CN102953743A - 智能控制增阻大变形锚杆及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种智能控制增阻大变形锚杆，主要由增阻装置、螺纹钢杆体、锚杆托盘、锚杆螺母和拉绳式位移计组成，而增阻装置则由增阻装置外壳、卡瓣、加力钢圈、形状记忆合金杆、绝缘垫圈和固定螺母组成。增阻装置实现了锚杆在产生大变形的同时能根据需求增加锚杆变形的阻力；同时根据拉绳式位移计反馈锚杆的变形量的数字信号，由计算机程序控制增阻装置的输入电流的大小和时间，以起到智能化控制锚杆变形-变形阻力的作用。本发明解决了，过去大变形锚杆的变形阻力-变形量由锚杆本身结构和材料所决定的单一性问题，扩大了锚杆的功能空间，对于解决具有未知围岩变形特性的支护工程具有极其重要的作用。

Description

智能控制增阻大变形锚杆及其应用方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及到一种智能控制增阻大变形锚杆。

背景技术

随着岩土工程的发展，锚杆在岩土工程的支护工程中发挥了重要的作用，随着锚杆支护技术的广泛使用，在不同的工程问题中对锚杆的需求不尽相同，促使的大量的不同种类的锚杆的诞生，大变形锚杆是针对软岩高应力的工程环境下所诞生的锚杆种类，其具有允许变形大，变形阻力较大等优点，给工程施工和安全带来较大的方便，但是仔细分析不难发现，过去的大变形锚杆，有恒阻大变形锚杆和变阻大变形锚杆，但是当锚杆安装完毕后，其锚杆本身的阻力-位移曲线总是由锚杆本身的结构和材料所决定的一种，然而岩土工程中很多参数、特性在设计施工中是无法预知的，为了能够解决锚杆的变形和变形阻力之间的单一性问题，应对岩土支护工程的未知特性，本发明设计了增阻装置，使得大变形锚杆能够在拉伸变长的过程中按照人为的需求增加变形阻力，减小大变形锚杆的变形量和变形速度，从而进一步起到控制围岩变形的目的，对于岩土工程的支护有着重要的作用。

发明内容

本发明的任务是在于提供一种智能控制增阻大变形锚杆，以解决过去大变形锚杆的阻力-位移曲线的单一性，使得对于围岩特性不甚了解的支护工程能起到很好的支护作用。

其技术解决方案为：

本发明提出了一种智能控制增阻大变形锚杆，主要由增阻装置、螺纹钢杆体、锚杆托盘、锚杆螺母、位移计五部分组成。螺纹钢杆体的一端从增阻装置一端中间通入增阻装置内部，另一端暴漏在外面与岩石锚固，通入增阻装置内部的螺纹钢杆体由增阻装置内的卡瓣卡紧，并且在增阻装置内部的螺纹钢杆体的端部连接拉绳式位移计的位移计钢丝；拉绳式位移计连接在增阻装置外壳的在锚杆螺母外侧的一个小圆柱形凸起上，拉绳式位移传感器外加保护壳用螺丝固定。

拉绳式位移计作为监测锚杆变形量、变形速度及反馈增阻装置增阻效果的装置与外界的计算机相连接，位移计将位移转化为数字信号通过数据接口发送至计算机中，而在计算机中可以由位移数值得到速度数值，从而对锚杆变形速度、锚杆变形量进行实时监控、处理。

而增阻装置则是由增阻装置外壳、卡瓣、加力钢圈、形状记忆合金杆、绝缘垫圈、固定螺母组成，其中，卡瓣利用卡瓣横截面的圆弧特点排列成之间有均匀间隔距离的圆形分布，而卡瓣的平直段的一端焊接在增阻装置外壳的一端的内部，加力钢圈安装在卡瓣的平直段和增阻装置外壳之间；形状记忆合金杆一端连接在加力钢圈上，另一端穿过绝缘垫圈，由固定螺母固定在增阻装置外壳上。

增阻装置外壳为圆柱壳体，其一端开口，另一端有一圆柱形突起，开口一端的钻孔直径与螺纹杆杆体相匹配，且卡瓣的平直的一端所围成的圆的内表面的直径与螺纹钢杆体的直径相匹配。增阻装置外壳另一端的圆柱形突起高度高于绝缘垫圈加固定螺母的高度，且在圆柱形突起中轴线的位置有一小钻孔，其直径可以使得位移计钢丝可以通畅移动，圆柱形突起用来固定位移计，增阻装置外壳在圆柱形突起的四周有数量等于形状记忆合金杆数量的钻孔，其直径和绝缘垫圈较小的外径相匹配，用以同过形状记忆合金杆。增阻装置外壳在一端的外侧面上有螺纹，用以固定锚杆托盘和锚杆螺母。

卡瓣为不规则平面闭合曲线面沿一轴线方向旋转360°而成的体，然后由过轴线的平面切割成瓣状，材质为较硬的合金钢，其外表面为在连接增阻装置外壳的一端为平直的形状，向另一端由平直逐渐过渡到上升的曲线斜坡形状，其曲线在笛卡尔坐标中的方程为

x∈(0，b)，其中a为卡瓣向内移动的最大距离，b为卡瓣弯曲段的水平长度，且外表面较为光滑，内表面在连接增阻装置外壳的一端为平直形状，且内表面的平直段一直和螺纹钢杆体紧紧接触，其平直段的长度超出上表面平直段长度为c，然后开始弯曲，弯曲曲线为抛物线形，且抛物线方程为

y∈(-d，a-d)，卡瓣的弯曲段沿母线的剖面的外形特点为：内外曲线之间的距离的由开始弯曲到弯曲的的终点这段长度内厚度由厚变薄。

加力钢圈的材质为为硬质合金钢，加力钢圈截面为矩形，其内径与卡瓣平直段横截面所组成的外圆弧所在的圆的直径相匹配，内径与增阻装置外壳内径相匹配。加力钢圈在连接形状记忆合金杆的一端的面上在四周均匀布置数量等于形状记忆合金杆且内有螺纹的凹孔，螺纹凹孔直径、螺距与形状记忆合金杆螺纹端的直径、螺距相匹配，以便于和形状记忆合金杆连接。形状记忆合金杆呈两端带有连接螺纹杆状，其在表面覆盖有一层绝缘耐高温材料(可以采用石棉布料)，其形状记忆合金杆的直径和绝缘垫圈内径相匹配，形状记忆合金杆的安装位置在卡瓣之间的间隔之中与加力钢圈相连接，且形状记忆合金杆与增阻装置轴线方向平行与增阻装置的中轴线称中心对称。绝缘垫圈可采用纤维增强酚醛树脂材质的绝缘材料，其外形为在同一轴线上的两个不同直径的圆柱体的叠加，中轴线上有直径等于形状记忆合金杆直径的圆孔贯穿，且较小外径的圆柱体的外径等于增阻装置外壳一端的通过形状记忆合金杆小钻孔的直径，且长度与钻孔的深度相匹配。固定螺母是用来将形状记忆合金杆固定在增阻装置外壳上。

增阻装置所具有卡瓣、形状记忆合金杆其安装分布特点为：卡瓣的数量等于形状记忆合金杆的数量，在加力钢圈移动时，卡瓣会随之收紧，卡瓣弯曲段的外缘之间的间隔距离也会随之缩小，则要求形状记忆合金杆的直径、卡瓣之间的间隔距离要满足在卡瓣收紧的过程中，形状记忆合金杆不会被逐渐减小间隔距离的卡瓣所夹住。

锚杆阻力f_阻的大小与形状记忆合金杆的形状恢复力F、加力钢圈的位移u、卡瓣的有关尺寸a、b、c和卡瓣和螺纹钢杆体之间的摩擦系数μ有关，锚杆阻力f_阻可以由下式估算得出：

本发明智能控制增阻大变形锚杆的变形阻力来源于卡瓣对螺纹钢杆体的摩擦力和螺纹钢杆体的塑性变形力，其驱动力来源于形状记忆合金杆的形状恢复力，而形状记忆合金杆形状恢复的激发因素是由电流产生的热量所引起的温度的上升。电流通过固定螺母、形状记忆合金杆、加力钢圈、增阻装置外壳和锚杆托盘或锚杆螺母和外部的电源组成回路。

本发明智能控制增阻大变形锚杆使用方法为：对于支护参数未知的锚固支护工程，在使用智能控制增阻大变形锚杆进行支护时，可以通过连接至锚杆上的计算机进行设定锚杆变形最大速度值和锚杆的最大变形量值，当安装后智能控制增阻大变形锚杆的位移计监测到变形速度值或变形量值超过其设定值时。计算机发出指令控制电源加大对增阻装置的供电，从而增加锚杆的变形阻力，减小锚杆的变形速度，抑制锚杆变形量超过设定值。同时计算机中对于锚杆的变形速度-变形量可以通过程序预先设定其数值关系曲线，通过实时监测、反馈和控制电源对增阻装置的供电来实现智能控制增阻大变形锚杆的变形速度-变形量数值曲线为计算机程序预先设定的曲线。其数值曲线必须满足的条件是锚杆的变形阻力必须是逐渐增大或者保持不变的情形的曲线。

本发明的有益效果为：

本发明解决了大变形锚杆在以往的锚杆变形-变形阻力间的单一性问题，使得大变形锚杆在工作时的变形阻力可以人为控制增大，控制锚杆的变形速度-变形量之间的关系曲线可以由的数字计算机预先设定实现，以实现锚杆的变形阻力变化的智能化。

附图说明

图1为本发明的完整组装后三维示意图。

图2为本发明的三维切剖示意图。

图3为本发明的驱动力产生装置示意图。

图4为本发明的卡瓣8示意图。

图5为本发明的卡瓣8安装在增阻装置外壳12中的剖面图。

图6为本发明的卡瓣8纵剖面几何特征图。

图7为本发明的加力钢圈7三维示意图。

图8为本发明的形状记忆合金杆9三维示意图。

图9为本发明的绝缘垫圈11三维示意图。

图10为本发明的增阻装置外壳12三维剖切示意图。

图11为本发明的电流流动示意图。

图12为本发明的受力分析示意图。

图13为本发明的具体实施例示意图。

图中：1.增阻装置，2.螺纹钢杆体，3.锚杆托盘，4.锚杆螺母，5.拉绳式位移计，6.固定螺母，7.加力钢圈，8.卡瓣，9.形状记忆合金杆，10.位移计钢丝，11.绝缘垫圈，12.增阻装置外壳。

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1-13所示，本发明的记忆合金锚固装置包括：增阻装置(2)，螺纹钢杆体(2)，锚杆托盘(3)，锚杆螺母(4)，拉绳式位移计(5)，而增阻装置(1)是由固定螺母(6)，加力钢圈(7)，卡瓣(8)，形状记忆合金杆(9)，绝缘垫圈(11)，增阻装置外壳(12)组成。

螺纹钢杆体(2)为普通螺纹钢筋，螺纹钢杆体(2)表面螺纹均匀，在岩石钻孔的深处，螺纹钢杆体(2)的一端通过树脂锚固剂和周围岩石紧紧结合在一起；在增阻装置(1)内部，卡瓣(8)的内表面紧紧将压力作用在螺纹钢杆体(2)上，通过之间挤压的产生摩擦力和螺纹钢杆体(2)的塑性变形力来克服锚杆的变形。

作为实时测量的锚杆变形量的拉绳式位移计(5)，其固定端固定在锚杆的增阻装置外壳(12)的一个小圆柱体上，并由保护外壳所包裹，而拉绳端则连接在螺纹钢杆体(2)在增阻装置(1)内的一端上，拉绳式位移计(5)可以实时的将位移转化成数字信号传递至处理计算机中进行分析、监测。

锚杆变形阻力的增加是通过形状记忆合金杆(9)的形状恢复力产生的，形状记忆合金杆(9)选用钛镍合金，分子构型转变温度为80°左右，形状记忆合金杆(9)在安装使用前应先在记忆合金的形状开始恢复温度下拉长至该记忆合金材料的记忆变形极限的90％左右，温度的升高通过电流的热效应实现，电流的流动是同过暴漏在锚杆孔外固定形状记忆合金杆(9)的固定螺母(6)到形状记忆合金杆(9)到加力钢圈(7)到增阻装置外壳(12)然后通过锚杆孔外的锚杆托盘(3)和锚杆螺母(4)，在此过程中，由于形状记忆合金杆(9)电阻率是钢材的6～8倍，而且外形上形状记忆合金杆(9)的横截面积远小于其它部件的横截面积所以，电流的回路中电阻绝大部分电阻值集中在形状记忆合金杆(9)中，加之使其通过电流较大，所以形状记忆合金杆(9)的温度能够迅速上升。另外形状记忆合金杆(9)的外表面包裹一层绝缘耐高温的石棉布材料，是防止形状记忆合金杆(9)和增阻装置外壳(12)接触，保证电流回路的正常运行的重要材料。形状记忆合金杆(9)一端直接连接在加力钢圈(7)上，而另一端由固定螺母(6)将形状记忆合金杆(9)固定在增阻装置外壳(12)上，由于固定螺母(6)和增阻装置外壳(12)都是金属导体，所以之间需要绝缘体隔断，于是在形状记忆合金杆(12)、固定螺母(6)与增阻装置外壳(12)之间加上纤维增强酚醛树脂材质的绝缘垫圈(11)。

当形状记忆合金杆(9)的形状恢复时，恢复力(恢复应力可达300MPa～800MPa)作用到加力钢圈(7)上，拉动加力钢圈(7)运动，此时，加力钢圈(7)同时受到形状记忆合金杆(9)的拉力、增阻装置外壳(12)的作用力和卡瓣(8)的作用力的同时作用，此时卡瓣(8)的外表面的曲线起到斜坡效应，加之卡瓣(8)本身外形的杠杆作用最后将成倍的挤压力作用在螺纹钢杆体(2)上，挤压螺纹钢杆体(2)至产生塑性变形时，锚杆阻力便是摩擦阻力和螺纹钢杆体(2)变形阻力的合力。为了减小力的损失，在卡瓣(8)的外面和增阻装置外壳(12)的内表面需要进行光滑处理，加力钢圈(7)内外表面也要进行光滑处理，而卡瓣(8)的内表面则进行粗糙处理。

当智能控制增阻大变形锚杆安装至岩石钻孔中时，岩体对锚杆的作用力一是在螺纹钢杆体(2)在岩石钻孔内锚固剂段，另一则是通过锚杆托盘(3)和锚杆螺母(4)作用到增阻装置外壳(12)上，二者通过卡瓣(8)作用力相互作用，当围岩发生大变形时，围岩则通过推动锚杆托盘(3)使得锚杆的增阻装置(1)随同锚杆托盘(3)和锚杆螺母(4)一起运动，此时，拉绳式位移计(5)则可以得到螺纹钢杆体(2)一端相对增阻装置(1)的位移大小和速度，信息通过数字信号快速传递至计算机，计算机可以同过预先设定的程序根据位移信息，决定是增大锚杆变形阻力还是保持不变，则可通过发送指令信号至外置电源对增阻装置(1)的供电进行控制。

Claims (10)

1.一种智能控制增阻大变形锚杆，其包括：增阻装置(1)，螺纹钢杆体(2)，锚杆托盘(3)，锚杆螺母(4)，拉绳式位移计(5)，其特征在于：螺纹钢杆体(2)从增阻装置(1)一端中间通入增阻装置(1)内部，由增阻装置(1)内的卡瓣卡紧，并且在增阻装置(1)内部的螺纹钢杆体(2)一端连接位移计钢丝(10)；拉绳式位移计(5)连接在增阻装置(1)在锚杆螺母外侧的一个凸起上。

2.根据权利要求1所述的智能控制增阻大变形锚杆，其特征在于：锚杆的变形量的测量由拉绳式位移计(5)通过在增阻装置(1)内部将位移计钢丝(10)连接在螺纹钢杆体(2)的一端上得以实现。

3.根据权利要求1所述的智能控制增阻大变形锚杆，其特征在于：所述的增阻装置(1)包括：增阻装置外壳(12)，卡瓣(8)，加力钢圈(7)，形状记忆合金杆(9)，绝缘垫圈(11)，固定螺母(6)，其特征在于：卡瓣(8)的平直的一端和增阻装置外壳(12)焊接连接，在其连接处，卡瓣(8)利用本身的弧度组成之间有均匀间隔距离的圆形分布，加力钢圈(7)安装在卡瓣(8)和增阻装置外壳(12)之间；形状记忆合金杆(9)一端连接在加力钢圈(7)上，另一端穿过绝缘垫圈(11)，由固定螺母(6)固定在增阻装置外壳(12)上。

4.根据权利要求3所述的增阻装置(1)，其特征在于：所述增阻装置外壳(12)为圆柱壳体，其在锚杆托盘一端在外表面上有螺纹，在顶部中有一小圆柱体凸起，其中部有一钻孔，其直径能够使得位移计钢丝(10)在孔中自由移动，小圆柱上固定拉绳式位移计(5)，在顶部四周有有数量等于形状记忆合金杆数量的钻孔，其直径和绝缘垫圈(11)相匹配；在增阻装置外壳(12)的另一端中间留有钻孔，其直径和螺纹钢杆体直径(2)相匹配。

5.根据权利要求3所述的增阻装置(1)，其特征在于：所述卡瓣(8)为不规则形状沿轴线方向旋转而成的体，然后由过轴线的平面切割成瓣状，其材质为硬质合金钢，其外表面为在连接增阻装置外壳(12)的一端为平直的形状，向另一端由平直逐渐过渡到上升的曲线斜坡形状，其母线曲线在笛卡尔坐标中的方程为

x∈(0，b)，其中a为卡瓣(8)向内移动的最大距离，b为卡瓣弯曲段的水平长度，且表面较为光滑；内表面在连接增阻装置外壳(12)的一端为平直形状，其平直状一只延伸到超出上表面平直段长度的距离为c时开始弯曲，其母线曲线为抛物线；卡瓣(8)内表面的平直段紧紧和螺纹钢杆体(12)相接触。

6.根据权利要求3所述的增阻装置(1)，其特征在于：所述加力钢圈(7)为硬质合金钢，加力钢圈(7)截面为矩形，其内径和外径与卡瓣组成圆的外径和增阻装置外壳内径相匹配。钢圈一端连接形状记忆合金杆的面上等距轴对称的布置数量等于形状记忆合金杆且内有螺纹的凹孔，螺纹凹孔直径、螺距与形状记忆合金杆螺纹端的直径、螺距相匹配，加力钢圈(7)内外表面加工光滑；形状记忆合金杆(9)为两端带有连接螺纹的形状记忆合金杆，其表面覆盖有一层绝缘耐高温材料，形状记忆合金杆(9)直径和绝缘垫圈(11)内径相匹配，形状记忆合金杆(9)的安装位置在卡瓣(8)之间的间隔之中与加力钢圈相连接，且轴向和增阻装置的轴线相平行与增阻装置的中轴线称中心对称；绝缘垫圈(11)为纤维增强酚醛树脂材质的绝缘材料，其外形为在同一轴线上的两个不同直径的圆柱体的叠加，内部有直径等于形状记忆合金杆直径的穿孔，且较小外径的圆柱体的外径等于增阻装置(1)具有螺纹一端的钻孔的直径，且长度等于钻孔的深度。

7.根据权利要求3所述的增阻装置(1)，其特征在于：卡瓣(8)的数量，卡瓣(8)的分布的间距，卡瓣(8)的横截面的圆弧角度以及形状记忆合金杆(9)的直径和数量相匹配；在加力钢圈(7)的移动作用过程中，卡瓣(8)随之收紧，要求形状记忆合金杆的直径、卡瓣之间的间隔距离应满足在卡瓣收紧的过程中，形状记忆合金杆不会被逐渐减小间隔距离的卡瓣所夹住。

8.根据权利要求3所述的增阻装置(1)，其特征在于：激励电流流经固定螺母(6)、形状记忆合金杆(9)、加力钢圈(7)、增阻装置外壳(12)、锚杆托盘(3)和锚杆螺母(4)，与外界的电源组成闭合回路。

9.一种智能控制增阻大变形锚杆的使用方法，其特征在于：智能控制增阻大变形锚杆对于锚杆变形速度超过设定值或者锚杆变形量将要超过设定值的情形时，通过增加锚杆变形阻力来减小锚杆变形速度或者控制变形量不再增加。

10.根据权利要求9所述一种智能控制增阻大变形锚杆的使用方法，其特征在于：智能控制增阻大变形锚杆的锚杆变形速度-变形量按照计算机程序预先设定的其数值关系曲线进行控制。

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