CN103015389B - 用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头。纵向相继共有若干个孔内测点锚固头单元。钻孔内测点锚固头单元设计为面接触式，每个测点锚固头单元均包括主锚固头和锚头保护罩，所述主锚固头和锚头保护罩之间通过定位孔连接。主锚固头包括铟钢丝及定滑轮装置、外力转化装置和锚爪执行机构，铟钢丝及定滑轮装置接受外力并通过外力转化装置的转化和驱动，使得锚爪执行机构实现收缩动作，所述外力转化装置包括一个拉伸弹簧装置和若干异形弹簧，所述锚爪执行机构为若干三角形刀片式锚抓，所述异形弹簧数量和锚抓数量一致。具有锚固效果好、量程大、结构简单、施工方便、抗滑能力强、性能可靠等优点。

Description

用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头

技术领域

本发明涉及一种多点位移计锚头，更具体涉及一种用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头。

背景技术

富水软弱地层施工，土体位移计锚头的锚固效果及可靠性关系到工程的安全。目前，有关富水软弱地层土体位移计锚头大多采用撑开式伞形锚头、压缩木锚固、爪钩式锚头、注浆或锚固剂粘结等方式，这些锚固方式对建设工程的施工起到了重要作用，但随着施工技术的发展，其在施工过程中存在许多不足。撑开式伞形土锚锚头，当伞形土锚撑开时，造成土体结构破坏，特别容易造成孔口土体塌陷，使土体锚固强度降低，抗滑能力下降，影响土体锚固效果；水膨胀压缩木锚固在土体锚固中安装困难，操作不便，注水时间和膨胀时间难以控制，土体的锚固强度不够，容易造成孔内测点移动，使监测数据不准确；爪钩式锚头点接触锚固，爪钩处使土体结构破坏，造成土体锚固强度不够，可靠性差，使孔内测点偏离实际监测点，带来较大误差；采用注浆或锚固剂粘结孔内测点锚固时，注浆时间长，施工不便，且在极软弱土层中锚固效果不佳，造成锚固强度不可靠，带来测量误差，影响数据的精度。

以上土体位移计锚头均不适用于富水软弱地层土体的锚固，特别是在富水软弱地层，土体自稳性较差，透水性、富水性好，锚头锚固时造成土体结构的破坏，使锚固力大幅度降低，且缺少护孔装置，容易造成塌孔，使测量不准确，而有关富水软弱地层多层伸缩式多点位移计锚头的相关研究鲜有报道。

中国专利CN 207622U管缝锚固式多点位移计，该装置包括管缝式锚头，管缝式锚头为弹簧钢制成的带缝的锥台形锚头，并配有开口尾圈和倒刺，但是该锚头主要用于岩基、井巷、硐室及隧道灯岩土工程，而不能用于软体地层的锚固。

中国专利CN 1415805A船锚式注浆张开型士锚锚头，主要包括：薄壁铜管、锚抓顶座、活塞推进体、撑杆和锚抓，锚抓顶座与薄壁钢管固定连接，撑杆两头由活动销钉分别连接活塞推进体的撑杆底座和锚抓，锚抓的头部通过活动销钉与锚抓顶座连接，锚抓的中部通过活动销钉与撑杆连接，锚头后部设置连接孔与锚索相连。但是该专利比较适用于土质基坑、边坡墙中的锚固，不适用与富水软弱富水软弱地层的锚固，如果利用高压灌浆使锚抓张开切入锚孔孔壁，会造成土体结构的破坏，影响测量数据的精度。

中国专利CN 2078375U岩土钻孔多点位移计，主要自锚头、外伸型或凸起状弹簧片和测尺组成，锚头是由中间口径较大，两端口径小的三段开缝的异径管固定连接。该专利适用于松软岩层、煤体及土层测量，但是不适用于富水软弱的软体地层，容易造成锚固位置土体结构的破坏，使土体锚固力不足，影响位移测量的精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，该方法具有锚固效果好、量程大、结构简单、施工方便、抗滑能力强、性能可靠等优点。

本发明的技术方案如下：

本发明多层伸缩式多点位移计锚头，该锚头包括安置于待测土体的钻孔内的若干测点锚固头单元，各测点锚固头单元依次垂直放置且相互之间首末皆通过套管连接，每个测点锚固头单元对应固定于钻孔纵向的一个测点；

所述套管为中空的构件，各段套管的长度可根据位移测点的间隔长度选用钢管进行定制；

所述钻孔内测点锚固头单元设计为面接触式，每个测点锚固头单元均包括主锚固头和锚头保护罩，锚头保护罩连接于主锚固头底部；测点锚固头单元上端是由主锚固头通过锁定螺钉与上套管连接，其下端是由锚头保护罩通过锁定螺钉与下套管连接；

所述主锚固头包括铟钢丝及定滑轮装置、外力转化装置和锚爪执行机构，铟钢丝及定滑轮装置接受外力并通过外力转化装置的转化和驱动，使得锚爪执行机构实现收缩动作，所述外力转化装置包括一个拉伸弹簧装置和若干异形弹簧，所述锚爪执行机构为若干三角形刀片式锚抓，所述异形弹簧数量和锚抓数量一致，其中：

所述铟钢丝及定滑轮装置设置于主锚固头的顶端，铟钢丝一端与外力连接，其另一端经过定滑轮组后与拉伸弹簧装置的输入端连接，用于实现接受外力并通过定滑轮组调整受力方向，使得拉伸弹簧输入端起升或下降始终处于垂直方向；

所述外力转化装置置于主锚固头的中央区域，其拉伸弹簧装置中的拉伸弹簧嵌入垂直套筒内部，垂直套筒用于稳定拉伸弹簧的上下运动，拉伸弹簧输出端连接于异形弹簧共有的输入端，所述各异形弹簧的输出端分别连接于执行机构的各锚抓基部；

所述锚爪执行机构，其若干锚抓均布于主锚固头的外围区域，在主锚固头外围区域分别开设相应空隙供各锚抓伸缩；

主锚固头通过设置隔离套筒用来限位其中央和外围两个功能区域。

通过定滑轮组使铟钢丝在外力作用下带动拉伸弹簧受拉，拉伸弹簧在垂直方向运动并同步转化成对若干异形弹簧输入端的顶端吊起牵拉动作，各异形弹簧呈一定斜度被拉伸由此其输出端张拉使锚抓迅速缩回至主锚固头内部；反之，松开外力，拉伸弹簧回复缩短至常规状态，处于倾斜状态的异形弹簧也回复下落至水平位置状态，锚抓迅速被调整为伸出插入本锚固头单元所在测点处的钻孔土体内。

基于上述技术方案，本发明还公开了一系列优化方案：

1、所述主锚固头和锚头保护罩之间通过定位孔连接，具体为主锚固头为内定位孔，保护罩为外定位孔，两定位孔内插入定位螺栓实现连接。

2、在所述拉伸弹簧装置腰部设置一水平固定板17，该水平固定板17焊接固定于隔离套筒和垂直套筒之间，用于进一步稳定和限位拉伸弹簧装置。

3、在外力转化装置的正下方还设置一水平定位板19，水平定位板与锚抓高度相当，在钻孔内测点锚固头单元处于伸开状态时，该水平定位板用于支撑和定位执行机构的各异形弹簧同一水平面上，且使得各异形弹簧与执行机构的各锚抓也处于同一水平面上。

4、所述水平定位板19可焊接固定于锚头保护罩内的隔离套筒上，且保证异形弹簧受力时起限位作用。

5、所述拉伸弹簧装置的底部设有截面呈八字形的锥形定位套筒，定位套筒自身高度可调节整个拉伸弹簧装置的高度，以适应整个主锚固头设计尺寸高度，且该定位套筒安装于隔离套筒与垂直套筒之间的区域且定位套筒锥形斜度与异形弹簧动拉伸时最大斜度阈值一致，用于限位规避因拉伸弹簧受外力拉伸或收缩带动异形弹簧的拉伸或收缩时会发生扭曲、跳动。

6、各异形弹簧输出端分别与锚抓基部焊接。

7、所述若干异形弹簧、若干三角形刀片式锚抓分别都为三个，圆周内120°夹角分布。

8、所述三角形刀片式锚抓外沿为刀刃状，切入土体内为面接触，有利于切入富水软弱地层而不破坏土体的结构，避免钻孔塌孔现象的发生，增强锚抓与孔壁的接触效果，提高三角形刀片式多点位移计锚头的抗滑能力。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明多点位移计锚头可以由三只弹簧同步带动三片刀片式锚抓，利用其瞬间释放的弹性能量切入富水软弱地层而完成锚固，不受现场条件限制，安装方便，结构简单、可靠性和稳定性强、锚固效果好、抗滑能力强、性能可靠。

2、本发明三角形刀片式锚抓外沿为刀刃状的特点，有利于切入富水软弱地层而不破坏土体的结构，使得锚抓与孔壁的接触更加紧密，提高三角形刀片式多点位移计锚头的抗滑能力，锚固效果更可靠，可适用于富水软弱地层不同孔径内的锚固。

3、本发明具有精度高、量程大、安装简单、测量过程不受施工干扰、无人为测量误差、施工安全、测量方便、工作效率高等优点。

附图说明

图1为本发明多层伸缩式多点位移计锚头拉伸受力时结构示意图。

图2为本发明多层伸缩式多点位移计锚头收缩回弹时结构示意图。

图3为本发明孔内测点锚固头1拉伸受力时结构示意图。

图4为本发明孔内测点锚固头1收缩回弹时结构示意图。

图5为伸缩式锚抓收缩时结构示意图。

图6为伸缩式锚抓伸开时结构示意图。

其中：1为孔内测点锚固头单元，2连接套管，3为铟钢丝，4为钻孔，5为主锚固头，6为锚头保护罩，11为锁定螺钉，12为拉伸弹簧，13为异形弹簧，14为三角形刀片式锚抓，15为隔离套筒，16为拉伸弹簧装置的垂直套筒，17为水平固定板，18为截面呈八字形的锥形定位套筒，19为水平定位板，20为定滑轮，21为定位孔。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

以下详细介绍本发明的优选实施例。

本实施例以设定三个测点锚固头单元为例。如图1所示，本实施例用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，纵向相继共有三个孔内测点锚固头单元1，实际情况根据测点数量来定串接的锚固头单元数量。各测点锚固头单元依次垂直放置且相互之间首末皆通过连接套管2连接，每个测点锚固头单元对应固定于钻孔纵向的一个测点；所述连接套管2为中空的构件，各段套管的长度可根据位移测点的间隔长度选用钢管进行定制。这仅是优选的实施例，本发明技术方案保护范围不局限于本实施例。

如图1、图2所示，三个测点锚固头单元1依次垂直放置且相互之间首末皆通过连接套管2连接，每个测点锚固头单元用于固定钻孔4纵向的一个测点。在钻孔4内，各段连接套管2的长度，可根据位移测点的间隔长度选用钢管进行定制。

如图3、图4所示，所述钻孔内测点锚固头单元1设计为面接触式，每个测点锚固头单元均包括主锚固头5和锚头保护罩6，所述主锚固头和锚头保护罩之间通过定位孔21连接，具体为主锚固头为内定位孔，保护罩为外定位孔，两定位孔内插入定位螺栓实现连接。测点锚固头单元上端是由主锚固头通过锁定螺钉11与上段的连接套管2连接，其下端是由锚头保护罩6通过锁定螺钉11与下段的连接套管2连接；

所述主锚固头5包括铟钢丝3及定滑轮装置、外力转化装置和锚爪执行机构，铟钢丝及定滑轮装置接受外力并通过外力转化装置的转化和驱动，使得锚爪执行机构实现收缩动作，所述外力转化装置包括一个拉伸弹簧装置和若干异形弹簧，所述锚爪执行机构为若干三角形刀片式锚抓，所述异形弹簧数量和锚抓数量一致，其中：

所述铟钢丝及定滑轮装置设置于主锚固头的顶端，铟钢丝3一端与外力连接，其另一端经过定滑轮20组后与拉伸弹簧装置的输入端连接，用于实现接受外力并通过定滑轮组调整受力方向，使得拉伸弹簧输入端起升或下降始终处于垂直方向。

所述外力转化装置置于主锚固头的中央区域，其拉伸弹簧装置中的拉伸弹簧12嵌入垂直套筒16内部，垂直套筒用于稳定拉伸弹簧的上下运动，拉伸弹簧输出端连接于异形弹簧13共有的输入端，所述各异形弹簧的输出端分别与锚抓基部焊接。

优化，在外力转化装置的正下方还设置一水平定位板19，水平定位板与锚抓高度相当，在钻孔内测点锚固头单元处于伸开状态时，该水平定位板用于支撑和定位执行机构的各异形弹簧同一水平面上，且使得各异形弹簧与执行机构的各锚抓也处于同一水平面上。具体的说，所述水平定位板19可焊接固定于锚头保护罩内的隔离套筒上，且保证异形弹簧受力时起限位作用。

优化，所述拉伸弹簧装置的底部还设有一截面呈八字形的锥形定位套筒18，定位套筒自身高度可调节整个拉伸弹簧装置的高度，以适应整个主锚固头设计尺寸高度，且该定位套筒安装于隔离套筒与拉伸弹簧装置的垂直套筒之间的区域且定位套筒锥形斜度与异形弹簧动拉伸时最大斜度阈值一致，用于限位规避因拉伸弹簧受外力拉伸或收缩带动异形弹簧的拉伸或收缩时会发生扭曲、跳动。

所述锚爪执行机构：其若干锚抓均布于主锚固头的外围区域，在主锚固头外围区域分别开设相应空隙供各锚抓伸缩；如图5、图6所示，本实施例有三个三角形刀片式锚抓14，各锚抓互为120°夹角，三角形刀片式锚抓外沿为刀刃状，切入土体内为面接触，有利于切入富水软弱地层而不破坏土体的结构，避免钻孔塌孔现象的发生，增强锚抓与孔壁的接触效果，提高三角形刀片式多点位移计锚头的抗滑能力。

主锚固头通过设置隔离套筒15来限位其中央和外围两个功能区域。在所述拉伸弹簧装置腰部还可以设置一水平固定板17，该水平固定板17焊接固定于隔离套筒和垂直套筒之间，用于进一步稳定和限位拉伸弹簧装置。

通过定滑轮组使铟钢丝在外力作用下带动拉伸弹簧受拉或收缩，拉伸弹簧在垂直方向运动并同步转化成对若干异形弹簧输入端的顶端吊起牵拉动作，各异形弹簧呈一定斜度被拉伸由此其输出端收缩张力锚抓迅速缩回至主锚固头内部；反之，松开外力，拉伸弹簧回复缩短至常规状态，处于倾斜状态的异形弹簧也回复缩短至横向水平状态，锚抓迅速调整为伸出插入本锚固头单元所在测点处的钻孔土体内。

工作流程如下：

孔内测点锚固头单元1内：

施加外力，当拉伸弹簧12、三个异形弹簧13处于拉伸受力状态，三个三角形刀片式锚抓14收拢时，此时锚抓收缩，可方便放入钻孔内，如图5所示。

当外力消失，则拉伸弹簧由上往下回弹，异形弹簧瞬间收缩回落至水平状态，同步带动三个三角形刀片式锚抓伸开并迅速释放切入富水软弱地层，使三片三角形刀片式锚抓与孔壁紧密接触，提高测点的锚固力，如图6所示。

根据设计深度，可组成多层伸缩式多点位移计锚头，只需将多个孔内测点锚固头单元通过其各自的铟钢丝3，分别与上下的连接套管2连接，上连接套管与下连接套管之间的间距，可根据位移测点的间隔长度选用钢管进行连接。当测点数量超过三个时，也可依据上述组合方法，将多个孔内测点锚固头依次连接。

Claims (6)

1.用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，该锚头包括安置于待测土体的钻孔内的若干测点锚固头单元，各测点锚固头单元依次垂直放置且相互之间首末皆通过套管连接，每个测点锚固头单元对应固定于钻孔纵向的一个测点；

所述套管为中空的构件，各段套管的长度可根据位移测点的间隔长度选用钢管进行定制；

所述钻孔内测点锚固头单元设计为面接触式，每个测点锚固头单元均包括主锚固头和锚头保护罩，锚头保护罩连接于主锚固头底部；测点锚固头单元上端是由主锚固头通过锁定螺钉与上套管连接，其下端是由锚头保护罩通过锁定螺钉与下套管连接；

所述主锚固头包括铟钢丝及定滑轮装置、外力转化装置和锚爪执行机构，铟钢丝及定滑轮装置接受外力并通过外力转化装置的转化和驱动，使得锚爪执行机构实现收缩动作，所述外力转化装置包括一个拉伸弹簧装置和若干异形弹簧，所述锚爪执行机构为若干三角形刀片式锚抓，所述异形弹簧数量和锚抓数量一致，其中：

所述铟钢丝及定滑轮装置设置于主锚固头的顶端，铟钢丝一端与外力连接，其另一端经过定滑轮组后与拉伸弹簧装置的输入端连接，用于实现接受外力并通过定滑轮组调整受力方向，

使得拉伸弹簧输入端起升或下降始终处于垂直方向；

所述外力转化装置置于主锚固头的中央区域，其拉伸弹簧装置中的拉伸弹簧嵌入垂直套筒内部，垂直套筒用于稳定拉伸弹簧的上下运动，拉伸弹簧输出端连接于异形弹簧共有的输入端，各异形弹簧的输出端分别连接于执行机构的各锚抓基部；

所述锚爪执行机构，其若干锚抓均布于主锚固头的外围区域，在主锚固头外围区域分别开设相应空隙供各锚抓伸缩；

主锚固头通过设置隔离套筒来限位其中央和外围两个功能区域。

2.如权利要求1所述的用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，所述主锚固头和锚头保护罩之间通过定位孔连接，具体为主锚固头为内定位孔，锚头保护罩为外定位孔，两定位孔内插入定位螺栓实现连接。

3.如权利要求1所述的用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，在所述拉伸弹簧装置腰部设置一水平固定板，该水平固定板焊接固定于隔离套筒和垂直套筒之间。

4.如权利要求1所述的用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，所述拉伸弹簧装置的底部设有截面呈八字形的锥形定位套筒，定位套筒自身高度可调节整个拉伸弹簧装置的高度，以适应整个主锚固头设计尺寸高度，且该定位套筒安装于隔离套筒与拉伸弹簧装置的垂直套筒之间的区域且定位套筒锥形斜度与异形弹簧动拉伸时最大斜度阈值一致。

5.如权利要求1所述的用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，所述若干异形弹簧、若干三角形刀片式锚抓分别都为三个，圆周内120°夹角分布。

6.如权利要求1或者5所述的用于富水软弱地层的多层伸缩式多点位移计锚头，其特征在于，所述三角形刀片式锚抓外沿为刀刃状。