CN110056381A - 一种变形自恢复的让压锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变形自恢复的让压锚杆，包括筋体、套管和设置在所述筋体底部的承压箱，所述筋体于其头部至所述承压箱处套设有所述套管，所述承压箱包括承压钢板、导向杆、高强钢弹簧、挤压钢板和圆筒，所述承压钢板套设于所述筋体上，所述承压钢板的下侧垂直设置有不少于两根的所述导向杆，所述导向杆螺接在所述承压钢板上，所述高强弹簧外套在所有所述导向杆外侧，所述高强弹簧底部设置有所述挤压钢板，所述挤压钢板上设置有与所述导向杆配合的穿杆孔及与所述筋体配合的穿筋孔，位于所述挤压钢板底部的所述导向杆上设置有限位螺母，位于所述挤压钢板底部的所述筋体上设置有夹具，所述圆筒固设在所述承压钢板上。
Description
技术领域
本发明涉及锚固工程领域，特别是涉及一种变形自恢复的让压锚杆。适用于煤矿巷道、隧道及公路路堤边坡等工程的支护。
背景技术
目前，岩土锚固技术广泛应用于煤矿巷道、隧道工程、公路边坡、建筑基坑水利大坝、结构抗浮等工程。传统拉力型锚杆的传力途径是利用锚头将拉力通过筋体直接传递给锚固段的灌浆体，再通过灌浆体与土体间的界面传递给土体；传统压力型锚杆的传力则是通过锚头将拉力直接传递到锚固段底部，并通过与筋体连接的承压板挤压灌浆体，再进一步通过灌浆体与土体间的界面传递给土体。
而实际工程中，大量的工程锚杆受到的荷载作用更为复杂。比如，支护公路路堤边坡的锚杆长期受到行驶载重车辆的往复的交通荷载作用，产生的振动使得锚杆受到的荷载往复波动；当城市基坑紧邻交通道路时，基坑的支护结构也不可避免地受到道路重型车辆以及工地基坑坡顶重型起重机器、混凝土运输车辆行驶而对支护结构产生的冲击作用；地下结构工程采用抗浮锚杆时，会受到地下水位往复上涨、下降的作用；采用锚杆支护的边坡工程，当地震发生时，会瞬时承受较大的冲击作用；以及支护煤矿巷道及隧道围岩时，还会因围岩应力释放产生岩爆对支护结构产生不同程度的冲击，进而将冲击力传递给支护围岩的锚杆。这些往复荷载和瞬时冲击作用会对锚杆产生不可恢复的塑性变形，并逐步积累，最终导致锚头位移增大，给支护结构带来严重的风险。而且锚杆受冲击荷载作用时，因能量无法消耗，锚杆筋体、筋体与灌浆体界面及灌浆体与土体界面会产生不同程度的损伤，从而危及锚固工程后期的安全运营。
因此，传统锚杆在承受往复荷载和冲击作用时，存在严重的安全隐患及耐久性问题。如果锚杆自身结构能随往复荷载同步让压变形，在受到荷载冲击时吸收冲击能，在冲击作用消散时，又能依靠吸收的冲击能的自释放恢复锚杆变形，变形自恢复将能大大提高锚杆的锚固性能，保证锚杆的承载力，并提高锚杆的使用寿命。
市场上存在少量的具有让压变形作用的锚杆装置，但是这些装置难以应用于实际工程，主要原因如下：(1)装置要实现让压功能，必须保证让压弹簧自由伸缩，而锚杆应用于工程时，尤其是永久性锚固工程，必须对锚头进行严格的封装保护。而让压装置设置在锚头，不利于锚头的封装保护施工。(2)锚杆要实现支护功能，必须通过围护结构将岩层的作用力传递到锚头上。而对于隧道及煤矿巷道等工程，对空间要求较高，安装在围护结构之外的让压装置必定大大占用开挖的空间，会严重增加隧道衬砌的厚度，严重缩小煤矿巷道的净空尺寸，导致施工的极其不便或工程造价大幅增加。(3)让压装置设在锚头，在施工期间，容易受施工机械碰撞而破坏，尤其是土方开挖机具极易在施工时撞击锚头。
有鉴于此，本发明人对锚杆结构进行深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明目的是提供一种变形自恢复的让压锚杆，以克服传统锚杆在应对往复荷载及冲击作用时存在的不足之处，解决锚杆的安全问题及耐久性问题。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变形自恢复的让压锚杆，包括筋体、套管和设置在所述筋体底部的承压箱，所述筋体于其头部至所述承压箱处套设有所述套管，所述承压箱包括承压钢板、导向杆、高强钢弹簧、挤压钢板和圆筒，所述承压钢板套设于所述筋体上，所述承压钢板的下侧垂直设置有不少于两根的所述导向杆，所述导向杆螺接在所述承压钢板上，所述高强弹簧外套在所有所述导向杆外侧，所述高强弹簧底部设置有所述挤压钢板，所述挤压钢板上设置有与所述导向杆配合的穿杆孔及与所述筋体配合的穿筋孔，位于所述挤压钢板底部的所述导向杆上设置有限位螺母，位于所述挤压钢板底部的所述筋体上设置有夹具，所述圆筒固设在所述承压钢板上。
进一步地，所述套管螺装固定于所述承压钢板上。
进一步地，所述承压钢板为圆形板，所述圆筒为具有一端开口的圆筒状圆筒，所述开口的内侧开设有筒内螺纹，所述承压钢板的外侧面开设有板外螺纹，所述圆筒通过所述筒内螺纹和所述板外螺纹的螺纹配合固设于所述承压钢板上，所述导向杆、所述高强钢弹簧、所述挤压钢板和所述夹具均设于所述圆筒内。
进一步地，所述承压钢板的下侧相应的开设有供各所述导向杆的上端螺接的导向槽。
进一步地，所述导向槽内设有槽内螺纹，所述导向槽的深度为10-20mm。
进一步地，所述导向槽对称分布在所述承压钢板上。
进一步地，所述承压钢板的中心相应的开设有供所述筋体穿入的穿孔。
进一步地，所述穿孔设置有板内螺纹。
进一步地，所述导向杆两端分别设置有第一杆端丝和第二杆端丝，所述第一杆端丝的长度为15-25mm，所述第二杆端丝的长度为30-60mm，所述导向杆的长度比所述高强钢弹簧的高度长60-150mm。
进一步地，所述高强钢弹簧为螺旋状圆柱形弹簧。
进一步地，所述高强钢弹簧的圆柱形内径大于所述导向杆外切圆外径5-10mm。
进一步地，所述挤压钢板为圆形钢板，所述挤压钢板中心设置有供所述筋体穿入的穿筋孔，所述挤压钢板上对应环设有供所述导向杆穿入的穿杆孔。
进一步地，所述筋体的底端穿过所述穿筋孔后，安装有配套的夹具。
进一步地，所述挤压钢板通过限位螺母安装在导向杆上。
进一步地，所述筋体的底端端部和所述导向杆的底端端部距离所述圆筒的底部净距离为10-20mm。
采用上述技术方案，本发明的一种变形自恢复的让压锚杆通过在筋体的底部设置承压箱，使得本发明锚杆具有以下优点：(1)通过调节高强钢弹簧的刚度，可以使锚杆承受往复荷载时，依靠高强钢弹簧的压缩与回弹协同荷载，实现锚头变形自恢复，大大改善锚杆的受力状态。(2)当锚杆承受冲击荷载或地震作用时，通过高强钢弹簧的压缩能消耗冲击能，大大减小锚杆及支护结构的损伤，当冲击荷载消失或地震作用结束后，高强钢弹簧自动回弹伸长，锚头变形自恢复。(3)承压箱设在筋体底部，便于施工和安装，且承压箱外部的灌浆体对承压箱具有很好的防护作用。(4)由于承压箱设在筋体底部，使得其锚头可以按照传统锚杆锚头的施工方法，直接与围护结构进行连接，应用于煤矿巷道、隧道工程时，能够最大程度减小隧道衬砌厚度，增加煤矿巷道净空尺寸，还能在施工期间有效保护锚头，防止受损。
附图说明
图1为本发明设置于土层中的结构示意图；
图2为本发明图1的A-A处剖面结构示意图；
图3为本发明的圆筒剖面结构示意图；
图4为本发明的承压钢板剖面结构示意图；
图5为本发明图的承压钢板俯视结构示意图；
图6为本发明图的承压钢板仰视结构示意图；
图7为本发明的挤压钢板剖面结构示意图；
图8为本发明的挤压钢板的结构示意图；
图9为本发明导向杆结构示意图；
图10为本发明套管结构示意图。
标号及符号说明
筋体 11 套管 12
螺接丝 121 锚具 21
锚垫板 22 承压箱 3
承压钢板 31 板外螺纹 311
穿孔 312 板内螺纹 313
导向槽 314 槽内螺纹 315
导向杆 32 第一杆端丝 321
第二杆端丝 322 限位螺母 323
高强钢弹簧 33 挤压钢板 34
穿筋孔 341 穿杆孔 342
夹具 35 圆筒 36
筒内螺纹 361 灌浆体 4
土体 5 钻孔 6
具体实施方式
参见图1-图10，本发明一种变形自恢复的让压锚杆，包括筋体11、套管12、用锚具21、锚垫板22和设置在筋体11底部的承压箱3。
为了便于描述本说明书以图1所示的上下方向为上下方向。
筋体11于其头部至承压箱3处套设有套管12，承压箱3包括承压钢板31、导向杆32、高强钢弹簧33、挤压钢板34和圆筒36，承压钢板31套设于筋体11上，承压钢板31的下侧垂直设置有不少于两根的导向杆32，导向杆32螺接在承压钢板31上，高强弹簧33外套在所有导向杆32外侧，高强弹簧33底部设置有挤压钢板34，挤压钢板34上设置有与导向杆32配合的穿杆孔342及与筋体11配合的穿筋孔341，位于挤压钢板34底部的导向杆32上设置有限位螺母323，位于挤压钢板34底部的筋体11上设置有夹具35。
承压钢板31为圆形板，圆筒36为具有一端开口的圆筒状圆筒，开口端的内侧开设有筒内螺纹361，承压钢板31的外侧面开设有板外螺纹311，圆筒36通过筒内螺纹361和板外螺纹311配合固设于承压钢板31上，导向杆32、限位螺母323、高强钢弹簧33、挤压钢板34和夹具35均设于圆筒36内。
承压钢板31的下侧相应的开设有供各导向杆32的上端螺接的导向槽314。导向槽314内设有槽内螺纹315，导向槽314的深度为10-20mm。
导向槽314对称分布在承压钢板31上。承压钢板31的中心相应的开设有供筋体11穿入的穿孔312。承压钢板31的穿孔312设置有板内螺纹313。套管12的底端开设有螺接丝121，套管12通过螺接丝121与板内螺纹313的配合固定在承压钢板31上。
导向杆32两端分别设置有第一杆端丝321和第二杆端丝322，第一杆端丝321与槽内螺纹315螺接，第二杆端丝322穿过挤压钢板34的穿杆孔342与限位螺母323螺接，第一杆端丝321的长度为15-25mm，第二杆端丝322的长度为30-60mm，导向杆32的长度比高强钢弹簧33的高度长60-150mm。高强弹簧33为螺旋状圆柱形弹簧。高强弹簧33的圆柱形内径大于导向杆32外切圆外径5-10mm。
挤压钢板34为圆形钢板，挤压钢板34中心设置有供筋体11穿入的穿筋孔341，挤压钢板34上对应环设有供导向杆32穿入的穿杆孔342。挤压钢板34通过限位螺母323安装在导向杆32上。筋体11穿过挤压钢板34的穿筋孔341后，在端头安装配套的夹具35。筋体11和导向杆32安装后，筋体11的底端端部和导向杆32的底端端部距离圆筒36底部净距离10-20mm。
作为一种优选方案，圆筒36的端部采用半球形，如此有助于承压箱3放入钻孔6内。圆筒36采用合成树脂材料或钢材制作而成。
本发明一种变形自恢复的让压锚杆，其施工步骤如下：
(1)按设计长度加工筋体11和套管12，并制作螺接丝121；将导向杆32旋拧入承压钢板31的导向槽314内；
(2)将筋体11从承压钢板31的光面侧(背向圆筒36的一侧)穿入承压钢板31，端头超出导向杆32端头100mm左右，将套管12从锚头朝向承压钢板31的方向套入到筋体11上，并将套管12端头的螺接丝121与承压钢板31的板内螺纹313旋拧至紧；
(3)将高强钢弹簧33套入到导向杆32上；将挤压钢板34的穿筋孔341对准筋体11和各穿杆孔342分别对准导向杆32后，再将挤压钢板34套入到筋体11和导向杆32上；
(4)从导向杆32的端头旋拧入限位螺母323至使挤压钢板34轻轻挤压高强钢弹簧33止；从筋体11端头安装夹具35；再将圆筒36从导向杆32至承压钢板31方向旋拧入承压钢板31上，即完成筋体11与承压箱3的制作；
(5)将承压箱3放入钻孔6中，再向钻孔6内注浆饱满，使灌浆体4包裹承压箱3，灌浆体4强度达到设计要求后，在孔口安装锚垫板22，用锚具21锁定筋体11，即完成锚杆的施工。
由于技术方案的运用，与传统锚杆技术相比，本发明具有下列显著优点：
(1)使用本发明一种变形自恢复的让压锚杆时，将锚杆设置于土层中正常状态时，在锚杆预紧力的作用下，筋体11通过夹具35推动挤压钢板34适当压缩高强钢弹簧33。当锚杆受冲击作用时，筋体11将拉力直接传递到承压箱3内的挤压钢板34，挤压钢板34沿着导向杆32向筋体11头部方向运动时，挤压钢板34压缩高强钢弹簧33，此过程通过高强钢弹簧33的“让压”变形存储吸收冲击能；当冲击作用结束后，高强钢弹簧33回弹推动挤压钢板34使得筋体11复位，此时通过承压箱3内的“变形自恢复”释放能量。由于高强钢弹簧33能依靠自身的弹性压缩与伸长，控制能量的吸收与释放，实现锚头变形自恢复的功能，可避免冲击作用直接通过筋体11而作用在灌浆体4上，大大减小灌浆体4与土体5交界面粘结性能的损伤甚至破坏；甚至可避免筋体11直接承受冲击时，因筋体11变形过大导致断裂事故。
(2)当锚杆受往复荷载作用时，可根据锚杆的受力工况设计具有不同刚度的高强钢弹簧33，以匹配不同的受力工况，在荷载往复增大及减小的过程中，高强钢弹簧33能通过其长度反复的压缩和伸长协同荷载。高强钢弹簧33压缩产生的“让压”现象能使锚头“主动”变形，大大改善锚固体的受力状态，还可避免筋体11产生不可恢复的塑性变形累积。高强钢弹簧33伸长产生能使锚头“被动”变形，实现“变形自恢复”功能。不仅有利于锚杆支护结构的变形控制，优化结构的整体受力，还有利于降低灌浆体4在往复荷载作用时引起灌浆体4与土体5界面受到的剪切变形损伤累积，大大提高锚杆的使用寿命。
(3)承压箱3设在筋体11底部，便于施工和安装，且承压箱3外部的灌浆体4对承压箱3具有很好的防护作用。
(4)由于承压箱3设在筋体11底部，使得其锚头可以按照传统锚杆锚头的施工方法，直接与围护结构进行连接，位于土层外的锚头占用空间小，应用于煤矿巷道、隧道工程时，能够最大程度减小隧道衬砌厚度，增加煤矿巷道净空尺寸，还能在施工期间有效保护锚头，防止受损。
上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，均属于本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：包括筋体、套管和设置在所述筋体底部的承压箱，所述筋体于其头部至所述承压箱处套设有所述套管，所述承压箱包括承压钢板、导向杆、高强钢弹簧、挤压钢板和圆筒，所述承压钢板套设于所述筋体上，所述承压钢板的下侧垂直设置有不少于两根的所述导向杆，所述导向杆螺接在所述承压钢板上，所述高强弹簧外套在所有所述导向杆外侧，所述高强弹簧底部设置有所述挤压钢板，所述挤压钢板上设置有与所述导向杆配合的穿杆孔及与所述筋体配合的穿筋孔，位于所述挤压钢板底部的所述导向杆上设置有限位螺母，位于所述挤压钢板底部的所述筋体上设置有夹具，所述圆筒固设在所述承压钢板上。
2.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述套管螺装固定于所述承压钢板上。
3.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述承压钢板为圆形板，所述圆筒为具有一端开口的圆筒状圆筒，所述开口的内侧开设有筒内螺纹，所述承压钢板的外侧面开设有板外螺纹，所述圆筒通过所述筒内螺纹和所述板外螺纹的螺纹配合固设于所述承压钢板上，所述导向杆、所述限位螺母、所述高强钢弹簧、所述挤压钢板和所述夹具均设于所述圆筒内。
4.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述承压钢板的下侧相应的开设有供各所述导向杆的上端螺接的导向槽。
5.根据权利要求4所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述导向槽内设有槽内螺纹，所述导向槽的深度为10-20mm。
6.根据权利要求4所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述导向槽对称分布在所述承压钢板上。
7.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述承压钢板的中心相应的开设有供所述筋体穿入的穿孔。
8.根据权利要求7所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述穿孔设置有板内螺纹。
9.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述导向杆两端分别设置有第一杆端丝和第二杆端丝，所述第一杆端丝的长度为15-25mm，所述第二杆端丝的长度为30-60mm，所述导向杆的长度比所述高强钢弹簧的高度长60-150mm。
10.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述高强钢弹簧为螺旋状圆柱形弹簧。
11.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述高强钢弹簧的圆柱形内径大于所述导向杆外切圆外径5-10mm。
12.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述挤压钢板为圆形钢板，所述挤压钢板中心设置有供所述筋体穿入的穿筋孔，所述挤压钢板上对应环设有供所述导向杆穿入的穿杆孔。
13.根据权利要求12所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述筋体的底端穿过所述穿筋孔后，安装有配套的夹具。
14.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述挤压钢板通过限位螺母安装在导向杆上。
15.根据权利要求1所述的一种变形自恢复的让压锚杆，其特征在于：所述筋体的底端端部和所述导向杆的底端端部距离所述圆筒的底部净距离为10-20mm。
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