CN102678147A - 一种锚索的高强恒阻伸长装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚索的高强恒阻伸长装置及其使用方法，它包括筒形套管、拔丝模和冷拔杆体；所述的拔丝模为锥形模，拔丝模和套管通过螺纹或高强螺栓相连；冷拔杆体是一段变径金属杆，一端为粗段、另一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模锥度相匹配，冷拔杆体粗端嵌套在套管内，细段端部从拔丝模孔口引出；套管的尾部设有用于安装托盘及锁紧螺母的外螺纹，冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索的外螺纹，或者在冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索体的外螺纹；在套管的尾部设有用于连接另一锚索体的端堵。本发明除了实现恒阻变形外，拉拔的另一个有益效果为杆体通过模孔后，强度大幅提高。

Description

一种锚索的高强恒阻伸长装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种矿山、隧道、水利水电等工程领域支护时用的锚索，尤其涉及锚索的伸长装置。

背景技术

在矿山、隧道、水利水电等工程领域支护时，锚索是应用很多的支护装备。随着开采深度不断增大以及大规模地下工程的建设，面临的地质条件越来越复杂，围岩经常表现出大变形特点。当围岩变形量较大，超过锚索所能够承受的范围时，将导致锚索破坏失效，进而造成地下工程失稳破坏事故。这种情况下要求所使用的锚索在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏，以适应围岩变形。

目前，国内采用的可变形伸长装置主要采用碟形或葫芦形托盘、可变形杆体或衬垫、改进钢绞线的锚具、挤压可滑动钢套等装置来适应围岩体的大变形。上述装置允许变形量一般较小，不能适应大变形的特点，而允许变形量较大的装置，能提供的有效阻力不足，性能不够稳定，不能满足现代地下工程支护需求。

发明内容

本发明的任务在于提供一种高强恒阻伸长装置。将本装置应用于锚索中，在围岩发生大变形时，可以在高荷载条件下受拉伸长而本身不发生破坏，确保大变形岩土工程的安全。

为达到上述目的，本发明采取的方案是：

技术方案一：一种锚索的高强恒阻伸长装置，其特征在于，它包括筒形套管、拔丝模和冷拔杆体；所述的拔丝模为锥形模，拔丝模和套管通过螺纹或高强螺栓相连；冷拔杆体是一段变径金属杆，一端为粗段、另一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模锥度相匹配，冷拔杆体粗端嵌套在套管内，细段端部从拔丝模孔口引出；套管的尾部设有用于安装托盘及锁紧螺母的外螺纹，冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索的外螺纹。

技术方案二：一种锚索的高强恒阻伸长装置，其特征在于，它包括筒形套管、拔丝模和冷拔杆体；所述的拔丝模为锥形模，拔丝模和套管通过螺纹或高强螺栓相连；冷拔杆体是一段变径金属杆，一端为粗段、另一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模锥度相匹配，冷拔杆体粗端嵌套在套管内，细段端部从拔丝模孔口引出；冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索体的外螺纹；在套管的尾部设有用于连接另一锚索体的端堵，端堵通过内螺纹与套管相连。

上述两个技术方案中套管直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度对应于冷拔杆体粗端长度；

上述两个技术方案中冷拔杆体均有以下三种结构形式：

1、实心变径圆钢结构；

2、变径空心钢管结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限；

3、杆体粗段采用空心结构，细段采用实心结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限；锥形段和细端的连接采用螺纹、铸造或焊接连接结构

上述的拔丝模材料可以选用硬质合金或优质钢。

为了防止冷拔杆体受损伤或被拉断，可以在冷拔杆体和拔丝模上涂抹有润滑剂，润滑剂的材料可以选用肥皂、植物油。

当冷拔杆体采用空心钢管制成时，为了防止杆体拉拔过程中，内表面产生损伤影响杆体强度，可以在管内设置圆钢芯。

本发明技术方案一用于普通锚索及单根式小锚索，使用时，通过加工有锚索穿孔的圆盘将锚索体连接在冷拔杆体细段端部。

本发明技术方案二用于对穿式横阻伸长锚索，使用时，通过加工有锚索穿孔的圆盘将一个锚索体连接在冷拔杆体细段端部；通过端堵和圆盘将另一个锚索体连接在套管尾部。

本发明依据在于金属的冷拔性能，冷拔的过程中可以产生持续变形，并保持恒定的拉拔力。当采用棒材拉拔时，根据金属塑性力学理论，可以得到杆体工作应力计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_L={\mathrm{\σ}}_s(1+\frac{\tan \mathrm{\α}}{f})[1-{\left(\frac{D_1}{D_0}\right)}^{\frac{2f}{\tan \mathrm{\α}}}]+\frac{4\sqrt{3}}{9}{\mathrm{\σ}}_s\tan \mathrm{\α}+0.15f\frac{L_d}{D_1}{\mathrm{\σ}}_s---\left(1\right)$

其中，σ_L为拉拔应力，即工作应力，也就是拔丝模出口处杆体的轴向应力；σ_s为杆体拉拔前后的平均变形抗力；α为模角；f为摩擦系数；D₀为原始直径；D₁为拔出后直径；L_d为定径区长度。

杆体拉力即恒阻伸长装置提供的阻力为：

$F={\mathrm{\σ}}_L\×\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2---\left(2\right)$

根据杆体拉出前后直径、断面减缩率、材料性质、模角、润滑剂种类等因素不同，拉拔力小则几吨，最大可达到上千吨。

本发明高强恒阻伸长装置的工作原理大致是：

当围岩发生变形时会对锚索产生拉力，该拉力经由钢绞线传递到冷拔杆体，由于冷拔杆体较粗一端直径大于拔丝模孔口内径，拔丝模阻止其向外运动，二者之间会产生很大的挤压力。当拉力超过冷拔杆体的塑形变形力时，冷拔杆体在纵向拉力和拔丝模横向压力的作用下发生颈缩现象，其截面变小，杆体被缓慢拔出。这种变形可以持续进行，并保持恒定的拉拔力，这样就实现了恒阻连续大变形的目的。

本发明恒阻伸长装置充分利用钢筋/钢管的冷拔性能，所受拉力大于其额定拉拔力时可以产生持续变形，允许冷拔杆体发生较大位移以适应围岩变形，并保持恒定的阻力，在此过程中还可以不断地吸收围岩变形能量，另外还提高了锚索的抗震性能，确保大变形岩土工程的安全。除了实现恒阻变形外，拉拔的另一个有益效果为杆体通过模孔后，强度大幅提高。此外，本发明还具有可提供阻力大，结构简单，性能稳定等特点。

附图说明

下面结合附图与具体应用实例对本发明作进一步说明：

图1为高强恒阻伸长装置剖面示意图，图中以变径空心钢管结构为例；

图2为拉拔变形结构原理图，图中以实心结构为例；

图3为本发明应用于普通锚索的示意图；

图4为本发明应用于对穿锚索的实施例示意图；

图5为本发明应用于单根小锚索的示意图。

图例说明，1-套管，2-拔丝模，3-冷拔杆体，4-第一外螺纹，5-第二外螺纹，6-内螺纹，7-高强螺栓，8-圆盘，9-锚索体，10-外端盖，11-锁紧螺母，12-锚盘，13-混凝土墩，14-注浆管，15-端堵结构，16-带收缩孔的螺母，17-锁块。

具体实施方式

结合图1进一步说明本发明恒阻伸长装置第一种技术方案的构造。

一种锚索的高强恒阻伸长装置，它包括筒形套管1、拔丝模2和冷拔杆体3；所述的拔丝模2是锥形模，拔丝模2和套管1通过螺纹或高强螺栓7相连，冷拔杆体2是一段变径金属杆，一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模2的锥度相匹配；冷拔杆体3粗段嵌套在套管1内，冷拔杆体3细段端部从拔丝模2孔口引出；套管1的尾部设有用于安装锁紧螺母的第一外螺纹4，冷拔杆体的细段端部设有用于连接锚索的第二外螺纹5。

上述的套管1直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度对应于冷拔杆体3粗端长度；

上述的拔丝模2材料可以选用硬质合金或优质钢。拔丝模2具有非常大的强度可以经受很大的轴向拉、压力，过程中发生的变形量很小；

上述的冷拔杆体3有以下结构形式，图1仅示出变径空心钢管结构：

1、实心变径圆钢结构；

2、变径空心钢管结构，钢管粗段的终端设有锁块17作为杆体拉拔极限，如图1所示；

3、杆体粗段采用空心结构，细段采用实心结构，钢管粗段的终端设有锁块17，作为杆体拉拔极限；锥形段和细端的连接采用螺纹、铸造或焊接连接结构。

当冷拔杆体采用空心钢管制成时，为了防止冷拔杆体3拉拔过程中，内表面产生损伤影响杆体强度，可以在管内设置圆钢芯。

为了防止冷拔杆体受损伤或被拉断，在冷拔杆体3和拔丝模2上涂抹有润滑剂，润滑剂的材料可以选用肥皂、植物油均可。

本装置还可应用于两个锚索之间，为此，在套管1的尾部设有用于连接锚索的内螺纹6。

本发明依据金属的冷拔原理，如图2所示冷拔杆体3与拔丝模2保持接触，冷拔杆体3受拉力F时，拔丝模2对冷拔杆体3作用有摩擦力T和正压力N，由于冷拔杆体3的刚度比拔丝模的刚度小，其截面被压缩，逐渐被拉出拔丝模2。冷拔的过程中可以产生持续变形，并保持恒定的拉拔力。

本发明第二种技术方案与第一种大体相同，不同的是：在第一种技术方案中套管的尾部设有用于安装托盘及锁紧螺母的外螺纹，而在第二种技术方案中在套管的尾部设有用于连接另一锚索的端堵，端堵通过内螺纹与套管相连。(见图4)

将本发明应用于锚索中，可以有多种具体实施方式以适应不同的工况，此处仅列举三个具体实施例如下：

如图3所示，本发明应用于普通锚索时，通过加工有锚索穿孔的圆盘8将锚索体9连接在冷拔杆体3上，圆盘8通过第二外螺纹5与冷拔杆体3连接。将锚索体9装入钻孔，通过注浆管14灌浆，并建造混凝土墩13，通过内螺纹6将外端盖10固定在套管1上。待锚固剂凝固后，通过第一外螺纹4用锁紧螺母11将套管1和锚盘12锁紧在混凝土墩13上，并施加设计的预应力。

如图4示出的是一种对穿式横阻伸长锚索，它是将恒阻伸长装置两端连接锚索体9应用在相邻的两条巷道或隧道中，一端通过圆盘8将锚索体9套装在冷拔杆体3上，另一端通过内螺纹6连接上端堵装结构15，再将另一锚索体9连接在其上；对于相邻的两条巷道或隧道之间的岩柱存在明显的高应力情况下，需要这种对穿式预应力锚索；在两条巷道之间打通孔，两端均安设外锚头，省去了内锚固段。

如图5所示，对于煤矿软岩巷道支护，巷道围岩常表现出大变形特征，一般采用小孔径钻孔，锚索体9采用单根钢绞线，孔底端头锚固，为了防止钢绞线被拉断有必要采用本发明的恒阻伸长装置。应用本发明时，通过带收缩孔的螺母16将锚索体9套装在冷拔杆体3上，再通过第二外螺纹5用锁紧螺母11固定，装入钻孔灌浆锚固后再通过第一外螺纹4用锁紧螺母锁紧在孔壁上。

Claims (10)

1.一种锚索的高强恒阻伸长装置，其特征在于，它包括筒形套管、拔丝模和冷拔杆体；所述的拔丝模为锥形模，拔丝模和套管通过螺纹或高强螺栓相连；冷拔杆体是一段变径金属杆，一端为粗段、另一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模锥度相匹配，冷拔杆体粗端嵌套在套管内，细段端部从拔丝模孔口引出；套管的尾部设有用于安装托盘及锁紧螺母的外螺纹，冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索的外螺纹；要求套管直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度对应于冷拔杆体粗端长度。

2.如权利要求1所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，在冷拔杆体和拔丝模上涂抹有润滑剂。

3.如权利要求1所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，所述的冷拔杆体有以下三种结构形式：

一是实心变径圆钢结构；

二是变径空心钢管结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限；

三是杆体粗段采用空心结构，细段采用实心结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限。

4.如权利要求3所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，在变径空心钢管内设置有圆钢芯。

5.如权利要求1-4任一所述的锚索的高强恒阻伸长装置的使用方法，其特征在于，它用于普通锚索及单根式小锚索，使用时，通过加工有锚索穿孔的圆盘将锚索体连接在冷拔杆体细段端部。

6.一种锚索的高强恒阻伸长装置，其特征在于，它包括筒形套管、拔丝模和冷拔杆体；所述的拔丝模为锥形模，拔丝模和套管通过螺纹或高强螺栓相连；冷拔杆体是一段变径金属杆，一端为粗段、另一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，锥形段的锥度与拔丝模锥度相匹配，冷拔杆体粗端嵌套在套管内，细段端部从拔丝模孔口引出；冷拔杆体细段端部设有用于连接锚索体的外螺纹；在套管的尾部设有用于连接另一锚索体的端堵，端堵通过内螺纹与套管相连；要求套管直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度对应于冷拔杆体粗端长度。

7.如权利要求6所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，在冷拔杆体和拔丝模上涂抹有润滑剂。

8.如权利要求6所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，所述的冷拔杆体有以下三种结构形式：

一是实心变径圆钢结构；

二是变径空心钢管结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限；

三是杆体粗段采用空心结构，细段采用实心结构，钢管粗段的终端设有锁块，作为杆体拉拔极限。

9.如权利要求8所述的高强恒阻伸长装置，其特征在于，在变径空心钢管内设置有圆钢芯。

10.如权利要求6-9任一所述的锚索的高强恒阻伸长装置的使用方法，其特征在于，它用于对穿式横阻伸长锚索，使用时，通过加工有锚索穿孔的圆盘将一个锚索体连接在冷拔杆体细段端部；通过端堵和圆盘将另一个锚索体连接在套管尾部。

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