CN109868816A - 应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，它由锚头本体、变形构件、墩头和防护套构成。所述锚头本体形状为圆锥台体，贯穿锚头本体前、后端沿受力方向开有若干个由圆柱和圆锥台组合形成的组合体形通孔，构成预应力锚索的钢绞线外套变形构件从该组合体形通孔内穿过。当锚索结构因外部荷载产生变形时，构成预应力锚索的钢绞线可将其承受的荷载力传递给由铸铁套管和低强度金属套管构成的变形构件，使锚索钢绞线在相对平稳的荷载作用下发生一定的位移，有效降低岩体变形对钢绞线产生的最大荷载，防止钢绞线发生断裂引起的锚固系统失效，从而提高锚固边坡的整体可靠性，保证工程建设与运行安全。

Description

应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头

技术领域

本发明涉及一种新型无粘结预应力锚索内锚头，具体地说，涉及一种当预应力锚索与岩体耦合时，自适应周围岩体的变形，其应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头。

背景技术

锚索广泛应用在岩土工程建设和治理过程中，预应力锚固技术已经成为最常用的岩土体加固措施，利用该技术可以主动加固岩土体，有效增大岩体稳定安全系数，保证工程建设和运行期的安全。随着预应力锚固技术的发展，无粘结预应力锚索在岩质边坡的应用越来越广，无粘结预应力锚索技术的发展主要经历了三个阶段：

第一阶段是全长粘结式预应力锚索，其锚索索体制作简单，锚索索体直接与岩体接触。其施工工艺与锚索长期运行防护作用较差，不利于预应力锚索的长期运行安全，尤其是在一些边坡长时间变形以及具有强烈腐蚀介质的环境中，这种预应力锚索的寿命有限。

第二阶段对预应力锚索运行阶段的长期运行可靠性进行了较全面的考虑，在锚索索体外套有波纹管作为预应力锚索的长期防护措施，但其施工工艺较为复杂。对于较为破碎的岩体来说，这种具有双层保护的预应力锚索实施更为困难。

第三阶段是压力分散型无粘结预应力锚索，该型锚索考虑了预应力锚索的防腐问题，在钢绞线(即锚索索体)外加了一层PE套管，并在套管中加入了膏状油脂，将预应力锚索中的钢绞线与锚孔中的砂浆隔离开，这样锚索能够随着岩体变形自行进行预应力调整，使锚索的支护阻滑作用及时发挥。

但是，纵观预应力锚索的发展过程，对预应力锚固系统结构设计的研究主要侧重在提高锚固系统的耐久性这一方面上，针对锚固系统在震动荷载条件下的结构设计研究较少。针对震动荷载，锚固结构设计过程中只是对安全系数进行调整，国内没有专门针对动荷载设计的锚固结构。

从工程应用和工程安全角度看，预应力锚索的抗震性能亟待改善。例如，当发生地震时，山体在地震荷载作用下，瞬时产生巨大冲击能量，导致锚索受力急剧增大，一般都会超过锚索设计荷载以及极限荷载，从而导致预应力锚索的内锚头或者外锚头等部位产生塑性变形甚至钢绞线(即锚索索体)被拉断而失效；同时，边坡在地震中发生剧烈振动大变形，并在震后形成较大永久性变形，现有锚索锚固结构的抗震性能并不能满足这种抗震要求。

从整个锚固体系看，预应力锚索加固的岩体软弱部位，也就是内锚头附近的部位，该部位在边坡长期运行过程中，将发生较大变形。因此，内锚头如果可以在长期运行过程中，随着软弱部位进行受力变形的调整，将极大改善预应力锚索的长期运行状况，保证边坡运行的稳定与可靠。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头。当外部荷载发生巨大变化时，该无粘结预应力锚索的内锚头可进行自适应调整，有效降低岩体变形对预应力锚索的影响，防止锚固系统失效。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，它由锚头本体、变形构件、墩头和防护套构成；

所述锚头本体由高强度金属材料制成，其形状为圆锥台体，贯穿该锚头本体前、后端沿受力方向开有若干个由圆柱和圆锥台组合形成的组合体形通孔，构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件从该组合体形通孔内穿过；

所述变形构件依次包括压板套管、铸铁套管和低强度金属套管；

构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件后，穿过所述锚头本体的组合体形通孔，其端部固定所述墩头，所述防护套套在固定有所述墩头的所述锚头本体的端部。

在本发明较佳实施例中，构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件穿过所述组合体通孔后，钢绞线外套所述变形构件与所述组合体形通孔的末端之间存在空隙。

在本发明较佳实施例中，所述锚头本体由高强度金属材料铸铁制成。

在本发明较佳实施例中，所述低强度金属套管为铅、锡、铝等合金金属套管

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2A为构成本发明的内锚头本体前视图；

图2B为图2A的A-A剖面图；

图2C为构成本发明的内锚头本体后视图；

图3为构成本发明的变形构件的结构示意图；

图4为本发明自适应调整前、后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图1-图3所示，本发明公开的应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头由锚头本体1、变形构件2、墩头3和防护套4构成。

锚头本体1由高强度金属材料(例如铸铁)制成，其形状为圆锥台体，贯穿锚头本体前、后端沿受力方向开有若干个由圆柱和圆锥台组合而成的组合体形通孔11，构成预应力锚索的钢绞线5外套变形构件2从该组合体形通孔11内穿过。

变形构件2依次包括压板套管21(其作用为传递来自墩头的荷载作用到铸铁套管上)、铸铁套管22(其作用为传递来自压板的荷载，并作用到低强度金属套管上)和低强度金属套管23。构成预应力锚索的钢绞线5外套变形构件2从锚头本体1的组合体形通孔11内穿过，所述压板套管21的作用是将来自墩头3的荷载作用传递到铸铁套管22上。铸铁套管22的作用是将来自压板套管21的荷载传递给低强度金属套管23，并作用到低强度金属套管23上。所述低强度金属套管23为铅、锡、铝等合金金属套管，其强度是相对于内锚头其他构件(如锚头本体、钢绞线、墩头等)，上述低强度合金材料的抗压强度低，在相同荷载情况下首先发生塑性变形，根据设计要求可以选择铝合金或者镁合金等金属材料。当钢绞线传递到墩头的荷载超过设计荷载时，该荷载通过墩头、压板套管、铸铁套管传递到低强度金属套管上。由于低强度合金套管相对于上述其他构件更易发生变形，低强度合金套管在上述荷载下发生变形，从而改变锚索内锚头的位置，最终降低钢绞线遭受的荷载。本发明充分利用变形构件2的这一特点，当外部荷载发生巨大变化时，使无粘结预应力锚索的内锚头可进行自适应调整，有效降低岩体变形对预应力锚索的影响，防止锚固系统失效。

构成预应力锚索的钢绞线5外面套上该变形构件2后，穿过锚头本体1的组合体形通孔11后，其端部固定墩头3，最后，在固定好墩头3的锚头本体1的端部套上防护套4。

由于锚头本体1上的组合体形通孔11前段为圆柱形后段为圆锥台形，故，如图1所示，当预应力锚索的钢绞线外套变形构件2穿过组合体形通孔11后，钢绞线5与组合体形通孔11的后段之间存在空隙6。该空隙的存在大大减小了在变形过程中变形构件在组合体形通孔内产生的摩阻力。

如图4所示，预应力锚索埋设在岩体内后，当岩体发生变形，预应力锚索的钢绞线遭受轴向力荷载F后，钢绞线带动钢绞线上的压板套管21和铸铁套管22向右位移，使低强度金属套管23发生受压塑性变形，从而使钢绞线5能够向右侧的空隙方向发生一定的位移L，防止钢绞线因轴力过大发生断裂或者损坏而导致的预应力锚固系统失效，使预应力锚索能够在一定程度上抵抗岩体的变形，保证预应力锚索可靠地运行。

由于本发明将用于穿设预应力锚索钢绞线的通孔设计成圆柱和圆锥台组合形成的组合体形通孔，并在钢绞线外套由铸铁套管和低强度金属套管构成的变形构件，当锚索结构因外部荷载产生变形过程时，构成预应力锚索的钢绞线可将其承受的荷载力传递给铸铁套管和低强度金属套管，使锚索钢绞线在相对平稳的荷载作用下发生一定的位移，有效降低岩体变形对钢绞线产生的最大荷载，防止钢绞线发生断裂引起的锚固系统失效，从而提高锚固边坡的整体可靠性，保证工程建设与运行安全。

本发明提高了预应力锚索与岩体的耦合自适应能力，提高了预应力锚索在地震荷载以及长期累计变形运行条件下的可靠性。本发明应用于实际工程中，可以提高预应力锚固系统与围岩之间的协调变形能力，特别是提高内锚头与岩体相互作用的耦合协调能力，通过变形协调，可以改善预应力锚索的运行受力条件，提高预应力锚索的智能化，提高锚索长期可靠性，保证锚固岩体在工程建设与运行期间的安全性。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，其特征在于：它由锚头本体、变形构件、墩头和防护套构成；

所述锚头本体由高强度金属材料制成，其形状为圆锥台体，贯穿该锚头本体前、后端沿受力方向开有若干个由圆柱和圆锥台组合形成的组合体形通孔，构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件从该组合体形通孔内穿过；

所述变形构件依次包括压板套管、铸铁套管和低强度金属套管；

构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件后，穿过所述锚头本体的组合体形通孔，其端部固定所述墩头，所述防护套套在固定有所述墩头的所述锚头本体的端部。

2.根据权利要求1所述的应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，其特征在于：构成预应力锚索的钢绞线外套所述变形构件穿过所述组合体通孔后，钢绞线外套所述变形构件与所述组合体形通孔的末端之间存在空隙。

3.根据权利要求2所述的应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，其特征在于：所述锚头本体由高强度金属材料铸铁制成。

4.根据权利要求2所述的应力与变形可调的无粘结预应力锚索内锚头，其特征在于：所述低强度金属套管为铅、锡、铝等合金金属套管。