CN102678148A - 一种新型高强恒阻大变形锚杆及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高强恒阻大变形锚杆及其使用方法，它的锚杆体包括冷拔杆体、筒形套管和拔丝模；冷拔杆体的一端直径大于另一端的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段，细段表面带有肋纹；筒形套管和拔丝模相连，套装在冷拔杆体上；所述的拔丝模是锥形模，拔丝模的锥度与锥形段锥度相匹配；筒形套管的端头部或冷拔杆体的端头部设有用于安装螺母的外螺纹。本发明锚杆在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏，允许冷拔杆体发生较大位移以适应围岩变形。

Description

一种新型高强恒阻大变形锚杆及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种水利水电工程、隧道工程、矿山工程等地下工程中的支护用锚杆，尤其涉及一种可产生连续变形而不发生破坏的恒阻高强锚杆。

背景技术

在水利水电工程、隧道工程、矿山工程等地下工程支护中，锚杆是应用很多的一种支护装备。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，超过锚杆所能够承受的范围时，将导致锚杆破坏失效，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杆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，国外内锚杆采用的可变形伸长装置主要有碟形或葫芦形托盘、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。如专利CN 201943725U，存在所能提供的阻力不足、结构复杂的问题。专利CN 101858225A，其恒阻装置在变形的过程中，外管周向受压膨胀，对锚固剂产生损伤，且管体易发生撑裂的现象，造成锚杆失效，引发安全事故，因而难以广泛应用。

发明内容

本发明的任务在于提供一种高强恒阻大变形锚杆。该锚杆在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏，允许冷拔杆体发生较大位移以适应围岩变形，在此过程中还可以不断地吸收围岩变形能量，保持围岩的稳定。

方案一，一种新型高强恒阻大变形锚杆，它包括锚杆体、螺母和托盘，其特征在于，所述的锚杆体包括：冷拔杆体、筒形套管和拔丝模；冷拔杆体的一端直径大于另一端的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段；筒形套管和拔丝模相连，套装在冷拔杆体上；所述的拔丝模是锥形模，拔丝模的锥度与锥形段锥度相匹配；筒形套管的端头部设有用于安装螺母的外螺纹；所述筒形套管直径和壁厚应符合锚固力要求，所述筒形套管长度对应于冷拔杆体粗段长度，材料优先选用钢管。

为了防止灰尘、水的进入套管，所述套管管口端设置有套管端盖，套管端盖与管口端通过螺纹连接。

方案二，一种新型高强恒阻大变形锚杆，它包括锚杆体、螺母和托盘，其特征在于，所述的锚杆体包括：冷拔杆体和拔丝模；冷拔杆体的一端直径大于另一端的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段；冷拔杆体表面光滑；拔丝模套装在冷拔杆体上；所述的拔丝模是锥形模，拔丝模的锥度与锥形段锥度相匹配；冷拔杆体的端头部设有用于安装螺母的外螺纹。

为防止冷拔杆体与砂浆粘结，可以在杆体粗段和细段表面设置有防粘隔离层，比如在杆体粗段和细段表面套上塑料管或涂抹上石蜡等。

为了将拔丝模更稳定的固定在锚孔中，可以设置筒形套管；所述筒形套管与拔丝模相连，套装在冷拔杆体粗段；筒形套管表面加工有肋纹，筒形套管长度对应于冷拔杆体粗段长度。

在方案一和方案二中：

所述的拔丝模材料可以选用硬质合金或优质钢。

所述的冷拔杆体优先选用以下结构形式：

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、杆体粗段和锥段采用空心结构，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。锥形段和细段的连接采用螺纹连接或焊接结构。

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

方案一使用方法是：

1、首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与锚杆体细段直径相配合，达到底后退出钻杆，再将孔口段扩孔加粗，加粗后的直径与套管外径匹配；

2、向锚孔中注锚固剂，将锚杆细段的端部朝向孔底安装在锚孔中，并使拔丝模顶在锚孔加粗处的台阶上，待锚固剂凝固后在套管露头套上托盘，拧紧螺母，并达到设计的预紧力。

3、锚杆使用过程中，如需测量支护条件下围岩位移，可打开端盖，测量杆体粗端位移，根据杆体拔出前后的长度比即可确定围岩位移。

方案二使用方法是：

1、首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与套管直径相配合；

2、向锚孔中注锚固剂，将套管朝向孔底安装在锚孔，待锚固剂凝固后在冷拔杆体露头上套上托盘，拧紧螺母，并达到设计的预紧力。

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。当本发明所述冷拔杆体采用空心钢管时，根据金属塑性力学理论，结合拉拔原理图，可以得到杆体工作应力计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_L={\mathrm{\σ}}_s-{\mathrm{\σ}}_s[1-\left(\frac{1+B}{B}\right)(1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^B})]/e^{C_1}---\left(1\right)$

式中，B＝f/tanα；C₁＝2fL_d/(D₁-S₀)；λ＝(D₀-S₀)/(D₁-S₀)；

σ_L为拉拔应力，即工作应力，也就是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；S₀为管壁厚度。

杆体拉力即锚杆提供的恒定阻力为：

$F={\mathrm{\σ}}_L\×\frac{\mathrm{\π}}{4}[D_1^2-{(D_1-S_0)}^2]---\left(2\right)$

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，最大可达到几百吨。

本发明，恒阻变形锚杆的工作原理大致是：

当围岩发生变形时会对冷拔杆体产生拉力，由于拔丝模孔口内径小于冷拔杆体较粗一端直径，二者之间会产生很大的挤压力。当拉力超过冷拔杆体的冷拔力时，冷拔杆体受到纵向拉力和拔丝模横向压力的作用，二者发生相对位移，杆体被缓慢拔出，其截面变小而长度增加。这种变形可以持续进行，并保持恒定的工作阻力，这样就实现了恒阻连续大变形的目的。

该恒阻连续变形锚杆充分利用钢筋/钢管的冷拔性能，结构在冷拔的过程中可以产生持续变形，并保持恒定的拉拔力。在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏，允许冷拔杆体发生较大位移以适应围岩变形，在此过程中还可以不断地吸收围岩变形能量，保持围岩的稳定。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实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种实施方式的剖面结构示意图；

图2为本发明拉拔变形原理图；

图3为本发明另一种优选方式的现场应用示意图；

图4为本发明第三种优选方式的剖面结构示意图。

图例说明，1-套管，2-拔丝模，3-冷拔杆体，4-外端盖，5-托盘，6-螺母，7-高强螺栓，8-外螺纹，9-内螺纹，10-内端盖，11-锚固剂，12-锁块。

具体实施方式

实施例一

结合图1，一种新型高强恒阻大变形锚杆，它包括锚杆体、螺母6和托盘5，其中所述的锚杆体包括：冷拔杆体3、套管1和拔丝模2；冷拔杆体3后端的那一段直径大于前面杆体的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段；套管1和拔丝模2相连，套装在冷拔杆体3上；拔丝模2是锥形模，拔丝模2的锥度与冷拔杆体3锥形段的锥度相匹配，套管1后端设有用于安装螺母的外螺纹8。

上述套管1为筒形钢管，其直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度应符合设计锚杆的变形量；

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与套管1用高强螺栓7连接。

上述的冷拔杆体3为实心变径圆钢结构，其细段表面带有肋纹，以增大其和锚固剂之间的摩擦力。

在上述套管1管口端设置有外端盖4，外端盖4与管口端通过内螺纹9连接。

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内表面涂抹有润滑剂，润滑剂的材料可以选用肥皂、植物油。

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。

实施例一的使用方法是：

第一步、首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与冷拔杆体3细段直径相配合，打到底后退出钻杆，再将孔口段扩孔加粗，加粗后的直径与套管1外径匹配；

第二步：将锚杆细段的端部朝向孔底安装在锚孔中，并使拔丝模2顶在锚孔加粗处的台阶上，向锚孔中注锚固剂11，待锚固剂凝固后在套管1露头套上托盘5，拧紧螺母6，并达到设计的预紧力。

锚杆使用过程中，如需测量支护条件下围岩位移，可打开端盖，测量杆体粗端位移，根据杆体拔出前后的长度比即可确定围岩位移。

实施例二

结合图3，一种新型高强恒阻大变形锚杆，它与图1所示的技术方案基本相同，在此不再重复描述，主要区别在于，冷拔杆体3的细段表面光滑，冷拔杆体3端头部设有用于安装螺母6的外螺纹8；套管表面加工有肋纹，以增大其和锚固剂之间的摩擦力。

实施例二的使用方法是：

第一步：首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与套管1直径相配合；

第二步：将套管1朝向孔底安装在锚孔中，向锚孔中注锚固剂11，待锚固剂11凝固后在冷拔杆体3露头上套上托盘5，拧紧螺母6，并达到设计的预紧力。

实施例三

结合图4，一种新型高强恒阻大变形锚杆，它与图1所示的技术方案基本相同，在此不再重复描述，主要区别在于冷拔杆体3杆体粗段和锥形段采用空心结构，细段采用实心结构，钢管粗段的终端设有锁块12，作为杆体拉拔极限；两者采用螺纹连接或焊接结构。

在上述的所有实施例中，套管1为筒形钢管，其直径和壁厚应符合锚固力要求，其长度对应于冷拔杆体粗段长度；将套管1和拔丝模2连接，除采用高强螺栓7外，可采用的方式还包括螺纹连接或焊接。

Claims (10)

1.一种新型高强恒阻大变形锚杆，它包括锚杆体、螺母和托盘，其特征在于，所述的锚杆体包括：冷拔杆体、筒形套管和拔丝模；冷拔杆体的一端直径大于另一端的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段；筒形套管和拔丝模相连，套装在冷拔杆体上；所述的拔丝模是锥形模，拔丝模的锥度与锥形段锥度相匹配；筒形套管的端头部设有用于安装螺母的外螺纹；所述筒形套管直径和壁厚应符合锚固力要求，所述筒形套管长度对应于冷拔杆体粗段长度。

2.如权利要求1所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述的冷拔杆体有以下结构形式：

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；

三是杆体粗段和锥形段采用空心结构，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。

3.如权利要求1所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述套管管口端设置有套管端盖，套管端盖与管口端通过螺纹连接。

4.如权利要求1所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，在冷拔杆体锥形段和拔丝模内表面涂抹有润滑剂。

5.如权利要求1-4任一所述的高强恒阻大变形锚杆的使用方法，其特征在于，

第一步：首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与锚杆体细段直径相配合，达到底后退出钻杆，再将孔口段扩孔加粗，加粗后的直径与套管外径匹配；

第二步：向锚孔中注锚固剂，将锚杆细段的端部朝向孔底安装在锚孔中，并使拔丝模顶在锚孔加粗处的台阶上，待锚固剂凝固后在套管露头套上托盘，拧紧螺母，并达到设计的预紧力；当需测量支护条件下围岩位移，打开端盖，测量杆体粗端位移，根据杆体拔出前后的长度比即可确定围岩位移。

6.一种新型高强恒阻大变形锚杆，它包括锚杆体、螺母和托盘，其特征在于，所述的锚杆体包括：冷拔杆体和拔丝模；冷拔杆体的一端直径大于另一端的直径，即一端为粗段、一端为细段，粗段和细段之间为锥形段；冷拔杆体表面光滑；拔丝模套装在冷拔杆体上；所述的拔丝模是锥形模，拔丝模的锥度与锥形段锥度相匹配；冷拔杆体的端头部设有用于安装螺母的外螺纹。

7.如权利要求6所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，它还包括一个筒形套管；筒形套管与拔丝模相连，套装在冷拔杆体粗段；筒形套管表面加工有肋纹，筒形套管长度对应于冷拔杆体粗段长度。

8.如权利要求6所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，所述的冷拔杆体有以下结构形式：

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；

三是杆体粗段和锥段采用空心结构，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6所述的高强恒阻大变形锚杆，其特征在于，在冷拔杆体粗段和细段表面设置有防粘隔离层。

10.如权利要求6-9任一所述的高强恒阻大变形锚杆的使用方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：首先在支护巷道中打锚孔，锚孔直径与套管直径相配合；

第二步：向锚孔中注锚固剂，将套管朝向孔底安装在锚孔，待锚固剂凝固后在冷拔杆体露头上套上托盘，拧紧螺母，并达到设计的预紧力。

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