[发明专利]预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法

说明书

预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，以有效提高封锚混凝土块抗冲击能力及安全系数，解决预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计无理论依据问题。包括如下步骤：S01.收集预应力锚杆设计参数，包括锚杆横截面面积、单位长度重量、弹性模量、抗拉强度、张拉前自由段长度；S02.按下式计算预应力锚杆自由段断裂且所储存的应变能完全释放时锚头侧自由段自由端的速度v₂：S03.建模和动力分析，初步拟定锚头处封锚混凝土块尺寸及混凝土强度等级，建立有限元或有限差分数值模型进行动力分析，以检算预应力锚杆自由段断裂不同工况下封锚混凝土块的冲击应力；S04.确定封锚混凝土块与既有结构之间的锚固方案；S05.设计完成。

技术领域

本发明属于隧道及地下工程和边坡工程结构与围岩之间的锚固技术领域，涉及一种预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法。

背景技术

预应力锚杆（索）一般由锚杆（索）锚固段、锚杆（索）自由段和锚头组成，其中锚头能将锚杆（索）的拉力传递到支承结构面或围岩表面的装置，包括垫板和螺母（锚具）。预应力锚杆（或者锚索，以下统称为锚杆）是一种主动支护结构，可将张拉力传递到稳定的或适宜的岩（土）体中，从而将结构与岩（土）体锚固在一起或加固岩（土）体。

预应力锚杆广泛应用于隧道及地下工程、边坡、基坑等工程，预应力锚杆支护有两种情形，其一是锚喷支护，将预应力锚杆与喷射混凝土、钢筋网、钢架等结构组合使用，一般喷射混凝土层将预应力锚杆锚头完全封闭；其二是预应力锚杆将结构与岩（土）体锚固在一起，比如预应力锚杆锚固铁路隧道上拱段道床、既有洞室结构、基坑维护结构、边坡框梁等。

预应力锚杆与喷射混凝土、钢筋网、钢架等结构组合使用时，锚杆张拉完毕后一般要对自由段锚孔进行充填注浆，注浆材料一方面胶结自由段杆体和孔壁，另一方面对锚杆杆体进行防腐防护。预应力锚杆将结构与岩（土）体锚固在一起时，有的设计对自由段锚孔进行充填注浆，但有的设计未对自由段锚孔进行充填注浆，此时预应力锚杆锚头一般采用混凝土块或钢罩防护。当预应力锚杆自由段锚孔未充填时，破除锚杆锚头封锚混凝土块或钢罩可对锚杆自由段进行再次张拉，重新调整锚杆的工作状态。

埋置在岩（土）体中的锚固结构的使用寿命取决于锚杆的耐久性，而对寿命的最大威胁来自于腐蚀。至今，国内外预应力锚杆腐蚀破坏现象时有发生。1986年前，国际预应力协会地锚工作小组已收到世界各地35例锚杆腐蚀破坏实例，断裂部位多半位于锚头附近及自由段长度处。我国安徽梅山水库的预应力锚杆使用8年后，发现3个孔内部分钢丝因应力腐蚀（兼有氢脆）而断裂。近年来，国内某高速铁路隧道底部结构上拱段采用预应力锚杆锚固，曾发生预应力锚杆杆体断裂或与连接套连接处杆体丝滑，造成锚头混凝土块开裂破坏。从目前收集的典型案例可知，预应力锚杆自由段的破坏模式主要有三种模式，即腐蚀破坏、应力破坏、杆体与连接套滑移破坏。预应力锚杆自由段应力破坏主要是由于地层变形或位移造成预应力筋超应力而发生杆体断裂。

由于预应力锚杆自由段杆体断裂之前储存了大量的应变能，故锚杆自由段断裂时所存储的应变能将转化为自由段杆体的动能，获得动能的自由段杆体将会对锚头封锚混凝土块造成冲击。结构与岩（土）体之间采用预应力锚杆锚固，如果自由段锚孔不充填，则锚头处封锚混凝土块设计是预应力锚杆设计的重要内容，如何保证在自由段杆体破坏情况下封锚混凝土不破坏或破坏后不会造成二次损失（铁路隧道上拱段道床预应力锚杆加固失效引起锚头处封锚混凝土块破坏影响列车运行安全等）是封锚混凝土块设计的重要目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，以有效提高封锚混凝土块抗冲击能力及安全系数，解决预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计无理论依据问题。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，包括如下步骤：