科学技术与工程
1671 — 1815(2017)07-0128-06
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 7 Mar. 2017
© 2017 Sci. Tech. Engrg.
天文学、地球科学
一种用于地质灾害快速锚固的钢质锚墩
研究及工程应用
宋军
m’3王全成2#3
程英建2#3张勇2#3杨栋2#3
(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室1 (成都理工大学）$成都610059;中国地质科学院探矿工艺研究所2 $成都611734;
中国地质调查局地质灾害防治技术中心3 $成都611734)
摘要为实现地质灾害快速处置，通过结构设计、数值模拟和室内试验，提出了一种用于地质灾害快速锚固的钢质锚墩，以
改变传统现场配筋和浇筑形式，节省锚固工程锚墩浇筑周期。通过工程应用表明，该新型锚固技术可提升施工效率50%，增 强了边坡锚固施工的安全性和环境友好度。
关键词钢质锚墩 快速锚固 结构设计
中图法分类号P642.22; 文献标志码A
地质灾害治理
预应力锚索锚固工程是一种常用的地质灾害防 治技术[1]，它可以将地质病害治理与坡面柔性防护 有机结合，灾害体深层控制与坡面防护协同作用，既 能达到防治高边坡病害的目的，又可增大绿化面积，美化环境，实现工程建设与自然环境的和谐统一。
然而，目前工程中普遍采用现场配筋和现场浇 筑形式[,]，由于现浇混凝土锚墩需要现场支模、配 筋、浇注及养护等工序，施工周期较长，工艺复杂，且 需要一定的养护周期才能达到锚固锁定所需要的承 载能力。从施工开始，锚索真正起作用的时间大概 需要近一个月，无法满足突发滑坡灾害快速加固的 需要。
近年来，快速锚固技术的研发成为了工程界研 究的热点[—]，具有广阔的应用前景。在水利水电 工程领域有少量钢质锚墩的应用报道[8,9]，主要用 于地下发电厂房的快速加固，但由于结构复杂、尺寸 重量大，并不适用于地质灾害的应急防治。因此，针对现有技术的不足，通过结构设计、数
2016年9月13日收到
国家科技支撑计划课题(2012BAK10B02)
值模拟、室内测试及工程应用，提出了一种新型的钢
质锚墩结构和技术方法。该技术适用于500 锚
kN
固力以下的地质灾害边坡快速加固，亦可用于施工 条件恶劣的陡坡及风景区边坡处置，以此达到缩短 工期和保护环境的目的。
23
1
钢质锚墩结构设计
钢质锚墩总体思路是实现锚墩的预制，现场直
接安装，与锚索配合使用。为方便搬运及安装，锚墩 结构以小型轻量化为原则。根据实践经验和前人研 究，以承载力为500 级碎石土地基为服务对象，
kN
初步拟定了 3种结构形式（如图1)，通过对其结构 力学参数进行验算，以确定更为合理的结构形式。 1.1设计荷载
锚索拉力设计值7 = 500 要求[，]，超张拉按
47
A取600 kN。
1011120%
kN，根据相关规范的
计，构件承载力设计值
1.2结构尺寸设计和验算
钢质锚墩底板尺寸由底板形状和地基承载力特 征值确定，由于压应力应小于地基承载力特征值
和国土资源部公益性行业科研专项（201511051)资助
第一作者简介:宋军(1963—)，男，博士，高级工程师。研究方向：
探矿工程及地质灾害防治技术。E-mail: songj+un801@163. com。引用格式：宋军，王全成，程英建，等.一种用于地质灾害快速锚 固的钢质锚墩研究及工程应用[J] •科学技术与工程，2017，17(7): 128—133
Song Jun，WangQuancheng，Cheng Yingian， et al. The research and application of steel anchorage block in geo-hazard quick anchoring [ J ] • Science Technology and Engineering，2017, 17(7): 128—133
%ma % .7/(22 = +孑/4)
由式（1)确定：
1
< /，经过推导
ak，2
式（)中，7为锚索拉力设计值；.为安全系数，取 1. 2 ~ 1.3;/为边坡地基承载力特征值；为底板
kN，可使用4 a 5根锚索，则钢质锚墩预留孔开孔直径70 ~ 80 mm;
中部开孔直径，由于锚索设计为500
aB
7期宋军，等& 一种用于地质灾害快速锚固的钢质锚墩研究及工程应用
129
2
根据边坡岩土体参数和设计荷载大小，一般应满足
% 600
mm0
Table 1 The structure size of different structure types
主要结构参数
底部垫板I!/mm顶部开孔直径B/mm顶部垫板直径l2/rnm外支撑筒外径13/mm外支撑筒外径14/mm肋板厚度'/mm底部垫板厚度'/mm顶部垫板厚度'/mm内外筒设计厚度'/mm
方案1
80085250--91215-方案 290085250--121221-方案39008530030085-20105
表1
各方案结构尺寸参数表
顶部圆形垫板直接承受锚索挤压荷载，由钢板 抗压强度校核，其半径'由式()确定：
2
式()中，/为垫板钢材的抗压强度设计值；'为顶 板半径;顶板的尺寸还应考虑上部承压板的操作空 间，一般'％ 〇
2y
200mm
顶部圆形垫板也应满足抗剪强度要求，经过推 导，顶板厚度
C
由式(3)确定
足垫板抗剪强度、抗压强度、最小地基承载力和底板 挠度等力学参数的标准。
1'结构内力验算
结构内力主要包括自重、地基承载压力、挠度 等，其中地基承载平均压力和底板外缘最大挠度，为 衡量钢质锚墩结构可靠性的关键指标，其验算式分 别为
式(3)中，/为垫板钢材的抗剪强度设计值；d为预 留锚索孔半径
v
，d = B?〇
肋板群由4块分布于底部垫板对角线至中心预 留锚索孔之间、端部相互垂直的直角梯形钢板组成， 其厚度
C
应满足抗压强度要求
A % _J
c〇 底板必须满足构件正常使用的变形要求，
EG &腿％ 通过3种结构形式的设计和不断校核调整，确 定以下设计结构参数值如表所示，所有方案均满 E4 max 8 —J 1.27 (、 - + (了） B2 (5) --- El () 6 式中，％为平均压力， mm2; J MPa; J 为锚索拉力作用面积，2。 mm 为底部垫板面积， 通过结构内力验算（表2)，3种方案均满足强 度和变形的要求，但由于方案3自重和底板边缘最 1 130 科学技术与工程17卷 Table 2 表Comparison of the basic situation in&各方案基本情况对比表 different schemes 方案底面积/平均压力/ 白重/ 最大挠 底板肋板mm$MPakg 度/mm形状 数量1994 3$90.945 8$. 971.14方形4$1 1$4 7$60.95 80. 871.$1圆形33 1 1$4 7$6 0.95 104. 576. $4 圆形 - 大挠度均大于另$种方案，以轻量、可靠的原则在结 构上推荐方案1和方案2 。! 4锚墩间距设计 根据工程经验，钢质锚墩的间距！应为3〜 4 J ，选用梅花形布置如图$所示，可单独与锚索配 合使用，也可用钢缆连接增强整体性。为使钢质锚 墩外观美观，mm 且保证一^定强度，锚墩总高度宜为$00 〜300 。 图2 锚墩平面布置示意图 Fig; The plane layout of anchorage blocks ! A 锚墩防腐设计 钢质锚墩各部分用焊接连接，采用Q $35钢板 进行二氧化碳保护焊制作，采用热镀锌工艺做防腐 处理，延长使用寿命。 2 三维空间仿真模拟 使用 ANSYS有限元分析软件对方案1和方案 $构件进行三维仿真模拟（见图3、图4#，使用实体 建模计算进行建模，采用45号单元进行网格划分及 计算。锚墩结构尺寸见表Q1 ，锚墩底部、顶部垫板以 及腹部肋板均采用235钢材，钢材弹性模量F ] $F. 0 X 105 MPa3MPa，泊松比M % 0. 3 %地基参数:弹性模量 =1.0x10;泊松比M =0.3。荷载组合值7 为500 kN，锚索超张拉系数1. $，故承载力设计值XA 取600 kN。模拟边界条件为10 m X 10 m 3 m的 碎石土地基，仅在地基土边界施加位移约束。通过数值分析，呈现如下特征：①$种方案均 能满足设计地基承载力600 kN 级条件下的强度及 Nodal Solution Step=l Sub=l Time=l USUM (AVG) Rsys=0 DMX=2.012 SMX=2.012 Nodal Solution 0 0.447 202 0.894404 1.342 1.789 0.223 601 0.667803 1.118 1.565 2.012 位移 /mm POST1(a)位移云图 Sub=l 距中心孔水平距离/_ (b)挠度分布曲线 图3位移云图和挠度分布曲线（方案1)Fig. 3 The distribution curve of displacement and deflection about scheme 1 变形的要求；②$种方案最大应力位于支撑筒与底 板交界处，最大点位移均出现在底板边缘上，100kN 位于两 肋板正中间；③承载力在 以下时点位移均 呈现指数型上升，方案$的增长幅度大于方案1 ，而 承载力在100 kN 以上逐级加载点位移呈近线性增 长，整体上方形底方形底板钢质锚墩的变形量更小。 结合受力特征点和安装施工便捷上考虑，1选定方案 作为最终结构设计形式。 3 室内静载试验 按照最终确定的结构形式制作成品，通过室内 静载试验，验证构件的静载特征和工作性能，并制定 施工工艺。 按照设计要求，裁切相应规格型号的钢板，对焊 接端面做机加工切削及剖口处理。将钢板进行焊接 成型，焊缝和表面做打磨处理后喷涂防锈漆，保护钢 质锚墩表面。在钢质锚墩表面贴应变片，用于检测 试验过程中钢质锚墩各部位的应变，试验测点分布 见图 5 。 钢质锚墩制作好后，将钢质锚墩安放在锚索张 拉模拟试验台架上，室内模拟钢质锚墩张拉受力装 7期宋军，等& 一种用于地质灾害快速锚固的钢质锚墩研究及工程应用 131 Nodal SolutionStep=lSub=lTime=lUZ (AVG)Rsys=0DMX=7.809SMN=0.259SMX=7.807 -0.259xl〇3 1.735 3.47 5.205 6.94 0.067 218 2.602 4.337 6.072 7.807 位移 /mm p〇sxl (a)位移云图 Sub=l 7.803Time=l 7.027PATH PLOT 6.254 NOD 1=61 5.481NOD2=328 4.703 B 3.925 § 3.162 ^ 2.383 1.616 0.843 0.07 0 83.002 165.664 249.006 332.009 415.015 距中心孔水平距离 /mm (b)挠度分布曲线 图4 位移云图和挠度分布曲线（方案2)Fig. 4 The distribution curve of displacement and deflection about scheme 2 置，其架设在工作试验平台上，先预张拉锁定，后逐 级加力，对锚索体进行分级张拉，每增加一级，都要 稳压5〜10 min ，荷载逐步增加情况下，通过应变传 感器及百分表来采集数据。 从室内试验结果（图6 #来看：①钢质锚墩的极 限承载力超过设计承载力，加载至 （00 kN时最大挠 度仅1. 89 mm，仍小于设计最大允许挠度5. 33 mm， 能正常发挥其功用；②位移变化率由快到慢，泡沫 垫板的压缩贡献了前几级加载绝大部分位移，而当 泡沫板的压缩基本完成之后，测点位移的变化明显 降低；③肋板与底板相接处的位移小于相邻两肋 板中心；④由各测点的位移挠度曲线可见，挠度随 张拉力的增大而增大，且钢质锚墩在各个方向的挠 度有所不同，但差异不大。 4 工程应用 快速锚固技术，在四川省苍溪县新观乡中石油 川西北气矿“龙16井井场”地质灾害应急治理工程 中得到应用。 龙16井场位于斜坡西北侧底部（图7)，斜坡倾 向305°，岩层产状275° &6 °，斜坡结构平缓层状斜 图5 制作钢质锚墩及静载测试Fig. 5 Process of steel anchorage block machining and static-load tests 1 —♦—w —•—3 二 w 4二 w 5 w 6 7 w W 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 张拉力 /kN 图6位移随张拉力的变化 Fig. 6 The stress-displacement curve of tests 坡，岩性为厚层砂岩、泥质粉砂岩与泥岩互层。原始 状态下坡体整体稳定性相对较好，后期受公路建设 开挖所致，形成高度约为5〜20 m的人工边坡，共发 育3处危岩带，总体规模220 m3。受开挖卸荷和降 雨条件等不利因素影响已产生上部零星掉块及局风 化剥落。 根据危岩的发育特征和威胁对象位置关系，SNS 设 计中选取“柔性主动网\\锚索+随机锚杆”的 方式进行工程治理。由于施工周期限制，且缺少危 岩崩落缓冲空间，不宜开展大规模清坡，锚固工程选 132 科学技术与工程17卷 图7 井场后山危岩分布发育特征Fig. 7 The growth characteristics of perilous rocks at Long 16# wellsite 用了本项目研究的钢质锚墩。锚索、锚杆间距纵向 4 m，横向间距4 m，梅花形布置。钢质锚墩规格为 800 mmx 800 mm。主动网采用GPS柔性主动防护 网（主动网自带2 m的系统锚杆，横纵间距为2 m#， 面积共410 m2,如图8所示。 图8 工程竣工照 Fig. 8 Panorama view of the project completion 钢质锚墩施工流程为:刻槽、清基底'垫层找 平'安装钢质锚墩'整体连接'张拉锁定。其中， 刻槽、清基底必须使锚索轴线与基底垂直;垫层找平 可用细沙、橡胶板等，使钢质锚墩与基底更好地接 触;锚墩安装完成后，可使用钢缆穿过肋板上预留的 孔进行整体连接。 锚索张拉过程中，实际最大张拉力达390 k<， 超张拉设计锚固力的1. 3倍，张拉过程中及张拉锁 定后，未发现地基有开裂沉陷变形迹象，未发现钢质 锚墩有明显挠曲变形迹象，说明其结构形式可靠 性高。 相比常规的锚固工程现场浇筑钢筋混凝土锚 墩，采用这类钢质锚墩施工时，下锚、注浆后，不需要 现浇承力锚墩，直接安装钢质锚墩后即进行了锚索 的张拉锁定，大幅度缩减了施工时间，为项目节约了 15〜20d工期（一般需要30〜40 d)。及时发挥了 锚索锚固作用，达到快速加固危岩边坡，有效消除了 井场的安全隐患，保证了井场的正常生产活动。 5 结语 在总结传统锚固技术不足的基础上，通过 500 k<级的钢制锚墩研究，完成了锚墩结构设计和 装备研制，并成功实现工程示范应用，取得良好效 果。这种新型锚墩结构与技术方法，尤其适用于突 发地质灾害边坡及清坡受限边坡的快速加固。 相对传统锚固技术存在以下优势： (1#省掉现场浇筑钢筋混凝土锚墩的施工环 节，缩减了 15〜20 d施工工期，施工效率提高 了 50'。 (2#该构件能够实现在边坡加固施工中快速组 装和高强承载，便于利用预留孔连接格构梁、钢缆或 护网等多种搭配使用。 (3#不需大面积开挖清坡，可解决震后施工条 件恶劣的高陡边坡和需要顾全生态景观的景区边坡 加固的问题。 后期还需从钢质锚墩结构和材料入手，进一步 开展优化研究，提高承载力、减轻单体重量、降低经 济成本。 参考文献 1 祝介旺，庄华泽，李建伟，等.大型边坡加固技术的研究.工程 地质学报，2008% 16(3#& 365—370 Zhu J W，Zhuang H Z，Li J W，et al. 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China； Inst of Exploration Technol，CAGS2，Chengdu 611734，P.R. China； Technical Center for Geological Hazard Prevention h Control，CGS3，Chengdu 611734，P. R. China) Abstract ] It has a bright application prosj^ect of quick anchoring techniques. Based on the selection of structure designs and static-load tests，a new structure of steel anchorage block and its technique are put forward to realizequick anchoring in geo-hazard preventions as well as smooth-limited slopes， which changes the traditionalgeotechnical anchorage form of site-reinforcement and site-jDouring. According to the engineering technique，it not only has a 50' increase in construction efficiency，but strengthens the construction safety and theenvironmental friendliness.(Key words ] steel anchorage block quick anchoring structure design geo-hazard prevention ( application 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容