CN103806446B - 一种内撑扩张型锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是克服粘结型锚杆起效慢、成本高，楔缝式(管缝式)锚杆、胀壳式锚杆和爆炸式锚杆等机械锚杆承载力低、可靠性差等缺陷，提供一种安全、易施工、能够重复使用的锚杆。即一种内撑扩张型锚杆，包括锚具外套和内锚具。所述内锚具包括左翼板、右翼板、左连杆、右连杆和连杆拉索。该内撑扩张型锚杆克服了粘结型锚杆锚固段长度大、成本高、见效慢、施工期长、不能检修、不能回收等缺陷，克服了目前机械型锚杆抗拔力低、可靠性差、不能检修、不能回收等缺陷，是一种锚固抗拔力大、施工快、成本低、可靠性高、易于检修和回收利用的锚杆。

Description

一种内撑扩张型锚杆

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域。

背景技术

锚杆支护技术凭借其显著的经济优越性，安全可靠性在世界各国的矿井、水电、交通、建筑等工程领域广泛应用。锚杆支护通过锚杆将稳定的内部岩土体和潜在松动的岩土体有机连接而形成稳定坚固的支护体系，主要由内锚段、自由段和外锚头组成。锚杆根据不同结构形式和受力机理分为机械型锚杆、粘结型锚杆。机械型锚杆通过内锚头材料与围岩之间的机械阻力进行锚固，基本形式有楔缝式(管缝式)锚杆、胀壳式锚杆和爆炸式锚杆。机械型锚杆工艺简单、安装后立即起到支护作用，但目前的楔缝式(管缝式)锚杆、胀壳式锚杆和爆炸式锚杆等锚杆较短、安装难度较大、锚固力小、耐腐蚀性和耐久性差，可靠性较差，针对不同的围岩条件要求较高、适用范围较为有限，个别锚杆可回收再利用，大多数只能一次性适用、内锚头失效便无法修复。粘结型锚杆是在锚杆与锚孔内壁的空隙填充粘结材料，粘结材料凝固后产生锚固力，主要形式有砂浆锚杆和树脂锚杆，粘结型锚杆的优点是在锚固段内岩体与锚杆均能紧密连接，具有较高的锚固力，锚杆长度较大、对围岩的适应性强且结构简单、加工安装方便，在实际应用中更为广泛，但粘结材料固结慢，安装后不能立即受力，施工工期较长，而且对环境有一定的影响，只能一次性使用、一旦内锚头失效便无法修复，如果是预应力锚杆其预应力损失较大，费用较高。因此当前的两类锚杆均存在上述缺陷，因此研究锚杆长度大，适应性强、承载力高、安装方便、已检修并可多次使用的锚杆结构已成为目前锚固工程中亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服粘结型锚杆起效慢、成本高，楔缝式(管缝式)锚杆、胀壳式锚杆和爆炸式锚杆等机械锚杆承载力低、可靠性差等缺陷，提供一种安全、易施工、能够重复使用的锚杆。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种内撑扩张型锚杆，其特征在于：包括锚具外套和内锚具。所述内锚具包括左翼板、右翼板、左连杆、右连杆和拉索。

所述锚具外套是一个具有中空内腔的圆柱体，所述内腔的腔壁上对称地开有左窗口和右窗口。

所述左翼板放置在左窗口内，所述右翼板放置在右窗口。

所述左连杆和右连杆位于左翼板和右翼板之间，左连杆的首端和右连杆的首端铰接在一起。所述拉索伸入内腔的一端连接在所述左连杆和右连杆的铰接点。

所述左连杆的尾端铰接在左翼板的内侧板面上，所述右连杆尾端铰接在右翼板的内侧板面上。左、右连杆互成一定角度。当二者的夹角变大时，便会将左、右翼板撑开，使其对锚孔周围的岩土产生挤压作用，增加内锚具外表面的摩阻力。反之，左、右连杆夹角变小时，左、右翼板向心收拢，其对锚杆周围的岩土产生挤压作用减小或消失，内锚具外表面的摩阻力相应减小。

进一步，所述左翼板和右翼板的外侧板面是齿面。所左连杆的首端和右连杆的首端是通过连杆轴销铰接的。所述连杆轴销是圆柱销。所述拉索伸入内腔的一端连接在连杆轴销上。所述拉索是钢筋或钢绞线。

进一步，所述左翼板和右翼板的内侧板面上设置有加强肋，所述加强肋上具有销轴套。所述左连杆的尾端和右连杆的尾端分别与一个圆柱销轴的侧面连接。所述圆柱销轴嵌入加强肋上的销轴套中。

进一步，还包括左辅助拉杆和右辅助拉杆，所述左辅助拉杆和右辅助拉杆的首端铰接在一起。左辅助拉杆和右辅助拉杆的杆体上均具有条形滑槽。所述左翼板和右翼板的加强肋上均具有轴销。所述左翼板上的轴销穿入左辅助拉杆上的条形滑槽，所述右翼板上的轴销穿入右辅助拉杆上的条形滑槽。所述辅助拉索的一端穿入内腔后，与所述左辅助拉杆和右辅助拉杆的铰接点连接。

进一步，所述内腔的腔壁上对称地开有若干成对出现的左窗口和右窗口。每一对左窗口和右窗口之间具有一套内锚具。

进一步，所述内锚具中非铰接部位均进行电镀防腐处理，并喷涂防锈漆。安装完毕后，在所述内腔中注入防腐保护材料，例如沥青等。

本发明带来的技术效果是毋庸置疑的，该内撑扩张型锚杆克服了粘结型锚杆锚固段长度大、成本高、见效慢、施工期长、不能检修、不能回收等缺陷，克服了目前机械型锚杆抗拔力低、可靠性差、不能检修、不能回收等缺陷，是一种锚固抗拔力大、施工快、成本低、可靠性高、易于检修和回收利用的锚杆。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为翼板和连杆配合示意图；

图3为连杆结构示意图；

图4为翼板结构示意图；

图5为翼板初始状态示意图；

图6为翼板撑开示意图；

图7为翼板收起示意图；

图8为本发明一个实施例的尺寸示意图；

图9为图8的受力分析图。

图中：锚杆外套-1、内腔-101、左窗口-102、右窗口-103、左翼板-2、左翼板外齿面-201、左翼板加强肋-202、左翼板轴套-203、左翼板轴销-204、右翼板-3、右翼板外齿面-301、右翼板加强肋-302、右翼板轴套-303、右翼板轴销-304、左连杆-4、左圆柱销轴-401、右连杆-5、右圆柱销轴-501、连接索-6、连杆轴销-7、左辅助拉杆-8、左条形滑槽-801、右辅助拉杆-9、右条形滑槽-901、辅助拉索-10、锚杆连接器-11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种内撑扩张型锚杆，主要包括锚具外套1和内锚具。所述内锚具包括左翼板2、右翼板3、左连杆4、右连杆5和锚杆连接器11等部件。

参见图1，图中的锚具外套1是由刚性材料制成的中空柱体，其整体置入岩土中，其外表面与岩土接触。所述锚具外套1具有中空的内腔101。所述内腔101的腔壁上对称地开有左窗口102和右窗口103。所述左窗口102和右窗口103即是锚具外套1的管体上开的贯穿管壁的通孔，使得内锚具的左翼板2和右翼板3能够穿出内腔101与岩土体接触。

所述左翼板2放置在左窗口102内，所述右翼板3放置在右窗口103。本实施例中，所述左翼板2和右翼板3的形状、结构和尺寸完全相同，只是相互对称地放入内腔101中。实施例中，所述左翼板2和右翼板3均包含内外两个相互对称的板面。所述左翼板2自由地穿过左窗口102，右翼板3也可以自由地穿过右窗口103。当锚具外套1插入锚孔时，所述左翼板2和右翼板3的外侧板面面向岩土、内侧板面面向内腔101的中轴。对左翼板2和右翼板3的内侧板面施加一个向外的推力后，左翼板2和右翼板3就会压向锚具外套1外侧的岩土。

所述左连杆4和右连杆5位于左翼板2和右翼板3之间。本实施例中，所述左连杆4和右连杆5的形状、结构和尺寸完全相同，只是相互对称地放入内腔101中。左连杆4的首端和右连杆5的首端铰接在一起，使得左连杆4和右连杆5呈“V”型连接。所述左连杆4的尾端铰接在左翼板2的内侧板面上，所述右连杆5尾端铰接在右翼板3的内侧板面上。

参见图2，当左连杆4和右连杆5向内侧合拢时(即左连杆4和右连杆5之间的夹角逐渐缩小时)，左翼板2和右翼板3向中间收缩。

当左连杆4和右连杆5向外侧分开时(即左连杆4和右连杆5之间的夹角逐渐扩大时)，左翼板2和右翼板3向两边撑开。若此时锚具外套1处于岩土中，左翼板2和右翼板3必然要压向与锚具外套1外的岩土。

所述锚杆连接器11的首端与所述左连杆4和右连杆5的铰接点连接。参见图1，所述连接索6是与铰接部位相连接的钢绞线或钢筋，将其向上提拉时，相互铰接的左连杆4和右连杆5必然要运动，二者之间的夹角会产生变化，使得左翼板2和右翼板3被撑开，紧压周围岩土。

当需要将锚杆1回收时，只需要松开连接索6，使得左连杆4和右连杆5不再向两侧施加推力，并使用左辅助拉杆、右辅助拉杆和辅助拉线使左连杆4和右连杆5的夹角减少，使得之前被撑开的左翼板2和右翼板3向中间收拢，不再压紧周围的岩土，就可以将锚具外套1连同内锚具从岩土中抽出。

本实施例中，所述左翼板2和右翼板3的外侧板面是齿面，即图中所示的左翼板外齿面201和右翼板外齿面301。当左翼板2和右翼板3与基岩接触时，凸齿会嵌入岩土内，会增大岩土壁面对内锚具的阻力。

实施例2：

本实施例的结构同实施例1，只是更具体地，所述左连杆4和右连杆5是通过轴销副分别与左翼板2和右翼板3铰接的。即左翼板2和右翼板3的内侧板面上设置有加强肋(图中所示的左翼板加强肋202和右翼板加强肋302)。

左翼板加强肋202上具有左翼板轴套203，右翼板加强肋302上具有右翼板轴套303。在本实施例的一个实现方式中，左翼板轴套203和右翼板轴套303分别是左翼板加强肋202和右翼板加强肋302上的圆柱窝。在本实施例的另一个实现方式中，左翼板轴套203和右翼板轴套303分别是焊接在左翼板加强肋202和右翼板加强肋302上的轴销套。

所述左连杆4的尾端(未与右连杆5铰接的一端)连接有左圆柱轴销401；所示右连杆5的尾端(未与左连杆4铰接的一端)连接有右圆柱轴销501。

所述右圆柱轴销501嵌入右翼板轴套303中形成轴销副。同理，所述左圆柱轴销401嵌入左翼板轴套203中形成轴销副。

作为优选，所述左翼板轴套203和右翼板轴套303的开口斜向锚孔底，或者是左翼板轴套203和右翼板轴套303的锚杆张拉方向具有凸块。即需要限制柱面连接副向锚杆张拉方向的自由度。因此，所述左连杆4和右连杆5不能够转动到平角位置，始终锚杆轴线倾斜一定角度。采用这种设计的原因是：由于所述左连杆4和右连杆5相互铰接，拉动锚杆连接器11，左连杆4和右连杆5之间的夹角会逐渐变大。当左连杆4和右连杆5水平时(夹角为180°)，左翼板2和右翼板3被撑开的距离最大，左翼板2和右翼板3对岩石的压力也会最大。但如果继续提拉锚杆连接器11，左连杆4和右连杆5之间的夹角方向发生变化且会变小，这时，左翼板2和右翼板3之间作用力会减少直至为0，将不会对岩土产生压力。综上，限制左连杆4和右连杆5向锚杆张拉方向的运动的自由度是必要的。

作为优选，本实施例还包括锚杆连接器11。所述锚杆连接器11是一个套在连杆轴销7外的金属套。所述左连杆4的首端和右连杆5的首端通过连杆轴销7铰接在一起。所述连杆轴销7穿过锚杆连接器11。

实施例3：

本实施例的结构同实施例1，还包括左辅助拉杆8和右辅助拉杆9。所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9位于左连杆4和右连杆5的靠近锚杆侧。本实施例中，所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9的形状、结构和尺寸完全相同，只是相互对称地放入内腔101中。

参见图5，所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9的首端铰接在一起。左辅助拉杆8和右辅助拉杆9的杆体上均具有条形滑槽(即图中所示的左条形滑槽801和右条形滑槽901)。

所述左翼板2上具有左翼板轴销204，所述左翼板轴销204嵌入左条形滑槽801中形成滑动副。所述右翼板3上具有右翼板轴销304，所述右翼板轴销304嵌入右条形滑槽901中形成滑动副。所述辅助拉索10与所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9的铰接点连接。

参见图5，当左翼板2和右翼板3被左连杆4和右连杆5撑开之前，左翼板2和右翼板3位于锚具外套1内，左连杆4和右连杆5的夹角为锐角，当拉动锚杆连接器11时锚具外套1与锚孔壁的摩擦力较小，左连杆4和右连杆5不能被拉开，锚具外套和内锚具将被整体拉出。所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9夹角指向锚孔底，其夹角为钝角，张拉辅助拉索10时，左辅助拉杆8和右辅助拉杆9凭锚具外套1提供的较小的摩阻力将被张拉开，将左翼板2和右翼板3撑出锚具外套1与锚孔岩土壁面接触，并增大内锚具与锚孔岩土壁的摩阻力。同时也将左连杆4和右连杆5的夹角由锐角转变为钝角，此时可停止张拉辅助拉索10，通过拉锚杆连接器可使左连杆4和右连杆5张开，将左翼板2和右翼板3进一步压向锚孔岩土壁，直至达到内锚具的设计状态，此时左连杆4、右连杆5、、左翼板2和右翼板3受力达到最大状态。

参见图6，当左翼板2和右翼板3被左连杆4和右连杆5撑开到最大限度时，所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9成直线状，其二者之间的夹角为平角。这时，所述左辅助拉杆8和右辅助拉杆9之间作用力为0。

参见图7，当需要回收锚具外套和内锚具时，先松开连接索6，使锚杆连接器11的作用力为0，卸掉左连杆4和右连杆5对左翼板2和右翼板3提供的支撑力。再张拉辅助拉索10，使左辅助拉杆8和右辅助拉杆9的夹角指向锚孔外，作用在辅助拉索10上的力越大，左辅助拉杆8和右辅助拉杆9之间的夹角越小，将左翼板2和右翼板3重新收缩到锚具外套1内。进一步张拉辅助拉索10就可以比较轻松地回收锚具外套1和内锚具。

实施例4：

本实施例的结构同实施例1、2或3。只是具有多个配对的左右窗口和内锚具，使得锚具外套1和内锚具布置在锚孔不同深度。即所述内腔101的腔壁上对称地开有若干成对出现的左窗口102和右窗口103。每一对左窗口102和右窗口103之间具有一套内锚具。在为开窗部分将穿过布置靠近锚孔底部的锚杆杆材。

安装时，为了方便内锚具顺利安装到锚孔内，应减少内锚具的横断面积，将两翼板收缩起来，然后将内锚具放置在锚具套内。

实施例5：

本实施例的结构同实施例1、2、3或4，只是对其结构尺寸、优选方式进一步说明，以及对其进行受力分析。

参见附图8，所述左连杆4和右连杆5表示为O₁O₂、O₂O₃。O₂点即为左连杆4和右连杆5相互交接点。O₁O₂可以绕O₁转动，O₂O₃可以绕O₃转动。拉动锚杆连接器11时，迫使左连杆4和右连杆5在分别绕O₁或O₃转动的同时，均绕着O₂转动，左连杆4和右连杆5的夹角增大，迫使两侧翼板向围岩扩张产生挤压作用。

当张拉稳定后，左连杆4和右连杆5受力如图9所示，根据受力分析可得：

左连杆4或右连杆5轴力：

垂直锚杆方向的分力： $N_y=\frac{\tan a_2\·T}{2}---\left(2\right)$

平行锚杆方向的分力：

式中，T为锚杆拉力，a₂为锚杆张拉稳定后左连杆4或右连杆5的轴线与锚杆轴线的夹角。

翼板受到连杆挤压后产生的反作用力，在垂直锚杆方向和平行锚杆方向的分力分别为式(2)和式(3)。翼板和围岩接触将产生摩擦力按下式计算：

$N_x^1=\mathrm{\μ}{N}_y=\mathrm{\μ}\frac{\tan a_2\·T}{2}---\left(4\right)$

式中，μ为围岩与翼板的摩擦系数。

围岩受翼板挤压变形后翼板纹齿将压入围岩与围岩咬合，如果纹齿嵌入围岩的深度为d₁(0＜d₁＜d)，则翼板齿嵌入围岩的面积约为S₁＝d₁a₂H₂，嵌入部分提供的锚固力近似计算公式为：

$N_x^2=R_c{S}_1=R_c{d}_1{a}_2{H}_2---\left(5\right)$

式中，R_c为岩石的单轴抗压强度。

锚杆总锚固力为： $T=2(N_x^1+N_x^2)=2(\mathrm{\μ}\frac{\tan a_2\·T}{2}+R_c{d}_1{a}_2{H}_2)---\left(6\right)$

作为优选，在内锚头保护装置内的两翼板之间的距离为2H₁，连杆与锚杆的夹角为a₁。为了便于安装往往需要减少2H₁，因此a₁大小一般为30°～60°，在锚杆往外拉的过程中，连杆轴力的N_x远远大于N_y，孔壁能提供的摩阻力小，可能两翼板来不及张开而被来出，因此设置了辅助安装器，即相互铰接的左辅助拉杆8和右辅助拉杆9，其结构与连杆轴相似。辅助安装器的夹角较大，先张拉辅助拉索10使辅助安装器扩张，左辅助拉杆8和右辅助拉杆9之间的夹角变大，左连杆4和右连杆5夹角也相应增大，两翼板可先获得一定的N_y，增大孔壁摩阻力，当a₁增大到一定程度后N_y也增大，可以为锚杆牵引提供较大的摩阻力，此时应停止张拉辅助拉索10，开始张拉锚杆。锚杆张拉过程中，两翼板扩张较明显，左连杆4和右连杆5轴向力增大较快，孔壁的压力也增加较快，提供给锚杆的拉力也就越大，当连杆扩张到设计角度后左连杆4或右连杆5与锚杆的夹角为a₂，两翼板扩张宽度D_max为：D_max＝2l₁(sina₂-sina₁)   (7)

左连杆4和右连杆5扩张到设计状态，两连杆不能再绕O₁和O₃转动，两翼板不能进一步扩张，左辅助拉杆8和右辅助拉杆9被拉成直线状。在锚具外套1和内锚具回收或检修时，应先将施加于铰接点的拉力释放，两翼板不再处于受压状态，然后张拉辅助拉索10，此时左辅助拉杆8和右辅助拉杆9反折，使两连杆夹角减小，翼板开始收缩，重新装入内锚具外套1，内锚具便可以较为方便的拉出锚孔外，以便对内锚具进行回收检修。

本发明的实施例中，大部分部件为金属材料，应对其进行高级别的防腐蚀处理。在金属部件的表面均应电镀涂层进行第一工序防腐，然后进行防锈漆等第二道防腐措施。最后在锚孔内的锚固段内灌注防腐保护层，如复合沥青材料等进行综合防腐蚀措施。可有效进行防腐蚀处理，并在内锚具在运营过程中加强检测工作可确保锚杆安全使用。

Claims (6)

1.一种内撑扩张型锚杆，其特征在于：包括锚具外套(1)和内锚具；所述内锚具包括左翼板(2)、右翼板(3)、左连杆(4)、右连杆(5)和连接索(6)；

所述锚具外套(1)是一个具有中空内腔(101)的圆柱体，所述内腔(101)的腔壁上对称地开有左窗口(102)和右窗口(103)；

所述左翼板(2)放置在左窗口(102)内，所述右翼板(3)放置在右窗口(103)；

所述左连杆(4)和右连杆(5)位于左翼板(2)和右翼板(3)之间，左连杆(4)的首端和右连杆(5)的首端铰接在一起；所述连接索(6)伸入内腔(101)的一端连接在所述左连杆(4)和右连杆(5)的铰接点；

所述左连杆(4)的尾端铰接在左翼板(2)的内侧板面上，所述右连杆(5)尾端铰接在右翼板(3)的内侧板面上。

2.根据权利要求1所述的内撑扩张型锚杆，其特征在于：所述左翼板(2)和右翼板(3)的外侧板面是齿面；左连杆(4)的首端和右连杆(5)的首端是通过连杆轴销(7)铰接的；所述连杆轴销(7)是圆柱销；所述连接索(6)伸入内腔(101)的一端连接在连杆轴销(7)上；所述连接索(6)是钢筋或钢绞线。

3.根据权利要求1所述的内撑扩张型锚杆，其特征在于：所述左翼板(2)和右翼板(3)的内侧板面上设置有加强肋，所述加强肋上具有销轴套；所述左连杆(4)的尾端(401)和右连杆(5)的尾端(501)分别与一个圆柱销轴的侧面连接；所述圆柱销轴嵌入加强肋上的销轴套中。

4.根据权利要求3所述的内撑扩张型锚杆，其特征在于：还包括左辅助拉杆(8)和右辅助拉杆(9)，所述左辅助拉杆(8)和右辅助拉杆(9)的首端铰接在一起；左辅助拉杆(8)和右辅助拉杆(9)的杆体上均具有条形滑槽；所述左翼板(2)和右翼板(3)的加强肋上均具有轴销；所述左翼板(2)上的轴销穿入左辅助拉杆(8)上的条形滑槽，所述右翼板(3)上的轴销穿入右辅助拉杆(9)上的条形滑槽；辅助拉索(10)的一端穿入内腔(101)后，与所述左辅助拉杆(8)和右辅助拉杆(9)的铰接点连接。

5.根据1～4任一项权利要求所述的内撑扩张型锚杆，其特征在于：所述内腔(101)的腔壁上对称地开有若干成对出现的左窗口(102)和右窗口(103)；每一对左窗口(102)和右窗口(103)之间具有一套内锚具。

6.根据1～4任一项权利要求所述的内撑扩张型锚杆，其特征在于：所述内锚具中非铰接部位均进行电镀防腐处理，并喷涂防锈漆；安装完毕后，在所述内腔(101)中注入防腐保护材料。