CN108643178B - 一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置及其应用，锚固装置包括可恢复锚固体、锚具以及锚索组件，锚固体内部设有压力舱，压力舱与锚固体内壁之间设有间隙，压力舱内设有活塞，压力舱的外端单向阀以及压力传感器，锚固体内还设有反力钢架，反力钢架包括反力钢架外壁和反力钢架内套，反力钢架内套与压力舱内的活塞连接，反力钢架外壁设于压力舱与锚固体内壁之间的间隙中，反力钢架的另一端设有反力底座。与现有技术相比，本装置在受力过程中可发生较大变形，可使压力舱压力升高，将锚固体侧向膨胀，增加与岩体的接触力，保证其不被拔出；如果压力舱压力泄漏，可通过外界高压泵继续加压，具有可恢复性，提高岩土体稳定性，保证工程安全。

Description

一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置及其应用

技术领域

本发明涉及岩土体锚固体系设计，具体涉及一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置及其应用。

背景技术

不稳定岩土体是土木工程各类建设中常见的对象，时刻威胁着工程的安全。为提高其稳定性，工程上常采用锚杆(索)、抗滑桩等加固措施，其中锚固装置使用的更为常见，然而实际工程中各类锚固装置仍经常出现破坏，其主要原因在于采用了基于强度设计，容许变形较小。此外常规锚固装置受力产生一定变形后意味着结构发生了一定程度的破坏，且此破坏是不可逆的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，包括可恢复锚固体、锚具以及连接于锚固体和锚具之间的锚索组件，所述锚固体内部在靠近锚具的一端设有压力舱，所述压力舱与锚固体内壁之间设有间隙，所述压力舱内设有活塞，所述压力舱的外端设有可对其注入高压流体的单向阀以及监测其内部压力的压力传感器，所述锚固体内还设有反力钢架，所述反力钢架包括反力钢架外壁和反力钢架内套，所述反力钢架内套与压力舱内的活塞连接，所述反力钢架外壁设于压力舱与锚固体内壁之间的间隙中，反力钢架的另一端设有反力底座，所述锚索组件的一端通过压力舱与锚固体之间的间隙与反力钢架连接，另一端与锚具连接。

进一步地，所述锚索组件包括多个分力锚索和一个合力锚索，所述分力锚索与合力锚索之间设有连接盘，所述分力锚索的一端连接于反力钢架，另一端连接于连接盘。

进一步地，所述分力锚索设有6-10个，所述锚固体的端部设有供分力锚索穿过的锚索预留孔，所述锚索预留孔等间距环绕分布于锚固体的端部。

进一步地，所述合力锚索通过锚具固定在承载盘上。

进一步地，所述单向阀连接流体导管。

进一步地，所述锚固体和压力舱均为空心圆柱形结构，所述压力舱的长度为锚固体长度的一半。

进一步地，所述反力钢架为空心圆柱形套筒结构，包括外部圆筒形反力钢架外壁和内部圆筒形反力钢架内套。

进一步地，该锚固装置受力后产生1-2m的变形。

进一步地，所述压力舱的压力为10-20Mpa，该锚固装置的承载力为20-30吨。

进一步地，在使用阶段，当压力舱压力降低时可通过预留的流体导管补充压力，实现锚固装置性能的恢复。

所述锚固装置用于基坑开挖支护、边坡治理、隧道围岩支护或煤炭开采工程的不稳定岩土体。

本发明针对现有技术中锚固装置采用基于强度设计，容许变形小，以及受力产生变形后不可逆的问题，提出了一种大变形岩土体锚固装置，其产生大变形的原因在于高压流体(液体或气体)压缩，不稳定岩土体动能或势能转为流体内能，在此过程中消耗掉体系多余能量，从而维持体系稳定状态。本发明基于韧性设计理念，设计了具有可恢复性的锚固装置，满足结构韧性设计的要求，且此恢复操作可在结构设计寿命内任意时刻进行。

本装置具体工作原理为，在锚固装置内部设置了压力舱，锚固体在受力过程中可发生较大变形，在此过程中不仅消耗一定能量，也可以使压力舱压力升高，压力舱在受到外荷载作用时由于活塞压缩流体导致压力舱压力升高，此升高的压力将导致压力舱产生一定的侧向膨胀，进而压紧八个分力锚索，形成正反馈荷载受力机制，升高的压力将导致锚固体侧向膨胀，增加与岩体的接触力，保证其不被拔出。锚固体在受力变形后如果压力舱压力泄漏，可通过外界高压泵继续加压，具有一定的可恢复性，可在基坑工程、边坡工程、隧道工程等工程领域中对稳定性较差岩土体进行加固，提高其稳定性。

与现有技术相比，本发明可恢复锚固体内部反力钢架并未贯通压力舱，可以减小压力损失，锚固体具有大变形耗能作用，在较大受力荷载作用下通过压缩高压流体，其变形量可达1-2m，将体系多余能量转化为内能，进而耗散。压力舱可压力设计可达10-20Mpa，单个锚固装置承载能力可达20-30吨。

本锚固装置在预留变形较大或压力舱压力较低时可启动修复机制，通过高压泵连接预留管道，重新增加压力，同时将活塞推向初始位置。本发明的压力舱安装实施压力监测装置，可对其工作状况进行实时监控，辅助变形监测，共同构成结构性态评价指标，可实现对结构全寿命的监测及维护。可恢复锚固体为本装置核心部分，通过造孔放入锚固体并使之与稳定岩土体粘结为整体，荷载通过张力锚索传递至锚具承载盘，将不稳定岩土体进行固定，提高工程稳定性。

附图说明

图1为锚固体及压力舱的结构示意图；

图2为锚固体端部截面图的结构示意图；

图3为锚固体反力钢架及活塞的结构示意图；

图4为锚固装置整体连接的示意图；

图中标号：1-锚固体，2-压力舱，3-单向阀，4-压力传感器，5-锚索预留孔，6-分力锚索，7-活塞，8-反力钢架，9-反力底座，10-流体导管，11-连接盘，12-合力锚索，13-承载盘，14-锚具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，图1为锚固体及压力舱的结构示意图，锚固体1和压力舱2均为空心圆柱形结构，反力钢架8为空心圆柱形套筒结构，包括外部圆筒形反力钢架外壁和内部圆筒形反力钢架内套。锚固体1与压力舱2之间预留有一定空间，便于反力钢架8及分力锚索6的穿过，压力舱长度约为锚固体长度一半，压力舱端部设置有单向阀3和压力传感器4，可通过单向阀3向压力舱注入高压流体，此外，在锚固装置工作过程中压力传感器4可持续监测压力舱压力，当压力不足时，自动启动外界高压泵，通过单向阀3恢复压力。

图2为锚固体端部截面图，本实施中预留了八个锚索预留孔5，分力锚索6通过锚索预留孔5连接反力钢架8和合力锚索12，将荷载传递向压力舱。

图3为反力钢架及活塞示意图，其中反力钢架8没有从中部穿过压力舱2，而是从压力舱2侧壁穿过，这样可以提高压力舱2密闭性，进而减小压力损失，此外当外力作用至活塞7，活塞7压缩气体将导致压力舱2压力升高，进而导致压力舱2侧壁空间收到压缩，最终导致反力钢架8与压力舱1侧壁接触力增强。此外，当压力舱1损坏较大无法继续工作时，反力底座9将移动至压力舱2处，此时锚固装置转为常规锚固装置工作状态。

图4为锚固装置整体连接示意图，其中八个分力锚索6经过连接盘11形成合力锚索12，通过锚具14固定在承载盘13之上，承载盘13的作用为减小锚具对岩土体的压强，此外在安装过程中，需要预留流体导管10，满足后期结构韧性恢复需求。

锚固装置加工及施工具体过程如下：

1)加工锚固体：锚固体1由外壁、压力舱2、反力钢架8、反力底座9组成，加工时先将反力钢架8与反力底座9连接，放入锚固体1中，随后放入压力舱2并固定；

2)连接分力锚索：调整好压力舱活塞7位置，并通过预留的八个锚索预留孔5，将分力锚索6一端与反力钢架8相连，另一端与连接盘11相连，构成传力体系；

3)加工锚具及其他设备：加工本装置锚具14及其他所需设备，为具体施工过程做好准备；

4)施工造孔：利用施工机械在不稳定岩土体内形成一定的空间，便于锚固体1放置；

5)安装锚固体及锚索：利用施工机械将锚固体1放入孔中，通过底部扩孔及注浆粘结，使锚固体1与稳定岩体合为一体；

6)使用锚具将锚索固定在承载盘上：将合力锚索12进行一定的张拉后通过锚具14初步固定在承载盘13上，此后增大压力舱压力，反力底座9将被推向远离锚具14方向，在此过程中锚固装置实现了预应力的施加；

7)在锚固装置使用寿命阶段，若变形过大及压力舱压力2较小，可通过外界高压泵对压力舱2重新加压，恢复一定的结构受力性能，达到韧性设计的要求。

Claims (10)

1.一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，包括锚固体(1)、锚具(14)以及连接于锚固体(1)和锚具(14)之间的锚索组件，其特征在于，所述锚固体(1)内部在靠近锚具(14)的一端设有压力舱(2)，所述压力舱(2)与锚固体(1)内壁之间设有间隙，所述压力舱(2)内设有活塞(7)，所述压力舱(2)的外端设有可对其注入高压流体的单向阀(3)以及监测其内部压力的压力传感器(4)，所述锚固体(1)内还设有反力钢架(8)，所述反力钢架(8)包括反力钢架外壁和反力钢架内套，所述反力钢架内套与压力舱(2)内的活塞(7)连接，所述反力钢架外壁设于压力舱(2)与锚固体(1)内壁之间的间隙中，反力钢架(8)的另一端设有反力底座(9)，所述锚索组件的一端通过压力舱(2)与锚固体(1)之间的间隙与反力钢架(8)连接，另一端与锚具(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述锚索组件包括多个分力锚索(6)和一个合力锚索(12)，所述分力锚索(6)与合力锚索(12)之间设有连接盘，所述分力锚索(6)的一端连接于反力钢架(8)，另一端连接于连接盘。

3.根据权利要求2所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述分力锚索(6)设有6-10个，所述锚固体(1)的端部设有供分力锚索(6)穿过的锚索预留孔(5)，所述锚索预留孔(5)等间距环绕分布于锚固体(1)的端部。

4.根据权利要求2所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述合力锚索(12)通过锚具(14)固定在承载盘(13)上。

5.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述单向阀(3)连接流体导管(10)。

6.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述锚固体(1)和压力舱(2)均为空心圆柱形结构，所述压力舱(2)的长度为锚固体(1)长度的一半。

7.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述反力钢架(8)为空心圆柱形套筒结构，包括外部圆筒形反力钢架外壁和内部圆筒形反力钢架内套。

8.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，该锚固装置受力后产生1-2m的变形，所述压力舱(2)的压力为10-20Mpa，该锚固装置的承载力为20-30吨。

9.根据权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置，其特征在于，所述压力舱(2)在使用寿命的任意阶段，当压力降低时通过单向阀(3)连接的流体导管(10)补充压力，实现性能恢复。

10.一种如权利要求1所述的一种基于韧性设计的大变形岩土体锚固装置的应用，其特征在于，所述锚固装置用于基坑开挖支护、边坡治理、隧道围岩支护或煤炭开采工程的不稳定岩土体。

Images