一种岩石锚索自锁锚板结构及安装方法

技术领域

本发明属于基础工程领域，具体涉及一种岩石锚索自锁锚板结构及安装方法。

背景技术

目前内陆地区风场位于山区较多，风力发电机组基础多采用圆形或多边形钢筋混凝土扩展基础，其特点是技术成熟，但在岩石等承载力较高的地质条件下，不能充分利用原状土地基良好的承压特性，该基础形式由基础底面受拉出现的零应力区控制，基础混凝土用量较大，施工时土石方开挖量和对环境影响均较大，且施工时间长。山地地区另一种常用的风力发电机组基础形式为岩石锚杆基础，该基础通过在基础底面设置锚杆并灌浆，将风机基础与基岩连成整体，依靠锚孔内灌浆体与岩孔间粘结力抵抗锚杆的上拔载荷。该基础形式可以很好地承担上部塔筒传来的弯矩，充分发挥基岩的承载能力，但锚杆由于加工运输长度限制、加工周期长、无法根据钻孔实际临时调整长度等，难以广泛应用。

采用岩石锚索代替传统岩石锚杆可避免上述问题，岩石锚索常用材料为钢绞线，钢绞线采购周期短，采用盘带运输，总长几乎无限制，且可以现场根据钻孔实际来下料，可完美适应山地多变的地质条件。

目前的岩石锚索根据其与岩层的锚固方式不同分为半粘结岩石锚索和无粘结岩石锚索：

1、半粘结岩石锚索岩石钻孔底部一般不带扩大头，锚索定位完成后往岩石钻孔内注一定深度的混凝土浆，通过混凝土硬化后与锚索的粘结力锚固索体。

2、无粘结岩石锚索岩石钻孔底部带扩大头，同时索体下端带扩大锚板，锚索定位完成后往岩石钻孔内扩大头注混凝土浆，混凝土硬化完成后，通过扩大头和锚索下端锚板锚固多索体。

由于无粘结岩石锚索避免了在高周疲劳荷载下粘结端分段剥离的问题，因此抗疲劳性能较高，但现实应用中存在岩层过硬，岩石钻孔内扩大头难以施工的情况。

综上，岩石地基中用岩石锚索代替锚杆，有助于适应山地多变的地质条件，承受高周疲劳荷载的基础需采用无粘结岩石锚索提高锚索系统抗疲劳性能，但如果岩层过硬，岩石钻孔内扩大头难以施工，导致无法应用岩石锚索的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种岩石锚索自锁锚板结构及安装方法，以解决现有技术中岩层过硬、岩石钻孔内扩大头难以施工而导致的岩石锚索无法应用的缺陷，实现了无需施工岩石钻孔底部扩大头且无需注浆的锚索无粘结锚固，可应用于中风化及以下岩石地基建立输电线路塔、风力发电塔等。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明第一方面公开了一种岩石锚索自锁锚板结构，该结构包括基础承台、下锚板、环形楔块、锚索和上锚板；

所述的基础承台浇注于岩石钻孔顶面，基础承台上开设有与岩石钻孔对齐的开孔；

所述的锚索锚固于上锚板与下锚板之间；

所述的下锚板为圆锥台，所述的环形楔块环绕抵接于下锚板外部；

所述的上锚板抵接于基础承台表面，所述的环形楔块抵接于岩石钻孔内壁面；

下锚板与环形楔块在锚索的拉力作用下相互抵接，径向分力使环形楔块对岩石钻孔内壁面产生压力，基于环形楔块与岩石钻孔之间的静摩擦力平衡锚索的拉力形成结构自锁。

优选地，所述的锚索为钢绞线，锚索的上端通过上锚头与上锚板锚固，锚索的下端通过下锚头与下锚板锚固，张拉端为锚索的上端。

优选地，所述的环形楔块包括若干弧形块，使环形楔块在外力作用下实现自由径向扩张。

优选地，所述的环形楔块由四块或五块全等的弧形块构成。

优选地，所述的弧形块上开设有贯通的销轴孔，所述的下锚板表面设有与各弧形块相配合的销轴槽，通过销轴穿过销轴孔并插入销轴槽实现环形楔块与下锚板的限位。

本发明第二方面公开了一种安装如上任一所述的岩石锚索自锁锚板结构的方法，安装过程中还使用工装钢管，用于下锚板、环形楔块、岩石钻孔相互顶紧，完成初始接触状态定位；

安装方法包括如下步骤：

S1：在岩石钻孔顶面浇注成型基础承台；在上锚板与下锚板之间支撑工装钢管，并将锚索穿入上锚板和下锚板；

S2：在环形楔块环绕设置于下锚板后，整体下放至岩石钻孔中直至触底；

S3：工装钢管抵接上锚板与环形楔块并对锚索进行预张拉，使下锚板、环形楔块以及岩石钻孔的内壁面之间依次抵接，完成初始定位；

S4：释放锚索预紧力并拆除工装钢管，使上锚板接触基础承台，随后对锚索张拉并完成锚固，形成结构自锁。

优选地，所述的岩石钻孔的深度与锚索的锚固深度相匹配。

优选地，步骤S2中，整体下放前，工装钢管的下端面与环形楔块的上表面之间的间隙小于2mm。

优选地，所述的工装钢管为圆钢管，工装钢管的下端面抵接环形楔块，上端的标高略高于基础承台的上表面。

优选地，步骤S2中，环形楔块通过销轴与下锚板形成临时限位，在环形楔块部分进入基础承台后撤去临时限位。

本发明的工作原理为：

下锚板对环形楔块顶紧力的径向分量即环形楔块对岩石钻孔的挤压力；环形楔块与岩石钻孔的挤压力产生静摩擦抗力，该静摩擦抗力平衡锚索拉力，使锚索、下锚板、环形楔块、岩石钻孔形成自锁。

通过控制下锚头与环形楔块接触面斜率、下锚头与环形楔块接触面的摩擦系数、环形楔块与岩石钻孔接触面的摩擦系数，使环形楔块与岩石钻孔的静摩擦力始终大于锚索拉力，形成自锁条件，锚索无法拔出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明无需对岩石钻孔底部进行扩孔，极大降低无粘结岩石锚索在坚硬岩层中的施工难度，适应性强；

(2)本发明无需注浆，减少了需要在现场控制质量隐蔽工序，安装简单，降低质量控制难度；

(3)本发明通过控制下锚头与环形楔块接触面斜率、下锚头与环形楔块接触面斜率摩擦系数、环形楔块与岩石钻孔接触面斜率摩擦系数，使环形楔块与岩石钻孔的静摩擦力始终大于钢绞线拉力，传力明确；

(4)本发明避免粘结锚固，通过机械自锁锚固索体下端，锚固可靠且抗疲劳性能高；

(5)本发明耗材较少，结构效率高，经济性高；

(6)本发明可用于输电线路塔、风力发电塔等基础，具有较好的抗拔性能和抗疲劳性能，在岩石地基中代替锚杆，有助于适应山地多变的地质条件。

附图说明

图1为岩石锚索自锁锚板结构安装过程的结构剖面示意图；

图2为岩石锚索自锁锚板结构张拉前的结构剖面示意图；

图3为岩石锚索自锁锚板结构安装完成的结构剖面示意图；

图4为岩石锚索自锁锚板结构的结构爆炸示意图；

图中：1-岩石钻孔；2-基础承台；3-下锚板；4-环形楔块；5-下锚头；6-锚索；7-上锚板；8-上锚头；9-工装钢管；10-销轴孔；11-耳板；12-销轴；13-盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种岩石锚索6自锁锚板结构，如图1-4所示，该结构包括基础承台2、下锚板3、环形楔块4、锚索6和上锚板7；

所述的基础承台2浇注于岩石钻孔1顶面，基础承台2上开设有与岩石钻孔1对齐的开孔；

所述的锚索6锚固于上锚板7与下锚板3之间；

所述的下锚板3为圆锥台，所述的环形楔块4环绕抵接于下锚板3外部；

所述的上锚板7抵接于基础承台2表面，所述的环形楔块4抵接于岩石钻孔1内壁面；

下锚板3与环形楔块4在锚索6的拉力作用下相互抵接，径向分力使环形楔块4对岩石钻孔1内壁面产生压力，基于环形楔块4与岩石钻孔1之间的静摩擦力平衡锚索6的拉力形成结构自锁；

一种安装如上的岩石锚索6自锁锚板结构的方法，如图1-4所示，安装过程中还使用工装钢管9，用于下锚板3、环形楔块4、岩石钻孔1相互顶紧，完成初始接触状态定位；

安装方法包括如下步骤：

S1：在岩石钻孔1顶面浇注成型基础承台2；在上锚板7与下锚板3之间支撑工装钢管9，并将锚索6穿入上锚板7和下锚板3；

S2：在环形楔块4环绕设置于下锚板3后，整体下放至岩石钻孔1中直至触底；

S3：工装钢管9抵接上锚板7与环形楔块4并对锚索6进行预张拉，使下锚板3、环形楔块4以及岩石钻孔1的内壁面之间依次抵接，完成初始定位；

S4：释放锚索6预紧力并拆除工装钢管9，使上锚板7接触基础承台2，随后对锚索6张拉并完成锚固，形成结构自锁。

更具体地，本实施例中：

该结构包括浇注成型于岩石钻孔1开口处的基础承台2、抵接于基础承台2上表面的上锚板7、抵接于岩石钻孔1内壁面的环形楔块4、抵接于环形楔块4内的下锚板3以及锚固于上锚板7和下锚板3之间的锚索6。

岩石钻孔1的钻孔深度与锚索6设计的锚固深度相匹配，并且岩石钻孔1的底部无需进行扩孔；基础承台2开设有与岩石钻孔1相通且相匹配对齐的开孔，能够将本结构置入岩石钻孔1中。

锚索6采用钢绞线，钢绞线上端通过上锚头8锚固于上锚板7，钢绞线下端通过下锚头5锚固于下锚板3，张拉端为钢绞线上端。

环形楔块4由四部分弧形块组合构成，以纵向形式切分，使环形楔块4在外力作用下能够实现自由径向扩张。每一块弧形块上分别开设销轴孔10，对应的于下锚板3表面开设四个销轴槽，通过销轴12穿过销轴孔10并插入至销轴槽内可对环形楔块4与下锚板3构成临时定位。

下锚板3与环形楔块4在钢绞线拉力作用下相互顶紧，下锚板3对环形楔块4顶紧力的水平分量即环形楔块4对岩石钻孔1的挤压力。

环形楔块4与岩石钻孔1的挤压力产生静摩擦抗力，该静摩擦抗力平衡钢绞线拉力，使钢绞线、下锚板3、环形楔块4、岩石钻孔1形成自锁。

控制下锚头5与环形楔块4接触面斜率、下锚头5与环形楔块4接触面摩擦系数、环形楔块4与岩石钻孔1接触面摩擦系数，使环形楔块4与岩石钻孔1的静摩擦力始终大于钢绞线拉力，形成自锁条件，钢绞线无法拔出。

岩石锚索6自锁锚板结构的安装方法，安装过程需用到工装钢管9，具体为：

在工厂完成下锚板3、环形楔块4、下锚头5、钢绞线、上锚板7、上锚头8以及工装钢管9的制造。

现场对地基(岩层)进行钻孔，钻孔深度应满足锚索6设计锚固深度，岩石钻孔1底部无需进行扩孔。

浇筑基础承台2，预留基础承台2孔与岩石钻孔1对齐。

将钢绞线穿入上锚板7、工装钢管9、下锚板3，完成下锚头5安装。

将钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5整体起吊，定位至基础承台2上表面，分体的环形楔块4与下锚板3通过固定销轴12形成临时固定，控制工装钢管9下端与环形楔块4上表面间隙小于2mm。

撤除基础承台2孔上盖板13，将钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5、环形楔块4整体下放，当环形楔块4部分进入基础承台2孔，拔出临时固定销轴12，继续下放至下锚头5下表面接触岩石钻孔1底部。

工装钢管9上端顶紧上锚板7下表面，下端顶紧环形楔块4上表面，对钢绞线进行第一轮张拉，使下锚板3、环形楔块4、岩石钻孔1相互顶紧，完成初始接触状态定位。

释放钢绞线预紧力，借助工装钢管9上的耳板11拆除工装钢管9，上锚板7下表面接触基础承台2上表面，对钢绞线进行正式张拉，完成上锚头8锚固于上锚板7，形成岩石锚索6锚固体系。

工装钢管9下端顶紧环形楔块4，工装钢管9上端标高略高于基础承台2上表面。

应用例1

1)在工厂完成下锚板3、环形楔块4、下锚头5、钢绞线、上锚板7、上锚头8以及工装钢管9的制造。

2)现场对地基(岩层)进行钻孔，钻孔深度应满足锚索6设计锚固深度，岩石钻孔1底部无需进行扩孔。

3)浇筑基础承台2，预留基础承台2孔与岩石钻孔1对齐。

4)将钢绞线穿入上锚板7、工装钢管9、下锚板3，完成下锚头5安装。

5)将钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5整体起吊，定位至基础承台2上表面，1分为4的环形楔块4与下锚板3通过固定销轴12临时固定，工装钢管9下端与环形楔块4上表面间隙小于2mm。

6)撤除基础承台2孔上盖板13，钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5、环形楔块4整体下放，当环形楔块4部分进入基础承台2孔，拔出临时固定销轴12，继续下放至下锚头5下表面接触岩石钻孔1底部。

7)工装钢管9上端顶紧上锚板7下表面，下端顶紧环形楔块4上表面，对钢绞线进行第一轮张拉，张拉力为70％锚索破断力，使下锚板3、环形楔块4、岩石钻孔1相互顶紧，完成初始接触状态定位。

8)释放钢绞线预紧力，拆除工装钢管9，上锚板7下表面接触基础承台2上表面，对钢绞线进行正式张拉，分两次完成，第一次张拉力为锚索50％设计拉力，第二次张拉力为锚索100％设计拉力，钢绞线上端通过上锚头8锚固于上锚板7，形成岩石锚索6锚固体系。

应用例2

1)在工厂完成下锚板3、环形楔块4、下锚头5、钢绞线、上锚板7、上锚头8以及工装钢管9的制造。

2)下锚板3中心开注浆孔，孔径约50mm。

2)现场对地基(岩层)进行钻孔，钻孔深度应满足锚索6设计锚固深度，岩石钻孔1底部无需进行扩孔。

3)浇筑基础承台2，预留基础承台2孔与岩石钻孔1对齐。

4)将钢绞线穿入上锚板7、工装钢管9、下锚板3，完成下锚头5安装。

5)将钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5整体起吊，定位至基础承台2上表面，1分为5的环形楔块4与下锚板3通过固定销轴12临时固定，工装钢管9下端与环形楔块4上表面间隙小于2mm。

6)撤除基础承台2孔上盖板13，钢绞线、上锚板7、工装钢管9、下锚板3、下锚头5、环形楔块4整体下放，当环形楔块4部分进入基础承台2孔，拔出临时固定销轴12，继续下放至下锚头5下表面接触岩石钻孔1底部。

7)工装钢管9上端顶紧上锚板7下表面，下端顶紧环形楔块4上表面，对钢绞线进行第一轮张拉，张拉力为100％锚索设计拉力，使下锚板3、环形楔块4、岩石钻孔1相互顶紧，完成初始接触状态定位。

8)释放钢绞线预紧力，拆除工装钢管9，上锚板7下表面接触基础承台2上表面，对钢绞线进行正式张拉，分两次完成，第一次张拉力为50％锚索设计拉力，第二次张拉力为100％锚索设计拉力，钢绞线上端通过上锚头8锚固于上锚板7，形成岩石锚索6锚固体系。

9)往下锚板3中心注浆孔灌注细石混凝土或砂浆，对下锚头5、下锚板3、环形楔块4进行防护，避免腐蚀。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。