预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法技术

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v

【技术实现步骤摘要】
预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法
本专利技术属于隧道及地下工程和边坡工程结构与围岩之间的锚固
，涉及一种预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，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A0、单位长度重量m0、弹性模量Es、抗拉强度Rm、张拉前自由段长度l0；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：式中，v2为应变能完全释放时锚头侧自由段自由端的速度，单位m/s；A0为锚杆杆体横截面面积，单位m2；m0为单位长度重量，单位kg/m；Es为弹性模量，单位Pa；Rm为抗拉强度，单位N/m2；l0为张拉前自由段长度l0，l10为锚孔内侧自由段变形前原长度，l20为锚头侧自由段变形前原长度，单位m，且l0＝l10+l20；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；当各种工况分析结果表明封锚混凝土块的拉应力σ均小于或等于容许拉应力[σt]时，则封锚混凝土块尺寸及混凝土强度等级满足设计要求；否则，重复该步骤继续进行和建模动力分析，直至封锚混凝土块尺寸及混凝土强度等级满足设计要求为止；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。在上述技术方案中，步骤S04中所述锚固方案包括封锚混凝土块内纵横向间隔埋设锚固钢筋，各锚固钢筋的外伸段与既有结构采用化学锚固剂锚固；步骤S04中所述锚固方案还包括在封锚混凝土块内设置两端分别作用于垫板、封锚混凝土块的弹簧筋；步骤S04中所述锚固方案还包括在既有结构内锚孔局部段充填锚固胶结材料。本专利技术的有益效果体现在如下方面：一、本专利技术根据能量守恒定律和动量守恒定律，假定预应力锚杆自由段断裂且所储存的应变能完全转化为系统动能时自由段杆体速度呈线性分布，推导出锚头侧自由段自由端速度的计算公式，再拟定混凝土块尺寸及混凝土强度等级并建模进行动力分析，以此检算混凝土块尺寸是否满足设计要求，使封锚混凝土块设计有了科学的理论依据；二、提出了封锚混凝土块与既有结构之间的锚固方案，在锚头处既有结构内部植入锚固钢筋，安装弹簧筋，然后现场浇筑混凝土块，此方法加强了封锚混凝土块与既有结构之间的锚固效果，提高封锚混凝土块的抗冲击能力，即使被冲击损伤也不能产生二次损失或事故；锚头处既有结构内锚孔局部段充填锚固材料，可有效减小封锚混凝土块的冲击应力，优化封锚混凝土块尺寸。附图说明本说明书包括如下七幅附图：图1是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中设计方法流程图；图2是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中预应力锚杆自由段断裂位置示意图；图3是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中预应力锚杆自由段断裂且所储存的应变能完全转化为系统动能时锚头侧自由段杆体速度分布示意图；图4是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中动力分析模型示意图；图5是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中封锚混凝土块设计方案示意图；图6是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中封锚混凝土块锚固钢筋锚固方案示意图；图7是本专利技术预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法中封锚混凝土块尺寸优化措施示意图。图中标记及所对应的含义：11-锚孔内侧自由段，12-锚头侧自由段，13-预应力锚杆锚固段，20-垫板，30-螺母，40-封锚混凝土块，50-既有结构，60-岩(土)体，70-锚孔，80-弹簧筋，90-锚固钢筋，100.-化学锚固剂，200-锚固胶结材料。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。参照图1、图2、图3和图4，本专利技术的预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，包括如下步骤：S01.收集预应力锚杆设计参数，包括锚杆横本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，包括如下步骤：/nS01.收集预应力锚杆设计参数，包括锚杆横截面面积A

【技术特征摘要】
1.预应力锚杆锚头封锚混凝土块设计方法，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A0、单位长度重量m0、弹性模量Es、抗拉强度Rm、张拉前自由段长度l0；
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：



式中，v2为应变能完全释放时锚头侧自由段自由端的速度，单位m/s；A0为锚杆杆体横截面面积，单位m2；m0为单位长度重量，单位kg/m；Es为弹性模量，单位Pa；Rm为抗拉强度，单位N/m2；l0为张拉前自由段长度l0，l10为锚孔内侧自由段变形前原长度，l20为锚头侧自由段变形前原长度，单位m，且l0＝l10+l20；
S03.建模和动力分析，初步拟定封锚混凝土块(40)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(40)的冲击应力；
当各种工况分析结果表明封锚混凝土块(40)的拉应力σ均小于或等于容许拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奎，陶伟明，喻渝，胡炜，谭信荣，高泊松，赵万强，郑长青，王志强，徐骏，谭永杰，黎旭，唐思聪，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51