CN104373145B - 内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置及方法，利用不同弹塑性可压缩材料的塑性压缩让压变形性能，在围岩发生大变形时该装置可同步实现分级恒阻大变形，保证锚索的锚固结构不发生破坏，允许发生较大变形以适应高应力破裂围岩的大变形要求。在此过程中可以不断地吸收围岩变形能，维持围岩与支护结构的整体稳定及安全，且锚索结构维持恒定的工作阻力。本发明利用该装置的分级恒阻大变形特性，适应深部围岩变形要求，并提供恒定支护阻力，且通过金属保护套筒和金属垫板构成的组合结构提高孔口段锚索体的抗剪强度。整个装置具备适应深部围岩特性的内嵌、分级恒阻、大变形和抗剪等多重作用，具有结构简单、性能稳定、易于推广等特点。

Description

内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置及方法

技术领域

本发明涉及一种抗剪大变形锚固装置及方法，尤其是一种适用于矿山巷道、隧道、边坡、基坑等工程领域支护与加固的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚索结构装置及方法。

背景技术

20世纪50年代以后，随着预应力技术的快速发展，岩土锚固理论、设计方法、规程与规范逐渐完善，锚索防腐技术也在不断进步，预应力锚索技术趋于不断完善状态。预应力锚索结构类型多样，并随着工程应用范围的扩大和需求的日益提高，该技术获得不断改进和完善。预应力锚固技术已经广泛应用于多个领域岩土加固与支护工程，并积累了丰富的工程实践经验。

随着矿山开采深度的不断增加，公路、铁路、水利水电等隧道工程的大规模建设，面临的地质条件越来越复杂，围岩经常表现出大变形特性。当围岩变形量较大，超过锚索所能够承受的弹性极限变形范围时，将导致锚索发生破断失效，进而造成地下工程失稳事故的发生。这种情况下要求所使用的锚索体在围岩发生大变形产生较大拉应力的同时具备较大的变形能力而本身不发生破坏，以适应深部围岩大变形的要求，进而适当降低总体支护力，有效控制支护成本。在软岩边坡、基坑、矿山巷道及深部地下工程等领域中，应用传统预应力锚索支护时，因采用的钢绞线屈服变形量仅为索体自由长度的3～5％，当围岩变形较大，造成锚索受拉力变形后超过其屈服强度时，则会造成锚索发生弹脆性破断。同时，因孔口破裂围岩的变形可产生较大的横向剪切应力，进而可造成锚索体发生横向剪切破坏，导致锚索的抗拉强度不能得到充分利用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构稳定、安全可靠、操作方便、恒定支护阻力较高的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置，包括位于钢绞线锚索体外露段的孔口锚索锁具，还包括设在锚索孔孔口段的塑料内导向管、和套装于塑料内导向管外部的金属保护套筒，塑料内导向管和金属保护套筒之间依次充填有I、II、III级屈服荷载不同的弹塑性可压缩材料，所述的金属保护套筒的前端设有固定端头，金属保护套筒的后端设有盖板和金属垫板。

一种使用上述装置的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固方法，包括在围岩中钻孔径与钢绞线直径匹配的锚索孔；在围岩中锚索孔的孔口段钻与金属保护套筒直径匹配的扩大孔；将内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置安设在扩大孔中，即将钢绞线锚索体穿过金属保护套筒与塑料内导向管，弹塑性材料层按I、II、III级屈服荷载设置在塑料内导向管与金属保护套筒之间，塑料内导向管通过固定端头固定在金属保护套筒上，采用盖板将塑料内导向管端口封闭以防止弹塑性可压缩材料的挤压从孔口外露，通过塑料垫片、金属垫板及孔口锚索锁具固定该装置和施加预紧力，金属垫板安装固定在金属保护套筒的端部，并施加预紧力，形成有效锚固结构；

当锚索体中轴向拉应力低于弹塑性可压缩材料的弹性极限时，整体锚固结构仅产生弹性变形；

当轴向拉力达到弹塑性可压缩材料的弹性极限后，弹塑性可压缩材料可产生较大的塑性压缩变形，这样在轴向拉力不提高的情况下，可产生较大变形，以适应围岩大变形的需要，从而使锚固结构实现整体让压作用。

所述I、II、III级屈服荷载根据不同状态下围岩变形与承载的需要确定，一般取锚索设计锚固力值的60％、75％和90％。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过不同类型的弹塑性可压缩材料的分级让压变形，实现该装置的分级恒阻大变形功能。锚索在孔口段形成由金属垫板和金属套筒组成的复合保护结构，可以抵抗孔口段破裂围岩形成的高横向剪切应力，提高和改善锚索孔口段承受横向剪切应力能力，避免了锚索体的剪切断裂破坏。可适用于软岩边坡、深基坑、矿山巷道及深部地下工程的支护与加固等工程领域。在围岩发生大变形时，可以持续受拉伸长而本身不发生断裂破坏，允许锚索体产生较大变形而不会导致该装置的破坏失稳，允许锚索结构产生较大变形以适应高应力破裂围岩的大变形要求。在此过程中该装置锚索体能保持恒定的工作阻力，通过锚固结构的大变形而不断吸收围岩变形能量，保持围岩和支护结构的整体稳定与安全，并解决现有锚索支护中存在的单纯利用锚索抗拉强度，导致横向剪切应力超过锚索抗剪强度时发生的锚索破断失效问题。因此，本发明能够通过其分级恒阻大变形特性，在围岩产生一定量变形条件下锚索体仍然能提供恒定的支护阻力限制围岩的过量变形。从抵抗横向剪切应力的角度来说，可通过保护套筒提高锚索体的抗剪强度，防止因横向剪切应力过大，超过锚索极限抗剪强度而发生剪切破断。整个锚固装置具备分级恒阻、大变形和抗剪等多重作用，且具有结构简单、性能稳定、成本低、适用范围广、易于推广等特点。

附图说明

图1为本发明的钻孔示意图；

图2为本发明的扩孔示意图；

图3为本发明的锚索体安设示意图；

图4为本发明的总体安装示意图；

图5为本发明的内部结构详图。

图中：1－围岩体，2－锚索孔，3－扩大孔，4－钢绞线锚索体，5－金属保护套筒，6－弹塑性可压缩材料，7－孔口锚索锁具，8－金属垫板，9－塑料垫片，10－金属垫板，11－固定端头，12－盖板，13－塑料内导向管。

具体实施方式

下面结合附图对发明的一个实施例作进一步的说明：

本发明的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置，包括位于钢绞线锚索体4外露段的孔口锚索锁具7，还包括在设在锚索孔2孔口段的塑料内导向管13、和套装于塑料内导向管13外部的金属保护套筒5，塑料内导向管13和金属保护套筒5之间依次充填有I、II、III级荷载不同的弹塑性可压缩材料6，所述的金属保护套筒5的前端设有固定端头11，金属保护套筒5的后端设有盖板12和金属垫板10。

本发明的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固方法：包括在围岩1中钻孔径与钢绞线直径匹配的锚索孔2；在围岩1中锚索孔2的孔口段钻与金属保护套筒直径匹配的扩大孔3；将内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置安设在扩大孔3中，即将钢绞线锚索体4穿过金属保护套筒5与塑料内导向管13，弹塑性材料层6按I、II、III级屈服荷载设置在塑料内导向管13与金属保护套筒5之间，塑料内导向管13通过固定端头11固定在金属保护套筒5上，采用盖板12将塑料内导向管13端口封闭以防止弹塑性可压缩材料6的挤压从孔口外露，通过塑料垫片9、金属垫板10及孔口锚索锁具7固定该装置和施加预紧力，金属垫板8安装固定在金属保护套筒5的端部，并施加预紧力，形成有效锚固结构；所述I、II、III级屈服荷载根据不同状态下围岩变形与承载的需要确定，一般取锚索设计锚固力值的60％、75％和90％。

当锚索体中轴向拉应力低于弹塑性可压缩材料6的弹性极限时，整体锚固结构仅产生弹性变形；

当轴向拉力达到弹塑性可压缩材料的弹性极限后，弹塑性可压缩材料6可产生较大的塑性压缩变形，这样在轴向拉力不提高的情况下，可产生较大变形，以适应围岩大变形的需要，从而使锚固结构实现整体让压作用。

如附图1所示，采用钻机在围岩1中钻孔径与钢绞线直径匹配的锚索孔2。

如附图2所示，采用钻机在围岩1中钻孔径与金属保护套筒直径匹配的一段扩大孔3。

如附图3所示，将钢绞线锚索体4安设在锚索孔2中，端头采用树脂锚固。

如附图4所示，将内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置安设在扩大孔3中，并施加预紧力，形成有效锚固结构。

如附图5所示，该内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置的金属保护套筒5为圆管结构，钢绞线锚索体4穿过金属保护套筒5与塑料内导向管13，弹塑性可压缩材料6按三级让压设置在塑料内导向管13周边按次序分布，塑料内导向管13通过固定端头11固定在金属保护套筒5上，采用盖板12将塑料内导向管13端口封闭以防止弹塑性可压缩材料6的挤压从孔口外露，通过塑料垫片9、金属垫板10及孔口锚索锁具7固定该装置和施加预紧力，金属垫板8安装固定在金属保护套筒5端部。

通过弹塑性可压缩材料6的压缩让压变形，以适应围岩1的大变形，并使得钢绞线锚索体4具有恒定的工作阻力，通过金属保护套筒5保护钢绞线锚索体4，防止钢绞线锚索体4由于破裂围岩之间滑动和碎胀变形产生的横向剪应力大于其抗剪强度而产生的剪切破坏。轴向拉力在钢绞线锚索体4和弹塑性可压缩材料6所能承受的弹性极限范围内，钢绞线锚索体4和弹塑性可压缩材料6均处于弹性状态，仅产生弹性压缩变形；当受到的轴向拉力大于弹塑性可压缩材料6所能承受弹性极限应力而小于钢绞线锚索体4的屈服应力时，因孔口锚索锁具7的直径比金属保护套筒5的内径小，则孔口锚索锁具7可在金属保护套筒5内滑动，并通过塑料垫片9、金属垫板10及盖板12对弹塑性可压缩材料6产生挤压作用，造成弹塑性可压缩材料6产生塑性压缩变形，且可将树脂类弹塑性可压缩材料6从金属保护套筒5与钢绞线锚索体4间的环向间隙挤入锚索孔2中，形成较大变形空间；并可根据选择的让压材料的不同使其分别达到I、II、III级荷载，实现分级让压变形。在该过程中，钢绞线锚索体4始终保持分级恒定工作阻力。当外部轴向拉力达到弹塑性可压缩材料6的弹性极限值后，钢绞线锚索体4仍处于弹性状态，即钢绞线锚索体4的支护阻力恒定，表现为弹塑性可压缩材料6被压缩产生持续变形，实现大变形目的。当外部轴向拉力达到弹塑性可压缩材料6的III级弹性极限值，塑性变形趋于稳定后，整个锚固结构变形能力将随轴向拉力的进一步提高，钢绞线锚索体4仍产生弹性变形，直至钢绞线锚索体4发生弹脆性破断失稳。

通过弹塑性可压缩材料产生的压缩变形，本发明在围岩产生大变形时锚索结构仍然具有恒定的工作阻力。在以本发明作为支护材料的矿山巷道、隧道或边坡、基坑等工程中，围岩出现大变形初期的能量较大，当围岩的变形达到锚索所能承受的弹性极限变形一定比例时，弹塑性可压缩材料会产生塑性压缩变形，以缓解围岩大变形对锚索产生的高拉应力。因而，围岩中赋存的弹性变形能得到释放，且锚索仍然能够保持恒定的工作阻力。破裂围岩之间的滑动和碎胀变形会对锚索产生横向剪应力，由于将锚索体置于金属保护套筒内，该横向剪应力将主要由保护套筒承受，故起到了保护锚索体，防止其被剪切破断的作用，实现了维持围岩的稳定及安全。同时该装置均位于钻孔中，不会造成锚固装置的外露而影响围岩表面空间的利用，构成了内嵌式结构，更利于在地下工程中的推广应用。

工作原理：本发明的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置包括钢绞线锚索体、孔口锚索锁具、金属保护套筒、塑料内导向管、金属垫板和弹塑性可压缩材料等。钢绞线锚索体安装于金属保护套筒与塑料内导向管内，不同类型弹塑性可压缩材料在塑料内导向管与金属保护套筒间依次顺序布置；孔口锁具通过钢绞线锚索体的连接拉伸作用可在金属套筒内形成压缩滑动作用，并通过弹簧垫片、刚性垫片及孔口盖板对弹塑性可压缩材料形成挤压作用。当锚索体中轴向拉应力低于弹塑性可压缩材料的弹性极限时，整体锚固结构仅产生弹性变形；当轴向拉力达到弹塑性可压缩材料的弹性极限后，该材料可产生较大的塑性压缩变形，这样在轴向拉力不提高的情况下，可产生较大变形，可适应围岩大变形的需要，从而使锚固结构实现整体让压作用。由于围岩变形时可对锚索体产生轴向拉力作用，当轴向拉力值在钢绞线锚索体和弹塑性可压缩材料的弹性承载极限范围内时，锚索结构整体处于弹性变形状态；当轴向拉力大于弹塑性可压缩材料的弹性承载极限，且小于钢绞线锚索体的屈服强度时，弹塑性可压缩材料会持续产生塑性压缩变形，以适应围岩大变形和锚索体高拉应力的需要；同时，可根据不同状态下围岩变形与承载的需要进行分级让压(可分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级等三级让压荷载，一般取锚索设计锚固力值的60％、75％和90％)，以适应围岩不同阶段大变形的需要，并能与锚索承载状态监测和分级预警系统统一；在弹塑性可压缩材料产生塑性流动变形的过程中，钢绞线锚索体能保持分级恒定的工作阻力，处于弹性状态，即实现了锚索分级恒阻大变形的目的。且处于理想塑性状态的树脂类可压缩材料可从套筒底部与锚索体间的环向缝隙处向钻孔内形成挤压塑性流动变形，以置换出较大变形空间，保证锚固装置和围岩整体大变形的需要。当轴向拉应力超过三级弹塑性可压缩材料的最终弹性承载极限，且塑性变形趋于稳定值后，将继续由锚索体自身的弹性变形能力来满足围岩后期变形的需要，直至轴向拉应力超过锚索体极限强度，导致锚索体结构发生弹脆性断裂破坏。此外，锚索孔口处0～1.5 m范围内的破裂围岩之间的滑动与碎涨变形会对锚索体产生较大的横向剪切作用，可导致锚索体发生剪切破坏，本装置将锚索体置于金属保护套筒结构内，围岩产生的横向剪切应力将主要由保护套筒结构来承受，因此，对锚索体起到了良好的保护作用，可有效提高锚索结构总体抵抗剪切破坏的能力。再则，该结构均置于围岩和钻孔内，不会导致锚固结构在围岩表面外露过长而影响开挖空间的使用要求，构成了封闭的内嵌式锚固结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于在本领域的技术和施工人员来说，在不脱离本发明技术原理前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置，包括位于钢绞线锚索体（4）外露段的孔口锚索锁具（7），其特征在于：还包括设在锚索孔（2）孔口段的塑料内导向管（13）和套装于塑料内导向管（13）外部的金属保护套筒（5），塑料内导向管（13）和金属保护套筒（5）之间依次充填有I、II、III级屈服荷载不同的弹塑性可压缩材料（6），所述的金属保护套筒（5）的前端设有固定端头（11），金属保护套筒（5）的后端设有盖板（12）和金属垫板（10）；采用盖板（12）将塑料内导向管（13）端口封闭以防止弹塑性可压缩材料（6）的挤压从孔口外露，通过塑料垫片（9）、金属垫板（10）及孔口锚索锁具（7）固定该装置和施加预紧力，金属垫板（8）安装固定在金属保护套筒（5）端部。

2.一种使用权利要求1所述装置的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固方法，包括在围岩（1）中钻孔径与钢绞线直径匹配的锚索孔（2）；在围岩（1）中锚索孔（2）的孔口段钻与金属保护套筒直径匹配的扩大孔（3）；其特征在于：将内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固装置安设在扩大孔（3）中， 即将钢绞线锚索体（4）穿过金属保护套筒（5）与塑料内导向管（13），弹塑性可压缩材料（6）按I、II、III级屈服荷载设置在塑料内导向管（13）与金属保护套筒（5）之间，实现分级让压变形，塑料内导向管（13）通过固定端头（11）固定在金属保护套筒（5）上，采用盖板（12）将塑料内导向管（13）端口封闭以防止弹塑性可压缩材料（6）的挤压从孔口外露，通过塑料垫片（9）、金属垫板（10）及孔口锚索锁具（7）固定该装置和施加预紧力，金属垫板（8）安装固定在金属保护套筒（5）的端部，并施加预紧力，形成有效锚固结构；通过弹塑性可压缩材料（6）的压缩让压变形，适应围岩（1）的大变形，并使得钢绞线锚索体（4）具有恒定的工作阻力，通过金属保护套筒（5）保护钢绞线锚索体（4），防止钢绞线锚索体（4）由于破裂围岩之间滑动和碎胀变形产生的横向剪应力大于其抗剪强度而产生的剪切破坏；

当锚索体中轴向拉应力低于弹塑性可压缩材料（6）的弹性极限时，整体锚固结构仅产生弹性变形；

当轴向拉力达到弹塑性可压缩材料的弹性极限后，弹塑性可压缩材料（6）可产生较大的塑性压缩变形，因孔口锚索锁具（7）的直径比金属保护套筒（5）的内径小，则孔口锚索锁具（7）可在金属保护套筒（5）内滑动，并通过塑料垫片（9）、金属垫板（10）及盖板（12）对弹塑性可压缩材料（6）产生挤压作用，造成弹塑性可压缩材料（6）产生塑性压缩变形，且可将树脂类弹塑性可压缩材料（6）从金属保护套筒（5）与钢绞线锚索体（4）间的环向间隙挤入锚索孔（2）中，形成较大变形空间，以适应围岩大变形的需要，从而使锚固结构实现整体让压作用。

3.根据权利要求2所述的内嵌式分级恒阻抗剪大变形锚固方法，其特征在于：所述I、II、III级屈服荷载根据不同状态下围岩变形与承载的需要确定，一般取锚索设计锚固力值的60%、75%和90%。