的注浆结构，对准注浆孔， 向外注浆，防止浆液污染内部螺纹，后面张拉杆无法扭入，或者改为螺纹相 匹配的钻头。
25.本发明实施例中，如图3所示，拉张装置包括前端旋转板2.1、前端主杆 2.2、前端螺纹2.3、后端旋转板2.4、后端旋转杆2.5、后端主杆2.6和后端螺 纹2.7，前端旋转板2.1设置在前端主杆2.2的一端，前端螺纹2.3设置在前端 主杆2.2另一端的侧壁上，前端主杆2.2中间开设有通孔，后端旋转杆2.5穿 过通孔，后端旋转板2.4设置在前端主杆2.2的一端，后端主杆2.6设置在前 端主杆2.2的另一端，后端主杆2.6的大小与前端主杆2.2的大小相同，后端 螺纹2.7设置在后端主杆2.6上。
26.本发明实施例中，拉张装置拉直锚杆壳1的具体过程为：将后端主杆2.6 拧入锚杆壳1最底部的内螺纹段1.2内，然后把前端主杆2.2的前端螺纹2.3 拧在倒数第二段内螺纹段1.2上，然后固定端旋转板2.1，同时把前端主杆2.2 固定，用力向下压后端旋转板2.4，使得后端主杆2.6带最底部的内螺纹段1.2 向底部运动，拉直最底部的内螺纹段1.2与倒数第二段内螺纹段1.2之间的膨 胀段1.3，依次同理后端主杆2.6拧入锚杆壳1倒数第二段的内螺纹段1.2内， 然后把前端主杆2.2的前端螺纹2.3拧在倒数第三段内螺纹段1.2上，拉直倒 数第二段的内螺纹段1.2与倒数第三段内螺纹段1.2之间的膨胀段1.3，依次 拉直整根锚杆壳1。破除锚杆壳1底部的水泥浆的深度为锚杆壳1所有膨胀段 1.3长度之和。通过把底部的混凝土破除，预留够长的位置给锚杆壳1伸长， 同时可以存掉落的粉碎混凝土。根据膨胀段1.3的数量，设置注浆段3.2数量， 每个注浆段3.2和膨胀段相契合。
27.本发明实施例中，将锚杆壳1取出的具体过程为：将螺杆拧入锚杆壳1 内，然后将锚杆壳1的外端与螺杆固定为一体，然后出力往外拔，螺杆对锚 杆壳1内部进行连接性保护，锚杆壳1完整被取出，然后拧开螺杆，回收到 完整的锚杆壳1。螺杆对锚杆壳1进行保护，防止在拉出的时候出现断裂， 出现部分无法回收的情况，同时在拉直时，膨胀段1.3没有出现断裂时，可以 在重复利用。
28.多段自适应膨胀锚杆施工方法，包括如下步骤：
29.步骤1：根据膨胀锚杆外壳的长度采用钻头在围岩上钻与膨胀锚杆外壳 相适应的锚杆孔。当膨胀锚杆需要回收时，钻好直线孔后，再使用扩大头式 钻头在钻好的直线孔内
间隔钻扩大孔，扩大孔与膨胀锚杆外壳的膨胀段膨胀 后相契合。
30.确定膨胀锚杆外壳的长度过程为：根据土体需要总共拉拔力，然后根据 设置膨胀锚杆数量，算出每个膨胀锚杆需要的拉拔力，然后分析每一节膨胀 段的受力，拉拔力除以每一节膨胀段的受力得到膨胀段的节数，得到膨胀锚 杆外壳的长。
31.膨胀锚杆外壳还包括压力传感器1.5和弯曲软角位移传感器1.6，压力传 感器1.5和弯曲软角位移传感器1.6均设置在膨胀段1.3的外侧，压力传感器 1.5检测膨胀段1.3的外侧受到土体的压力大小，弯曲软角位移传感器1.6用 于检测膨胀段1.3伸张情况。还包括数据检测装置，数据检测装置上设置有检 测接口，所有的压力传感器1.5和弯曲软角位移传感器1.6均通过导线伸出锚 杆壳1的前端，并设置数据采集口，数据采集口上设置有防水盒盖，不检测 时将防水盒盖盖合设置，在安装和回收膨胀锚杆时，使用数据检测装置检测 膨胀段1.3的受力数据和伸张情况。
32.步骤2：将锚杆膨胀外壳放入锚杆孔内，锚杆头处加固压板，并把拉张 装置拧进锚杆膨胀外壳内，转动拉张装置，对锚杆外壳进行加压，使得膨胀 段膨胀，与周围岩土贴合，将螺杆取出。
33.拉张装置的具体工作过程为：把前端主杆2.2上的前端螺纹2.3与锚杆壳 1入口处的第一个内螺纹段1.2螺纹连接，然后把后端主杆2.6上的后端螺纹 2.7拧到与第二螺纹段1.2螺纹连接，然后固定前端旋转板2.1，把后端旋转板 2.4往外拉，第一个内螺纹段1.2与第二螺纹段1.2之间的膨胀段1.3发生膨胀 契合到扩大孔内，同理把所有的膨胀段1.3拉到膨胀，通过测算后端旋转板 2.4往外拉的距离，进准把内螺纹段1.2拉在两个扩大孔之间。
34.步骤3：将混凝土浇灌到锚杆膨胀外壳内，混凝土填充膨胀段的膨胀处， 混凝土凝固后与土体形成横向阻力。膨胀段1.3设置为空管结构，侧壁上设置 有若干个注浆孔1.4，注浆孔1.4设置为椭圆形结构。一开始为椭圆形结构， 当出现拉张时，会变为圆形结构，使得混凝土更好的从注浆孔1.4流出外部与 土体更好的结合。内螺纹段1.2的外部设置为封闭结构，内部设置有内螺纹， 内螺纹段1.2的厚度比膨胀段1.3的厚度厚。内螺纹段1.2设置更厚，是为了 避免安装和拉伸的时候出现变形的情况。
35.使用完后，如需要回收时，从中孔放入扩大钻头，扩大钻头在锚杆壳1 内正转，破除管内水泥浆，到达锚杆壳1底部后反转清除底部混凝土，破除 底部灌注的水泥浆，然后扭入回收螺杆到螺纹末尾段，向下敲击，一边敲击 一边使用数据检测装置对压力传感器1.5和弯曲软角位移传感器1.6进行检 测，查看各段膨胀段1.3的握裹力和弯曲程度数据，使得膨胀结构重新恢复平 直，拔出锚杆。
36.上述步骤1中分析每一节膨胀段的受力的具体过程为：
37.膨胀锚杆则是依靠中间锚固段侧壁摩阻力、膨胀截面锚固侧壁摩阻力以 及土体对膨胀头端面的阻力三种形式来传递分散荷载，可将其分为n段进行 力学性能分析，n为正整数。因此一段变截面抗拔力由三部分组成：
38.t＝t1 t2 t
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.式中：t1为l1段普通非膨胀锚固段侧壁摩阻所提供的抗拔力：
40.t1＝πd1l1τ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
41.式中：d1和l1为锚杆非膨胀锚固段直径和长度，τ
f
为非膨胀锚固段土体与 锚固筋侧壁之间的摩阻强度；
42.t2为锚杆膨胀锚固段侧壁摩阻所提供的抗拔力：
43.t2＝πd2l2τ
fd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
44.其中d2和l2为锚杆非膨胀锚固段直径和长度，τ
fd
为非膨胀锚固段土体与锚 固筋侧壁之间的摩阻强度；
45.td为土体对膨胀端面的正压力所提供的抗拔力：
[0046][0047]
式中：σ
d
为土体作用于变截面上的正压力强度，与膨胀端的埋深、膨胀 端前土体情况以及锚杆的工作状态有关；
[0048]
膨胀锚杆位移与轴力分析过程为：
[0049]
根据剪切位移法，竖向受荷锚杆体周围土的变形可理想的视作同心圆柱 体，根据弹性理论写出土体竖向平衡微分方程：
[0050][0051]
锚杆体受荷后，锚杆体处剪应力τ
rz
的增大远大于σ
z
，取
[0052][0053]
式中，r0为锚杆的半径，τ0为锚杆侧边剪应力，
[0054]
方程的解为：
[0055][0056]
由几何方程，剪切变形为：
[0057][0058]
其中u
s
为径向位移，s为土体竖向位移，略去物理方程为：
[0059][0060]
得到
[0061][0062]
方程的解为：
[0063][0064]
即：
[0065][0066]
其中r
m
为有效影响半径，g为土体的剪切模量，τ(z)为z位置处的锚杆侧摩阻 力；r0为锚杆半径；r
m
为影响半径；r
m
为锚杆侧土剪切变形可忽略的范围， r
m
＝χ1χ2l1(1
‑
ν
s
)，χ1、χ2为土体不均匀程度经验系数，ν
s
为土体泊松比，r为 与锚杆中心轴的距离，
[0067]
根据锚杆与土接触面的位移协调条件，对于等截面锚杆，可得到的锚杆 侧摩阻力为：
[0068][0069]
对微分单元受力静力平衡条件：
[0070][0071]
式中：u
p
为锚杆周长，τ
ν
(z)为锚杆侧深度z处摩阻力，q(z)为锚杆深度z处轴 力，
[0072]
微单元的弹性压缩为：
[0073][0074]
式中，和a
p
分别为锚杆的弹性模量和横截面积代入式(13)可得：
[0075][0076]
令其中k
v
为锚杆侧土体弹簧刚度，
[0077]
可得锚杆微分方程为：
[0078][0079]
解的位移和轴力为：
[0080]
s(z)＝ae
αz
be
‑
αz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0081]
q(z)＝
‑
ae
p
a
p
αe
αz
be
p
a
p
αe
‑
αz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0082]
其中c1、c1为常数，可由锚杆体边界条件确定，将上式用矩阵表示：
[0083][0084]
膨胀变截面锚杆锚固力分成三部分，第一部分为细截面杆体l1段与土体 的摩阻力，第二部分为粗截面杆体l2段与土体的摩阻力，第三部分为变截面 处的端阻力，
[0085]
对于变截面锚杆，在采用剪切位移法进行轴力及位移的推导时，将变截 面锚杆分两段即l1段和l2段，忽略变截面引起的锚杆周围土体位移场的影 响，分别应用前述等截面锚杆杆体位移及杆体轴力解，将变截面处的端阻力 和位移连续简化为边界条件，
[0086]
第一段边界条件为：
[0087]
当z＝0时，p1(0)＝p；当z＝l1时，p1(l1)＝t；
[0088]
式中：t为第一端锚杆在变截面处的轴力
[0089]
第二段边界条件为：
[0090]
当z＝l1时，p2(l1)＝t
‑
t
d
；当z＝l时，p2(l)＝q；
[0091]
式中：l＝l1 l2为锚杆微段长度，td为变截面处土体的端阻力， 变截面锚杆l1段与l2段在变截面处的位移连续条件
[0092]
s1(l1)＝s2(l1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0093]
将第一段边界条件代入式(18)得
[0094]
‑
e
p1
a
p1
α1(a1‑
b1)＝p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0095][0096]
将第二段边界条件代入式(18)得
[0097][0098][0099]
第一段与第二段的连续条件式(20)可表示为：
[0100][0101]
联立式(21)、(22)、(23)、(24)、(25)可得系数a1、a2、b1、 b2可计算出第一段锚杆位移和轴力的解析式，代入式(12)可得第一段锚杆 与第二段锚杆侧摩阻力，进而可得第一二段抗拔力；
[0102]
锚杆变截面处膨胀端面应力计算：
[0103]
在锚杆变截面上端取一土体微单元作为考察对象，以锚杆轴线方向为z 轴，为竖直方向，水平方向分别为x轴，则土体被压缩的极限状态下，
[0104]
极限状态下土体单元的各个方向的应力表达式：
[0105]
σ
x
＝k0γl1 ξσ
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0106]
σ
y
＝k0γl1 ξσ
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0107]
σ
z
＝γl1 σ
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0108]
式中：σ
t
为锚杆拉力在土体单元z方向上产生的应力增量，k0为变截面上 端土的静止土压力系数，可按计算；ξ为锚杆发生位移时变截 面上端土反映挤土效应的侧压力系数，可按经验公式ξ＝(0.5～0.95)k
a
计算(与 变截面处土体的硬度有关，对较坚硬的土体可取0.95，对软土建议取0.5)， 此外和分别为变截面上端土体的主动和被动 土压力系数，其中c、为土体的粘聚力、内摩擦角；
[0109]
土体单元达到极限状态时，σ
z
为最大主应力σ1，σ
x
为最小主应力σ3，根 据摩尔库伦强度理论有
[0110]
[0111]
联立以上得
[0112][0113]
当锚杆变截面处土体各点均达到极限应力状态下时，变截面处的竖向压应力 所提供的极限抗拔力：
[0114][0115]
对于整段锚杆，可根据每段锚杆间的连续条件，结合锚底和锚头得边界 条件，锚底轴力为0，锚头轴力为已知，计算出整段锚杆的荷载传递函数；
[0116]
因此变截面锚杆抗拔力计算公式为：
[0117]
t＝t1 t2 t
d
。
[0118][0119]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。