用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构及设计方法与流程

本发明涉及一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构，另外还涉及一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构的设计方法，属于滑坡治理工程技术领域。

背景技术：

锚索结构作为岩土锚固技术的核心组成部分，从锚索受力后固定段灌浆体的受力方式，可以分为拉力型锚索和压力型锚索两种。

在常见的滑坡防治措施中，通过锚固段嵌入滑床稳定岩土中，中部设置自由段，表层与框格梁等反力装置配合使用，能实现表层防护及深部加固的统一。但在特殊的工况下，如地震、冻融循环下季节性冻土冻胀融沉往复变形等，可能会因产生预应力损失过大而失效，或锚固力突然增大过多锚索框架结构破坏而失效。如季节性冻土区的锚杆冻结期最大拉力可达受冻前的2-3倍，融化后预应力损失过大，可能发生无任何征兆的冻融局部滑塌。

由于这类滑坡存在的环境相对复杂，岩土性质特殊，作用机理复杂，目前框架锚索技术应用于这类滑坡治理时，往往通过加大框架梁柱、锚索截面尺寸或锚固体长度来提高边坡的稳定性，该措施既造成材料浪费严重，又不能解决滑坡双向变形时锚索的耐久性及可靠性，会给滑坡防治工程埋下较大的安全隐患。

申请号为：cn201611262415.1，公开号为：cn106522250a的发明专利公开了一种适宜于冻土区冻融边坡加固的预应力锚固结构，包括垫墩，所述垫墩左侧的顶部和底部均设有坡面，所述垫墩的左侧设有钢垫板，所述钢垫板的左侧设有冻融适应弹性垫圈，所述冻融适应弹性垫圈的左侧设有锚具，所述锚具、冻融适应弹性垫圈和钢垫板的外侧套设有保护外壳，垫墩的右侧设有碎石防冻层，所述碎石防冻层的右侧设有自取段。该发明通过设置的冻融适应弹性垫圈和碎石防冻层，来对锚索在使用时起到防止变形的作用；但是，该锚固结构在使用时，通过弹性垫圈和钢垫板来实现防止锚索变形的目的，其自动调节预应力效果较差；同时，其行程太小，调节预应力范围。

因此，亟需研究可适应季节性冻土滑坡不同工况可自动调节预应力的新型锚索结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中锚索不能适应季节性冻土滑坡不同工况进行自动调节预应力的缺点，提供一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构，该锚索结构在使用时能够根据特殊岩土体滑坡不同工况(季节性冻土冻胀融沉状态)自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性；

另外，本发明还公开了一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构的设计方法，便于实现锚索结构的设计制造。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

(一)本发明的基本构思如下：

本发明主要由碟簧蓄能系统、退位卡套、安全卡套、防护套筒、钢绞线、架线环、注浆管及导向帽组成。

其中，碟簧蓄能系统主要由叠合、对合组合而成的碟簧构件组成，其有效荷载、极限荷载、有效行程及极限行程均应按锚索参数指标要求设计；其主要功能为蓄能，在岩土体产生向坡内位移时减少预应力损失；当岩土体产生向坡外位移时减少锚索轴力的增量；

退位卡套主要挤压套及特制的弹簧钢丝组成，起始退位压力可按需设定；

安全卡套主要由特制挤压套组成，卡套与钢绞线紧密接触，在钢绞线破断前不会滑脱；

防护套筒主要由圆柱壳体加封底板，用于保护退位卡套、安全卡套；

其中，需要说明的是，钢绞线、架线环、注浆管及导向帽均按传统锚索制作方式制作。

(二)本发明的具体方案如下：

一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构，包括碟簧蓄能系统、退位卡套、安全卡套、防护套筒、钢绞线、架线环、注浆管、承力转换板和导向帽；防护套筒包括呈圆柱状结构的壳体和连接在壳体底部的封底板；防护套筒构成锚索结构的自由段，钢绞线一端通过若干架线环连接后在端部连接一导向帽，钢绞线、架线环及导向帽构成锚索结构的锚固段；承力转换板设置在防护套筒内，承力转换板有两个，承力转换板之间通过连接部连接；锚固段的钢绞线依次穿过封底板及右侧的承力转换板后在该钢绞线的端部紧密连接一安全卡套；碟簧蓄能系统为蓄能部件，在岩土体产生向坡内位移时减少预应力损失以及岩土体产生向坡外位移时减少锚索轴力的增量；碟簧蓄能系统位于防护套筒左端并通过一锚具连接有钢绞线，钢绞线延伸进防护套筒内并穿过左侧的承力转换板后连接有退位卡套及安全卡套；注浆管穿过防护套筒侧壁及左、右侧承力转换板后，注浆管端部延伸至锚固段底部。

进一步优化，碟簧蓄能系统主要由单片碟簧以叠合、对合的方式构成。

在本发明中，退位卡套主要由挤压套及弹簧钢丝组成，退位卡套的初始退位压力能够按需设定。

其中，安全卡套包括挤压套，挤压套与钢绞线紧密连接。

本发明还公开了一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构设计方法，其具体包括如下步骤：

步骤1：进行滑坡勘察，查明滑坡岩性及各种工况下可能产生的指向坡内、坡外变形量，设计锚索长度及吨位；

步骤2：完成步骤1后，设计碟簧蓄能系统的有效荷载、极限荷载、有效行程、极限行程及碟簧蓄能系统等效弹力系数；

步骤3：根据步骤2结果参照《机械手册》，根据碟簧蓄能系统的有效荷载、极限荷载、有效行程、极限行程及碟簧蓄能系统等效弹力系数进行碟簧结构设计；

步骤4：根据极限荷载、极限行程设计安全卡套及退位卡套；当地震或者大变形作用锚固力大于设计屈服力n1时，退位卡套发挥作用，可维持工作锚固力n0。

进一步说明，步骤2的具体过程如下，

对于张拉锁定状态以锚具为研究对象，其力学平衡状态为：

式中，e-钢绞线弹性模量；l-钢绞线自由段长度；δl-张拉过程中钢绞线伸长量；n-钢绞线数量；s-钢绞线有效面积；k-碟簧蓄能系统等效弹力系数；x0-张拉过程中碟簧蓄能系统压缩量；

当滑坡产生位移为x时，设相对于锁定状态锚索位移增量变化量δx1，碟簧蓄能系统位移增量δx2，则位移显然满足：

δx1+δx2＝x(2)

此时以锚具为研究对象，其力学平衡状态为：

联立式(1)、式(2)、式(3)，得出碟簧蓄能系统等效弹力系数为：

x/δx1越大，则由滑坡产生的位移传递给自平衡锚索的位移越小，所需碟簧蓄能系统等效弹力系数越小，此时锚索内力变化最小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在实际使用时，能够根据特殊岩土体滑坡不同工况(季节性冻土冻胀融沉)自动调节预应力，以确保锚固工程的有效性及耐久性；并且，具有较好的抗震性能。

更重要的是，在实际的使用中，当出现滑坡大变形时，碟簧蓄能系统能够与退位卡套协同作用，提高锚索结构的抗变形能力及抗震性能，进一步确保锚固工程的有效性及耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明在冻胀作用下的整体结构状态示意图。

图3为本发明在滑坡大变形时的整体结构状态示意图。

图4为本发明与普通锚索结构在实际使用中的作用机理图。

附图标记：1碟簧蓄能系统，2注浆管，3防护套筒，4退位卡套；5安全卡套，6封底板，7钢绞线，8锚具，9架线环，10导向帽，11承力转换板，12自由段，13锚固段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例公开了一种用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构，包括碟簧蓄能系统1、退位卡套4、安全卡套5、防护套筒3、钢绞线7、架线环9、注浆管2、承力转换板11和导向帽10；

防护套筒3包括呈圆柱状结构的壳体和连接在壳体底部的封底板6；

防护套筒3构成锚索结构的自由段12，钢绞线7一端通过若干架线环9连接后在端部连接一导向帽10，钢绞线7、架线环9及导向帽10构成锚索结构的锚固段13，本实施例中，架线环9有两个；

承力转换板11设置在防护套筒3内，承力转换板11有两个，承力转换板11之间通过连接部连接；

锚固段13的钢绞线7依次穿过封底板6及右侧的承力转换板11后在该钢绞线7的端部紧密连接一安全卡套5；

碟簧蓄能系统1为蓄能部件，在岩土体产生向坡内位移时减少预应力损失以及岩土体产生向坡外位移时减少锚索轴力的增量；碟簧蓄能系统1位于防护套筒3左端并通过一锚具8连接有钢绞线7，钢绞线7延伸进防护套筒3内并穿过左侧的承力转换板11后连接有退位卡套4及安全卡套5；

注浆管2穿过防护套筒3侧壁及左、右侧承力转换板11后，注浆管2端部延伸至锚固段13底部；即注浆管2端部延伸至导向帽处。

在本实施例中，碟簧蓄能系统1主要由单片碟簧以叠合、对合的方式构成。

其中，退位卡套4主要由挤压套及弹簧钢丝组成，其中弹簧钢丝可以是弹簧，退位卡套4的初始退位压力能够按需设定；其结构具体如下：挤压套内径大于钢绞线7外径，弹簧处于钢绞线7与挤压套中间，挤压时挤压套与弹簧及钢绞线7紧贴，钢绞线7移动时挤压弹簧。

其中，安全卡套5包括挤压套，挤压套与钢绞线7紧密连接。

需要说明的是，在本实施例中，自由段12及锚固段03中钢绞线7的数量相同。

下面结合用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构的设计方法对本发明做进一步说明：

用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1：进行滑坡勘察，查明滑坡岩性及各种工况下可能产生的指向坡内、坡外变形量，设计锚索长度及吨位；

步骤2：完成步骤1后，设计碟簧蓄能系统1的有效荷载、极限荷载、有效行程、极限行程及碟簧蓄能系统等效弹力系数；

步骤3：根据步骤2结果参照《机械手册》，根据碟簧蓄能系统1的有效荷载、极限荷载、有效行程、极限行程及碟簧蓄能系统等效弹力系数进行碟簧结构设计；

步骤4：根据极限荷载、极限行程设计安全卡套5及退位卡套4；当地震或者大变形作用锚固力大于设计屈服力n1时，退位卡套4发挥作用，可维持工作锚固力n0。

其中，步骤2的具体过程如下，

对于张拉锁定状态以锚具8为研究对象，其力学平衡状态为：

式中，e-钢绞线7弹性模量；l-钢绞线7自由段12长度；δl-张拉过程中钢绞线7伸长量；n-钢绞线7数量；s-钢绞线7有效面积；k-碟簧蓄能系统等效弹力系数；x0-张拉过程中碟簧蓄能系统压缩量；

当滑坡产生位移为x时，设相对于锁定状态锚索位移增量变化量δx1，碟簧蓄能系统位移增量δx2，则位移显然满足：

δx1+δx2＝x(2)

此时以锚具8为研究对象，其力学平衡状态为：

联立式(1)、式(2)、式(3)，得出碟簧蓄能系统等效弹力系数为：

x/δx1越大，则由滑坡产生的位移传递给自平衡锚索的位移越小，所需碟簧蓄能系统等效弹力系数越小，此时锚索内力变化最小。

下面结合具体的冻土滑坡的具体防治例子来对本发明做进一步说明：

实施对象：某季节性冻土滑坡；

实施对象的具体情况：平面形态呈舌状，坡向325°，长350m，宽200m，滑面埋深15m～18m，滑体物质为第四系残积(q4^el)黏土，季节性冻土厚度约2.2m，自由冻胀率4％。在有约束的情形下，滑坡的冻胀融沉变形最大值约为30mm，滑床为较稳定泥岩，滑面为基覆界面。

该滑坡拟采用格构锚索工程进行治理，锚索吨位为400kn，锚索采用4根钢绞线7，锚索自由段12长度20m，按照计算，若采用传统锚索，冻胀变形40mm时，可产生冻胀力168kn，锚索及框格可能产生破坏；融沉变形40mm时，可产生预应力损失168kn，锚索预应力损失较大，滑坡防治工程可能失效。

故采用适用于季节性冻土滑坡防治的自平衡锚索结构。

具体的实施步骤如下：

s1：设定设计目标为：x/δx1＝2，即由滑坡产生的位移传递到锚索上时，位移衰减一半，即极端工况下冻胀变形30mm时，仅产生冻胀力84kn；极端工况下融沉变形30mm时，仅产生预应力损失84kn；

s2：根据式(4)，计算自平衡锚索碟簧蓄能系统的等效弹性系数；根据锚索不同的工作状态，设定碟簧蓄能系统1的有效荷载为400kn，极限荷载为550kn，有效荷载对应的位移为30mm，极限位移为60mm；

s3：根据s1结果，按照《机械手册》进行碟簧蓄能系统1结构设计，最终确定碟簧外径250mm，内径112mm，厚度12mm，自由高度19.4mm，配组方式：2片叠合再对合，共需要18片碟环；

s4：设定退位卡套4额定工作荷载为500kn，即锚索大于500kn时，退位卡套4才发挥作用；

s5：按照设计，制作碟簧蓄能系统1，其由单片碟环叠合、对合组合而成；

s6：按照设计规格，制作保护套筒3及封底板6，制作承力转换板11；

s7：按照设计规格，制作退位卡套4，由挤压套及内部弹簧(弹簧钢丝)组成，其结构具体如下：挤压套内径大于钢绞线7外径，弹簧处于钢绞线7与挤压套中间，挤压时挤压套与弹簧及钢绞线7紧贴；制作安全卡套5，其与钢绞线7紧密接触，在钢绞线7破断前不会滑脱；

s8：按照锚索结构示意图组装自平衡锚索结构；首先组装好碟簧蓄能系统1、退位卡套4及保护套筒3，钢绞线7、架线环9、注浆管2及导向帽10均按传统锚索制作方式制作；

s9：按照相关施工规范，搭设排架，按照设计要求的孔径和孔深进行钻孔；

s10：将组装好的自平衡锚索结构下入钻孔内；

s11：按照相关施工规范进行注浆，同时保护孔口；

s12：浆体强度达到设计要求后，先对每根钢绞线7进行预张拉，使其受力均匀，不产生偏心受拉或受力不均的现象。然后按照设计锚固力进行锚索的张拉锁定。

本发明的作用机理请参看图4，在图4中，虚线表示的是传统锚索，实线表示的是智能锚索，即本发明所述的锚索结构。其额定工作锚固力为n0，在滑坡产生指向坡内的形变的工况下(冻土融沉)，碟簧蓄能系统1发挥作用，能补偿大部分由指向坡内位移而引起的预应力损失；在滑坡产生指向坡外的形变的工况下(冻土冻胀)且锚固力小于设计屈服力n1时，碟簧蓄能系统1发挥作用，大大降低预应力增量；当地震或者大变形作用锚固力大于设计屈服力n1时，退位卡套4发挥作用，可维持锚固力n0不急剧增大，保持极端工况下锚索工程的有效性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。