CN102839663A - 自动锚固装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种自动锚固装置，由记忆合金杆和套筒组成。与传统锚杆的锚固方式相比，本发明能够利用记忆合金形状记忆效应和自感知特性，使用记忆合金的驱动力进行锚固，避免了传统锚杆因为锚固部位与岩石钻孔结合的失效使得锚固力下降的问题，使得自动锚固装置在岩石钻孔中的锚固力不会因为岩石钻孔本身变形、破碎而导致锚固力下降，从而使得锚固支护的稳定，而且锚固力大，在岩土工程领域具有较广阔的应用前景。

Description

自动锚固装置及其应用方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及到一种自动锚固装置。

背景技术

随着土木工程的发展，土木工程越来越向着智能化的方向发展，智能材料的使用受到了越来越大的重视，其中记忆合金是一种重要而用广泛使用的智能材料，与传统的土木工程材料相比，它具有自感知特性和形状记忆效应，而且力学性能优良，具有强度高，质量较轻等优点。在岩土工程广泛使用的锚固支护中，支护的锚固力随着时间的下降是使锚固支护结构失效的重要作用，尤其在动态的围岩环境中，传统的粘结式锚固和机械式锚固在用于这种复杂动态围岩中时，锚固力往往由于凝固后的凝固剂或者机械式锚固端与岩石钻孔的接触失效而大打折扣。本发明利用形状记忆合金的形状记忆效应和自感知特性，充分发挥记忆合金的形状恢复驱动力，在岩土工程的支护锚固技术上充分发挥记忆合金的变形特性，使得在动态环境下锚固力不会减小使得锚固失效，从而维护支护结构的稳定。

发明内容

本发明的任务是在于提供一种自动锚固装置。本发明利用记忆合金在锚固装置中的智能驱动作用解决了传统锚固方式失效，锚固力下降的问题，具有锚固力大而且锚固力不会受到动态围岩的影响而减小等优点。

其技术解决方案为：

本发明提出的自动锚固装置，包括：记忆合金杆和套筒两部分组成，其中记忆合金杆加工为两端具有直径大于中间段直径的圆柱体，记忆合金杆安装在套筒中，其两端较大直径的圆柱体处在套筒两端具有螺纹的空腔中，套筒两端喉部位置有直径等于记忆合金杆较小直径的开孔，记忆合金杆中部从这两个孔中穿过安装。

本发明中，所述记忆合金杆的形状为，杆中段为等粗圆柱体，两端有直径大于中间段杆体且大于套筒两端的开孔的直径的圆柱体。中间段圆柱体的直径和套筒两端开孔的直径相匹配。

本发明中，所述套筒整体形状呈两端对称，其中套筒中部的筒壁沿母线方向等距切割，形成宽度长度相同的条状，且每个条状的筒壁的两端仍然和前后的未切割的筒壁完好相连。条状筒壁中间外部有横向齿文，横向齿文的作用于钻孔周围的岩体上，增大套筒和岩石之间的摩擦系数，每个条状筒壁两端外部部有横向的凹陷刻纹，横向刻纹用于减小此处条状筒壁的向外弯曲刚度，使得条状筒壁在此处容易向外弯曲，在横向齿文部位两端内部有横向的凹陷刻纹，此横向刻纹用来减小此处条状筒壁的向内弯曲刚度，使得条状筒壁在此处容易向内弯曲。套筒两端腔内内有螺纹，用来连接其他材料，其喉部有直径等于记忆合金杆中部圆柱体的直径的开孔。

自动锚固装置是作为锚杆的锚固段使用的，和螺纹钢筋、托盘、螺母组成整个锚固体系。通过自动锚固装置两端内壁上的连接螺纹，可以和螺纹钢筋连接形成具有多个锚固段的锚杆，对于较深钻孔的围岩的支护，能将围岩压力控制分布在各个锚固段。

自动锚固装置的锚固力来源于记忆合金的形状恢复力，安装时根据具体需要选取合适数量的螺纹钢钢材将数个或者一个自动锚固装置连接起来形成整个锚杆，然后将锚杆放入打好的钻孔当中，对自动锚固装置所留出的导线通入电流，使得记忆合金杆表面的加热电阻温度上升，当温度上升至记忆合金的开始变相温度时，由于记忆合金杆中的奥氏体含量增加而马氏体含量减少，记忆合金杆向拉伸前的长度恢复，长度缩短，对套筒两端起到了挤压作用，套筒中部切割成条状的筒壁收到挤压，发生弯曲，四周的筒壁向外弯曲将外表面的横向的齿文挤压至周围岩石中，形成机械锚固，在锚固力达到设计标准时，此时可以断电并安装托盘螺母。锚固力的大小与条状筒壁弯曲程度挤压周围岩石的作用大小有关，通过调节记忆合金杆的形状恢复程度可以改变锚固力的大小。当自动锚固装置和围岩之间的锚固力发生下降时，可以再次向自动锚固装置内通入电流，使得套筒中部外壁对围岩的挤压力增加，从而维持锚固力的恒定。

本发明的有益效果为：

本发明提供的自动锚固装置，可以自动根据钻孔的围岩的变形以及岩石的力学性质智能调整套筒中部隆起部位对岩石钻孔作用力的大小，从而保持锚固力不会减小，充分发挥了记忆合金的形状记忆效应和自感知特性使得锚固支护保持稳定。而且结构简单可靠，成本较低，在岩土工程领域有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的工作状态示意图。

图2为本发明的切剖示意图。

图3为本发明的前视图。

图4为本发明的图3的1-1剖面图。

图5为本发明的图3的2-2剖面图。

图6为本发明的图3的侧面图。

图7为本发明的记忆合金杆的加工形式图。

图中：1.记忆合金杆，2.套筒，3.螺纹钢筋，4.托盘，5.螺母。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例：如图1-7所示，本发明的自动锚固装置包括：记忆合金杆1，套筒2。记忆合金杆1加工成两端有直径大于杆体中部的较短圆柱体。套筒2套筒整体形状呈两端对称，其中套筒中部的筒壁沿母线方向等距切割，形成宽度、长度相同的条状，且每个条状的筒壁的两端仍然和前后的未切割的筒壁完好相连。条状筒壁中间外部有横向的齿文201，在每个条状筒壁的两端的外部有横向的凹陷刻纹202，，条状筒壁中部的横向齿文201区域的两端的内部有横向的凹陷刻纹203。套筒2整体两端内有螺纹，两端喉部中间有直径与记忆合金杆1中部圆柱体的直径相匹配的开孔。

首先，对记忆合金杆1进行加工，在记忆合金的马氏体变形开始温度Ms(选用临界温度高于环境温度的记忆合金材料)以下，将记忆合金杆1拉伸至长度大于安装的需求长度(小于最大应变率)。然后将记忆合金杆1放入套筒2中，记忆合金杆1两端的大直径圆柱卡在套筒2的两端，将套筒2安装好后，形成一个整体。再通过套筒2上两端的螺纹与其他材料进行连接。在套筒2的内部，记忆合金杆1的周围放置控温加热装置，能够加热记忆合金杆到指定范围内的某一温度，然后通过使记忆合金杆1的温度上升至记忆合金的开始变相温度时，记忆合金杆1中的马氏体向奥氏体发生转变，同时记忆合金杆1的形状向着记忆的形状发生改变，随着奥氏体的含量的不断增加，形状恢复越来越大，记忆合金杆1越来越短，在套筒2中拉动套筒的两端，使得套筒2中部向外隆起，形成一个灯笼状的结构，套筒2中部外壁上的横向齿文201咬入钻孔壁上的岩石，条状筒壁被挤压在岩石钻孔和锚杆之间。当处于工作状态中自动锚固装置的钻孔围岩发生改变时，自动锚固装置首先可以利用存储的弹性能，改变自动锚固装置的变形量以防止一定的锚固力下降，同时采用通过温控装置可以对记忆合金杆1进行再一次升温，增加记忆合金杆1中奥氏体的含量，以加大自动锚固装置的变形，维持锚固力的大小。

本发明在锚杆中起到锚固端的锚固作用，用以多个自动锚固装置和螺纹钢筋3相连接形成一个具有多个锚固段，并具有任意长度间隔的锚杆，这对于需要在岩体深部进行锚固的工程能将围岩变形压力控制分布在各个锚固段中，将锚杆组装完毕后，就可以将锚杆放入钻孔中去，然后用电流对自动锚固装置中覆盖在记忆合金杆1上的发热电阻进行升温，从而使得自动锚固装置中部的条状筒壁挤压周围岩石，产生锚固力。当锚固力达到设计标准时，此时给自动锚固装置断电，并安装好托盘4和螺母5，安装过程完毕。

当锚杆上的自动锚固装置所处的围岩因施工过程或者其它原因发生震动，对自动锚固装置和围岩接触发生失效时，此时可以同过再次向自动锚固装置中通入电流，加热记忆合金杆1，使得其中的奥氏体含量进一步增加，记忆合金杆1的长度继续缩短，套筒2中部的条状筒壁对钻孔围岩的挤压力进一步增大，从而使得锚固力不会减小，维护围岩的稳定。

Claims (5)

1.一种自动锚固装置，其特征在于包括：

记忆合金杆(1)，记忆合金杆(1)外形为两端具有直径大于中部段杆直径的圆柱体；

套筒(2)，套筒(2)两端内部有用于记忆合金杆穿过的开孔，套筒(2)中部的筒壁沿着圆柱体的母线方向等距切割成条状。

2.根据权利1所述的自动锚固装置，其特征在于：所述的记忆合金杆(1)的杆中部圆柱体的直径于套筒(2)两端开孔的直径相匹配。

3.根据权利1所述的自动锚固装置，其特征在于：所述套筒(2)整体形状两端对称，其中套筒(2)中部的筒壁沿母线方向等距切割，形成宽度长度相同的条状，且每个条状的筒壁的两端仍然和前后的未切割的筒壁完好相连，每个条状筒壁中间外部有横向的齿文，每个条状筒壁两端和未分割的筒壁连接处的外壁和横向齿文部位的两端内壁有横向的凹陷刻纹，套筒(2)的两端的内壁上有螺纹，在套筒(2)两端的喉部中间有直径与记忆合金杆(1)中部圆柱体的直径相匹配的开孔。

4.一种自动锚固装置的使用方法，其特征在于：锚固装置作为锚固段与普通螺纹钢锚杆杆体相连接组成完整锚杆，连接是通过记忆合金锚固装置两端内部的螺纹实现，可以通过多节螺纹钢杆体连接形成具有多个锚固段的锚杆。

5.根据权利4所述的自动锚固装置的使用方法，其特征在于：锚固力的增大通过控制记忆合金杆(2)的长度的缩短量来实现，记忆合金杆(2)的长度的缩短通过温度的改变而实现。

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