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一、自锁锚杆的开发思路
在多年的锚固技术应用实践中，发现已有的锚固技术存在几个缺陷，有的不耐高温，有的不耐潮湿，有的老化速度快，普遍有安装时可靠性保证不强，或从安装到使用的时间太长等。如何开发一种新的锚固技术，克服上述所有缺点，满足普遍的工程锚固需要，这就是我们的出发点。
传统的机械锚固有钉钉子、射钉、膨胀螺栓，其优点是快、简便，缺点是抗拔力低、抗动力性能差。
水工上常用砂浆锚固，其缺点是锚固深度要求太高，砂浆收缩难以保证锚固的可靠性，安装时间过长难以满足工程应急需要，其优点是廉价、施工简单、耐温、耐水、耐老化。
化学锚固为现代植筋技术，其关键材料是植筋胶。优点是操作简便，因此时间较短，一般从几小时到几十小时，强度高。缺点耐水性差，耐湿性差，耐老化性差。单根化学植筋的三种破坏形式如图一所示。
为此，我们开发出了一种新的锚固技术，自锁锚杆扩孔植筋锚固技术。自锁锚杆的设计思路是首先用扩孔钻头将孔底扩成锥形，将锚杆端部开成锲行槽，通过端部锲块，加压使锚杆张开自锁，再灌注无机粘结剂，以达到锚固的效果。
图二 扩孔植筋锚固技术示意图
扩孔植筋锚固技术的关键就是机械自锁。实现机械自锁的几个要点如下：
①安装锚杆的孔底先扩孔，扩孔的关键设备是扩孔钻头；
②扩孔角度与锚杆底部端头的张开角度吻合，这个角度就是钢材的最佳摩擦角，这种吻合使锚杆安装时不在孔底产生附加压力；这个最佳摩擦角使锚杆底部的切槽面与锲块的接触面产生最大摩擦力而不易脱滑。
③超细无收缩无机灌浆料注浆，这种注浆进一步增加了锚杆的锚固力，同时避免锚杆在长期使用中的腐蚀问题。
扩孔植筋锚固技术的特点是可靠性高、耐老化、耐高温、耐水。
二、锚固的试验、理论与有限元计算和结果分析
（一）锚固试验
1. 主要试验工作
我们使用试验试件数共690根，其中2.0m×1.5m×0.6m混凝土试台6个，2.0m×1.5m×1.2m混凝土试台3个，2.0m×1.5m×1.8m混凝土试台1个，混凝土标号从c10到c60，钢筋直经从Ф16到Ф42，试验内容有自锚试验，自锁试验、ICG材料锚固试验、全锚固轴心抗拔试验，全锚固抗剪试验、抗振动和疲劳性能试验等。
2. 静力试验主要结果
如图三所示，最佳自锁角度α=23º，临界轴心抗拔植筋深度h≧8d，全锚锚杆典型沿程荷载应变曲线规律如图四所示。
通过试验，我们得出自锁锚杆的破坏模式只有两种：混凝土锥形破坏和锚杆拔断，如图五所示。两种破坏模式的试验照片如图六所示
图四
图五
（1）锥形破坏
（2）钢筋拔断
图六 锚杆的两种破坏模式
3. 振动疲劳试验
自锁锚杆疲劳试验结果如图七所示。
图七 自锁锚杆疲劳试验S-N曲线
（二）理论与有限元计算
1. 理论计算
（1）基本假定：a、砼为刚性；b、锲块刚性；c、忽略无机胶的影响。
（2）不同状态下埋深理论计算结果与试验对照如表-1所示。
表-1 不同状态下埋深验证表
|
混凝土
等级
（MPa） |
钢筋
类型 |
临界状态 |
极限状态 |
|
理论
埋深 |
实际
埋深 |
理论
破坏荷载
（kN） |
实际
破坏荷载
（kN） |
破坏形成 |
理论
埋深 |
实际
埋深 |
理论
破坏荷载
（kN） |
实际
破坏荷载
（kN） |
破坏形成 |
|
32.05 |
Φ20 |
6.32d |
6.5d |
105.19 |
165 |
混凝土锥体 |
9.21d |
10d |
210.38 |
190 |
钢筋拉断 |
|
38.2 |
Φ20 |
5.88d |
6d |
105.19 |
157.5 |
混凝土锥体 |
8.62d |
10d |
210.38 |
187.5 |
钢筋拉断 |
|
38.8 |
Φ20 |
5.86d |
5.75d |
105.19 |
142.5 |
混凝土锥体 |
8.55d |
/ |
/ |
/ |
/ |
|
60.7 |
Φ20 |
5.22d |
5.5d |
105.19 |
135 |
混凝土锥体 |
7.66d |
/ |
/ |
/ |
/ |
图八 应力云图
2. 有限元计算
扩孔植筋(10d）第一主应力云图如图八。
（三）结果分析
1. 扩孔植筋与传统锚固的关键区别在于增加了自锁锚固；
2. 扩孔植筋相对减小了自锁锚固深度；
3. 扩孔植筋破坏模式只有2种，由此可见自锁技术的可靠度高；
4. 自锁技术有良好的抗疲劳性能；
5. 自锁锚固几乎克服了现有锚固技术的缺点，具有安装可靠、投入使用快、耐温、温湿、耐老化等优点。
三、自锁锚固的设计与安装
1. 设计
巨成牌自锁锚杆及配套的扩孔钻头性能参数分别见表-2、表-3、表-4和表-5。
表-2 “巨成”牌扩孔钻头性能参数表
|
型号 |
扩张前钻头外径mm |
最大扩孔外径mm |
单根钻杆长度 （可加长）mm |
适用钻机 |
|
JCZ-17-1 |
17 |
28 |
280 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-21-1 |
21 |
34 |
400 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-24-1 |
24 |
38 |
450 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-30-1 |
30 |
44 |
550 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-34-1 |
34 |
50 |
550 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-40-1 |
40 |
58 |
550 |
DF-320水钻 |
|
JCZ-44-1 |
44 |
64 |
650 |
DF-320水钻 |
特性：快速扩孔、边疆一次性扩孔、耐用可更换。
应用：新、旧混凝土、岩石层面扩孔、自锁锚杆安装配套扩孔
表-3 “巨成”牌自锁锚杆（圆钢）性能参数表
|
型号 |
锚杆外径 (mm) |
标准埋深 (mm) |
锚杆长度 (mm) |
抗拉力kN |
抗剪力kM |
预紧力矩 N·M |
环境适温 |
|
极限值 |
设计值 |
极限值 |
设计值 |
|
JCM235-16 |
10 |
240 |
300 |
42.5 |
34 |
28.1 |
25.3 |
110 |
-200-300℃ |
|
JCM235-20 |
20 |
300 |
350 |
66.4 |
53.1 |
43.9 |
40.1 |
220 |
-200-300℃ |
|
JCM235-25 |
25 |
380 |
450 |
103.7 |
82.96 |
68.7 |
61.83 |
430 |
-200-300℃ |
|
JCM235-30 |
30 |
450 |
520 |
149.4 |
119.5 |
98.9 |
89.0 |
740 |
-200-300℃ |
|
JCM235-36 |
36 |
540 |
600 |
215.2 |
172.1 |
142.4 |
128.1 |
1200 |
-200-300℃ |
材料：II组长钢筋，C30混凝土
应用：建筑物植筋、结构加固改造、重物锚固和设备安装
表-4 “巨成”牌自锁锚杆（螺纹钢）性能参数表
|
型号 |
锚杆外径 (mm) |
标准埋深 (mm) |
锚杆长度 (mm) |
抗拉力kN |
抗剪力kM |
预紧力矩 N·M |
环境适温 |
|
极限值 |
设计值 |
极限值 |
设计值 |
|
JCM235-16 |
10 |
240 |
300 |
58.8 |
47.0 |
39.2 |
35.3 |
140 |
-200-300℃ |
|
JCM235-20 |
20 |
300 |
350 |
91.8 |
73.4 |
61.2 |
55.1 |
280 |
-200-300℃ |
|
JCM235-25 |
25 |
380 |
450 |
143.5 |
114.8 |
95.7 |
86.1 |
550 |
-200-300℃ |
|
JCM235-30 |
30 |
450 |
550 |
206.6 |
165.3 |
137.7 |
123.9 |
920 |
-200-300℃ |
|
JCM235-32 |
32 |
550 |
650 |
235.1 |
188.1 |
156.7 |
141.0 |
1200 |
-200-300℃ |
|
JCM235-36 |
36 |
600 |
750 |
297.5 |
238.0 |
198.3 |
178.5 |
1500 |
-200-300℃ |
材料：Ⅱ级钢筋，C30混凝土
特性：快速锚固、耐热、耐水、耐湿。
应用：建筑物植筋、设备安装、结构加固改造和重物锚固
表-5 “巨成”牌自锁锚杆（不锈钢系列）性能参数表
|
型号 |
锚杆外径 (mm) |
标准埋深 (mm) |
锚杆长度 (mm) |
抗拉力kN |
抗剪力kM |
环境适温 |
|
极限值 |
设计值 |
极限值 |
设计值 |
|
JCM205-16 |
16 |
240 |
300 |
37.1 |
29.7 |
24.7 |
22.2 |
-200－300℃ |
|
JCM205-18 |
18 |
280 |
320 |
46.9 |
37.5 |
28.1 |
25.26 |
-200－300℃ |
|
JCM205-20 |
20 |
300 |
350 |
57.9 |
46.3 |
38.6 |
34.8 |
-200－300℃ |
|
JCM205-25 |
25 |
380 |
450 |
90.5 |
72.4 |
59.6 |
53.6 |
-200－300℃ |
材料：1Cr17Ni7，C30混凝土
特性：快速锚固、耐热、耐水、耐湿、防锈。
应用：对防锈有特殊要求的锚固
2、安装
自锁锚杆的安装施工工艺过程见图九所示。
图九 自锁锚杆的安装施工工艺过程图
安装要点：
（1）扩孔、（2）测孔、（3）安装的行程控制
四、自锁锚固技术的应用
自锁锚固技术现已广泛应用于工程实际当中，应用的典型工程如下：
武汉铁塔厂意大利进口生产线成本设备的设备基础自锁锚固 神龙汽车集团吊车梁自锁锚固 武钢集团程潮铁矿道轨基础锚固 长江三峡电力股份公司葛洲坝电厂五十万开关站A型钢支架基础自锁锚固 姚孟电厂铁路道轨自锁 姚孟电厂汽机基础自锁锚杆应用 华东天荒坪上水库地下水工廊道加固工程自锁锚固技术应用 南水北调中线水源公司丹江口大坝加高工程界面自锁锚固技术应用
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