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•论文答辩题目：可回收锚杆工艺改进及其在工程中的应用姓名：张加冕专业：建筑与土木工程指导老师：•论文主要内容杆试验改进改进•研究路线如下图有限元仿真分析现场检测与监测可回收锚杆生产工艺、施工技术等确定可回收锚杆的生产和施工工艺的改进西安地铁2#线、西安市北客站南地下广场基坑支护工程分析内因和外因理论分析研究内容及目标1.锚杆的可回收性研究•主要内容锚杆的定义和分类锚杆的作用和用途锚杆的力学性质锚杆的物理性质锚杆的工程特性锚杆的可回收性分析1.锚杆的可回收性研究1.1锚杆的定义和分类1.1.1锚杆的定义现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行主体加固。锚杆组成必须具备的因素：（1）杆体的抗拉强度必须高于周围岩土体；（2）杆体深入岩土体的一端和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结）阻力；（3）杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力。•锚杆实物图1.1.2锚杆的分类•锚杆按照杆体材质可分为木锚杆、竹锚杆、螺纹钢锚杆、玻璃钢锚杆等；•锚杆按照锚固方式可分为胀壳式、楔缝式、粘结式、阻力式、倒锥式等；•锚杆按照性质用途可分为注浆锚杆、可回收锚杆、预应力锚杆等。可回收锚杆大体可分为六类：（1）力学式：使用特殊夹具的滑落拆除锚杆传力杆体的方法（2）自攻螺旋式：通过自身螺旋挤压嵌入岩土体（3）机械式：机械结构把锚杆的锚固段和自由段拆分开（4）充气式：在海洋工程施工过程中，研究创新了充气式锚杆（5）扩体式：扩体技术就是通过应用一种特种锚杆钻杆改变成孔直径，使自由段成孔直径比较小，而土体深处锚固段的成孔直径被扩大，增大锚固段直径，提高锚固段的摩阻力，（6）化学式：在锚杆杆体的锚固段和自由段分界位置设计一个容器，容器内预先设置填充一种特种化学试剂，锚杆回收的时候，通过一些方式引燃容器内的化学试剂，通过高温将锚杆金属杆体融化切断，拔出锚杆自由段。•1.2锚杆的作用和用途1.2.1锚杆的作用•锚杆的作用在支护体系中实质是锚拉作用，即通过锚杆插入岩土体，改变岩土体的自身结构，通过锚杆的锚固拉拔对围护结构周围的岩土体进行挤压，提高岩土体自身承载能力。•1.3锚杆的力学性质•锚杆的力学性质在不同的地质条件中有所不同，锚杆的种类繁多，不同结构的锚杆在同一种地质条件下，有各自不同的力学性质。由于锚杆的应用广泛，锚杆在不同工程领域应用中，作用不同，锚杆的力学性质不同。现阶段的研究理论，锚杆的力学作用大体分为三类：悬吊、组合和挤压。•1.4锚杆的物理性质•锚杆在工程中的应用，是作为结构中的拉锚结构，应力通过锚杆的杆体由锚杆的一端传导到另一端。锚杆由于在施工中具体选用的原材不同，各种锚杆的物理性质也各不相同。根据选用材料有螺纹钢、竹、木、钢管、钢绞线等，锚杆自身的刚性、硬度、挠度、破断力等物理性质各不相同。锚杆采用的锚固材料有化学锚固剂、纯水泥浆、水泥砂浆、碎石混凝土等，因此锚杆作为一种组合结构的物理特性也各不相同。•锚杆的工程特性•工程施工中基坑支护领域，锚杆应用范围广。锚杆在支护技术中作为一种结构，有其特殊的工程特性。锚杆的工程特性：锚固力、抗拔力、预应力、拉拔延伸率等。按照锚杆是否有预应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆。锚杆根据其受力方向和工程特性可分为承压的压力型和抗拉拔的拉力型。•锚杆的可回收性分析•随着锚杆技术的成熟，工程施工中锚杆的使用量越来越大，但是许多大城市发文禁止基坑支护中使用锚杆（锚索），原因是锚杆（锚索）设计的水平长度都在20m以上，超出规划红线很多，给周围后续地下工程造成施工困难。锚杆支护结构作为基坑支护重要结构，在工程中有很大的经济和工效优势，基坑支护首选锚杆支护。为了在工程中使用锚杆，锚杆的可回收性被人们越来越重视。•锚杆的可回收性根据回收部位有局部回收的和全部回收的。可回收性的技术实现方法有机械拆解法，化学试剂分解法、微爆破截断法等。对锚杆的可回收性的理论研究也只是定性分析。2.自攻式深基坑可回收锚杆的发明可回收性锚杆的研究背景可回收性锚杆的适用范围可回收性锚杆的组成结构及其性能可回收性锚杆的创新之处2自攻式深基坑可回收锚杆的发明本节针对自攻式深基坑可回收锚杆的适用范围、组成结构及其性能和创新之处进行的全面的研究。2.1可回收性锚杆的研究背景锚杆支护技术是用于基坑和边坡的一种比较新型支护技术。锚杆自上世纪70年代应用于基坑支护技术领域以来，由于其投资低、施工进度快、工艺结构简单，在国内基坑支护中得到广泛应用。许多正在进行地铁建设的大城市已经发布红头文件明令禁止使用不可回收锚杆，禁止基坑施工地下支护超越土地规划红线。基于以上原因，研究应用可回收锚杆成为急切需要解决的问题。•2.2可回收性锚杆的适用范围•2.2.1可回收锚杆适用地质条件•适应地质条件：可以广泛应用于一般土层和一般砂层基坑支护锚固体系中。•可回收锚杆适用的土层地质条件包括一般粉土、一般杂填土、普通粘性土、一般性黄土、硬度比较低的硬质粘土等•2.2.2可回收锚杆适用的基坑设计参数条件•可回收锚杆适用的抗拔力要求，在一般土层和砂层应用，抗拔力经过现场试验测试：3m入土深度，拉拔力在20kN，可以作为边坡土体加固的土钉应用。锚杆本身是中空的，有预留注浆孔，可用于注浆加固。如果通过锚杆进行注浆处理，锚杆抗拔强度等同于锚杆自身杆体破断强度，可达100kN。•在桩锚支护体系中，桩间应用可回收锚杆，锚杆单根长度应在11.5m～14.5m，用大扭矩力锚杆钻机安装，锚杆抗拔力可以满足15米以内深基坑桩锚支护结构对锚杆抗拔力的技术要求。•可回收性锚杆的组成结构及其性能•自攻式可回收深基坑锚杆主要由连接盘、锚杆尾部接头、杆体、接杆焊合件、中间接头、套管接头、前端接头、前端锚杆和前端钻头组成。锚杆尾部接头上设有螺纹，杆体、套管接头和前端锚杆外绕有异性三角钢丝，形成螺旋形状，钻头焊接在前端锚杆上。•杆体外绕三角钢丝创新是可回收锚杆的关键技术随着丝高增大，杆体的抗拔力也增大；杆体嵌入土体的长度增加，抗拔力也增大。•每节杆体之间的特制连接头，六方锥形连接确保实现锚杆抗拔力、可以大扭矩正反转、可以承受大推力的技术要求。•可回收性锚杆的创新之处•自攻式可回收深基坑锚杆在工程应用中以“经济、高效、绿色环保”为主要创新点。•（1）不需要养护水泥浆锚固段，不需要混凝土等强，实现快速支护；•（2）在基坑支护工程中，自攻式可回收深基坑锚杆替代钢支撑，增大后续施工作业面，使土方开挖的施工效率提高一倍以上，主体结构施工速度加快30％；•（3）自攻式可回收深基坑锚杆对地下空间不会造成污染，可回收再利用，降低工程成本，低碳环保；•（4）自攻式可回收深基坑锚杆的分布密度和单根长度可根据工程随时调整，•（5）锚杆安装完毕后，不需要等强，安装即可张拉，有效控制围护结构变形量；•（6）施工速度比传统锚杆(索)提高十倍以上，可实现安全高效快速施工。自攻式深基坑可回收锚杆示意图•3可回收性锚杆作用机理及其拉拔试验•3可回收性锚杆作用机理及其拉拔试验3.1荷载传递机理3.2锚固原理3.3抗拔力计算•3.1载荷传递机理•自攻式深基坑可回收锚杆是一种特殊类型的锚杆，它属于自旋式，主要是利用螺旋丝的多点接触力传递荷载的。锚杆以自攻旋进形式进入岩土体中，杆体上的螺旋丝深深嵌入岩土体，形成多点接触结构。由于杆体上螺旋丝与岩土紧密接触和相互挤压，产生比较大的摩擦力，当岩土体沿锚杆杆体方向平移时，产生比较大的摩阻力和剪切力，增加岩土体的自稳性，防止岩土体形变。•3.2锚固原理•自攻式深基坑可回收锚杆的抗拔力经过研究由三方面组成：破坏面内岩土体的自身重量、破坏面上剪应力合力的垂直分量和锚杆自身的重量。通常锚杆的重量远远小于拉拔力，可以忽略不计。•通过理论和试验研究，锚杆在进行破坏拉拔时，破坏面的形状是比较复杂的，受多种因素影响。可将破坏面简化成圆筒形，圆筒行可以看成是锥形的特例。•锚杆的螺旋体的抗拔力由三部分组成：锚杆与岩土体的摩擦力、螺旋丝剪切阻力和圆柱破坏面的摩擦力组成。3.3抗拔力计算•抗拔力计算公式是根据锚杆所引起的破坏面推导出来的，首先需要用FLAC3D软件模拟锚杆破坏的破坏面，得出的锚杆破坏面形状如下：•图4.1锚杆破坏面情况在进行计算公式推导之前，对实际的破裂面进行一定的理论简化。通过分析研究，可以把实际破裂面简化成锥形，进行理论研究。简单的说，就是将实际曲线简化为与螺旋叶片边缘相交，与水平面夹角为θ的斜线。•在进行理论分析时，做了三条假设，假设如下：•（1）岩土体是均匀介质，各个方向性质一样，本构关系为非线性；•（2）螺旋叶片是薄的，并而是刚性的，假定不变形；•（3）锚杆自重远远小于拉拔力，假定计算时不计。简化的锚杆破坏面的受力情况测压系数的曲线锚固力的实测值和公式计算值的比较•4生产工艺和设备的改进4.1扭矩安装4.2螺旋结构可行性试验4.3生产工艺和设备的改进•4.1扭矩安装•自攻式深基坑可回收锚杆是一种自旋螺旋锚杆，由于这种锚杆的特殊性，它的安装工艺及施工设备与其它类型的锚杆完全不同，安装锚杆需要施加一定的安装扭矩和轴向压力，在旋转运动作用下旋入土层中，因而安装扭矩是这种锚杆施工过程中的重要参数。•安装锚杆的设备比较特殊，钻机的最大扭矩力是施工的重要参数指标。安装锚杆的扭矩力受影响的因素很多，主要有：锚杆自身几何形状，施工的地质条件，施工的工艺等。确定锚杆的扭矩力是一个技术研究方向，需要科学依据。原地旋转简化计算模型。•4.2螺旋结构可行性试验•(1)可行性试验•试验1•试验主要设备：手持式风炮，手持式电动锚杆钻机，拉拔器，小型加固腰梁等•试验设备•试验2•试验主要设备：潜孔钻机，拉拔器，小型加固腰梁等•4.3生产工艺和设备的改进••4.3.1热轧制作特种异性三角钢丝技术+•4.3.2锚杆绕丝机的研发创新••5施工工艺和设备的改进•5.1施工工艺的改进•1、锥形六方连接技术•锚杆整体抗拔力的薄弱部位有两个：一组两个连接件之间的连接部位；锚杆杆体与连接件的焊接部位。•针对以上两个薄弱环节，进行加固处理。•2、泥浆护壁引孔技术•在施工过程中，为了降低扭矩力，提高施工效率，降低设备功耗，在满足锚杆设计抗拔力的要求下，先用小直径钻杆成引孔，再进行锚杆安装，极大的降低锚杆安装的摩阻力。•3、高压水冲孔技术•为了在施工中，快速成引孔，结合原有工程施工经验，设计研制了小直径钻杆成孔技术和高压水冲孔技术。•5.2施工设备的改进•1、高效耐压注水器：合理选择密封件，提供耐用效果可回收锚杆在工程应用中遇到一系列的技术问题，通过解决这些技术问题，设计制作了三种专用施工设备和机具：高效耐压注水器、便携锚杆钻机（MG-28），小型高压泥浆泵（三缸）。这三种机具设备在施工中的应用，提高了施工效率，降低了用工量。+•2、便携锚杆钻机MG-28•研究设计一种重量在30kg以内，1～2人就能操作的，扭矩力大，能安装加力杆，钻速高，能注浆的轻型锚杆钻机。+•3、小型高压注浆泵（三缸）•小型高压泵技术参数为：流量为20～50L/min，压力为4MPa-10MPa，动力为电动2.2kw，重量在40～50kg范围内。应优先联轴器驱动三缸柱塞泵。设计改造的高压泵如图：•6可回收性锚杆在工程中的应用6.1工程概况6.2基坑支护结构设计6.3施工准备和施工顺序6.4锚杆施工内容和配合要求6.5锚杆抗拉拔试验•6.1工程概况西安地铁3号线港务区地铁车站可回收锚杆工程应用案例:标准段底板埋深约11.70m，采用明挖法施工。地层以砂层为主。•6.2基坑支护结构设计基坑支护总体上采用上部“锚杆墙”，下部排桩加锚杆的支护型式，锚杆采用可回收锚杆。支护断面如图7.2所示：•6.3施工准备和施工顺序•6.4锚杆施工•（一）可回收锚杆施工工艺•钻孔机具进场→钻孔机械安装就位→钻孔→打设→加围檩→试张拉→张拉、锚固→回收•（1）安规定位置进行放坡开挖，预留一定的富余量，人工开挖和机械开挖应该相互配合和补充。•6.5锚杆施工的配合要求：主要是与土方开挖的配合施工•6.6锚杆抗拉拔试验锚杆支护施工必须进行锚杆的