CN110206031B - 一种温度响应自紧锚杆及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了本发明所述的一种温度响应自紧锚杆及其施工方法，所述装置包括齿轮装置、温度响应装置、封闭盒体、套筒和杆体，齿轮装置与温度响应装置相接触，封闭盒体分别与温度响应装置、套筒固定连接，杆体通过齿轮装置固定，温度响应装置包括弹簧、温度敏感层、挡板、弹簧端头板、垫板和防锈杆，防锈杆的两端分别固定连接挡板和弹簧端头板，挡板与垫板之间的杆体为温度敏感部，杆体的末端设置锚头。所述施工方法，包含以下步骤：a、找平；b、定位；c、钻孔；d、嵌入杆体；e、灌浆；f、安装基座；g、安装锚头；h、安装自紧装置；i、封装。本发明操作简单，只需要通过首次人工操作，就可以达到锚杆自紧效果。

Description

一种温度响应自紧锚杆及其施工方法
技术领域
本发明涉及岩土工程设备技术领域，具体为一种温度响应自紧锚杆及其施工方法。
背景技术
锚杆是边坡、隧道、巷道等支护的主要形式，锚杆支护过程中充分利用原来土体、岩体的自身稳定性得到加固的效果，相比其他加固方式具有资源节约、后期检修频率低、外露腐蚀少、延长锚杆加固寿命等优点，能够很好地对岩土体加固，防止其变形、坍塌、破坏；且在人烟稀少的地区应用也方便。
然而，在实际应用过程中，由于锚杆抗拉、抗剪能力差容易产生各种各样的变形，甚至发生失效，不能达到理想的效果。授权公告号为“CN 201320830856”的实用新型涉及一种预应力锚杆，但该技术存在以下不足：(1)抗剪强度低：钻孔直径较小，预应力锚杆长度大，无法抵抗土体滑移力；(2)锚杆利用率低：初期锚杆与岩层的裹紧力足够大，但坡体长期必然有位移，因此锚杆破坏；(3)人工检修高：后期需要人工定期检修力度大，防止无征兆失效。
总的来说，目前采用的锚杆存在一定的缺陷：(1)土体变形导致锚杆的松动，降低其锚固作用；(2)抗拔能力差；(3)抗滑移力差；(4)锚杆使用寿命有限，后期检修人工投入度较大。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种操作方便、使用寿命较长的温度响应的自紧锚杆，本发明的另一目的是提供一种无需人工检修、方便经济的温度响应自紧锚杆的施工方法。
技术方案：本发明所述的一种温度响应自紧锚杆，包括齿轮装置、温度响应装置、封闭盒体、套筒和杆体，齿轮装置与温度响应装置相接触，封闭盒体分别与温度响应装置、套筒固定连接，杆体通过齿轮装置固定，温度响应装置包括弹簧、温度敏感层、挡板、弹簧端头板、垫板和防锈杆，防锈杆的两端分别固定连接挡板和弹簧端头板，弹簧的一端与弹簧端头板与相连，另一端与垫板相连，挡板与垫板之间的杆体为温度敏感部，杆体的末端设置锚头。
齿轮装置包括固定连接的螺栓和齿轮盘，优选为一体连接，比焊接连接具有更高的抗剪、抗扭能力。齿轮盘的沟槽内设置环形钢珠，通过钢珠的滑动减小摩擦。
温度敏感部为具有高强温度敏感性材料，优选为形状记忆合金、钢、铝，根据材料的热胀冷缩原理，利用自然环境昼夜温差的现象，将热能转化为机械能，使得温度响应装置产生驱动力，带动齿轮盘转动，通过螺纹连接的杆体此时会转动，起到锚杆自紧的效果，减少后期检修人力投入。
为了有效地避免齿轮盘啮合引起的错位问题，挡板优选为圆锥形。套筒上设置卡槽，杆体上设置与卡槽相吻合的金属板。卡槽和金属板的形状均为十字形，使金属板只沿杆体轴向产生位移。卡槽连接处涂有起润滑作用的液体，还有防锈防腐蚀措施。锚头的形状为球形，表面有螺纹，相比普通的尖端锚头，具更高的抗拔力，抗滑移力，不易随土体变形而滑动。为了增大杆体与岩土体的摩擦力，杆体的直径沿锚头向锚尾依次减小。
温度响应装置优选为两组，且关于齿轮状指对称分布，以保证受力平衡不倾斜。杆体为不锈钢防锈杆体。
上述温度响应自紧锚杆的施工方法，包含以下步骤：
a、找平：清除坡面表层的浮土和植被，保证钻孔面平整；
b、定位：按照设计要求，确定钻孔的位置；
c、钻孔：采用旋挖钻孔、长螺旋钻进、回转钻进或冲击回转钻进的方式钻孔；
d、嵌入杆体：采用套管或泥浆护壁的方式将杆体放入钻孔中；
e、灌浆：采用压力注浆的方式沿杆体一端进行注浆，直至浆液从注浆口溢出；
f、安装基座：完成注浆口的封堵后，安装预制的混凝土基座；
g、安装锚头：杆体浆液达到设计强度后，安装锚头，采用扳手悬紧螺栓，使杆体达到400～800kN预应力，锚尾的混凝土套筒与尾部盒体基座为一整体，安装套入杆体尾部固定，此时挡板被紧紧挤压在坡体内，套筒被压入土体中；
h、安装自紧装置：将两个温度响应装置关于齿轮装置对称地安装在封闭盒体的基座上；
i、封装：安装预制的封闭盒体，并采用水泥砂浆对封闭盒体与基座的连接处进行密封。
工作原理：当温度5～15℃时，温度敏感部收缩，使得圆锥形挡板向上运动，进而带动齿轮盘转动，与齿轮盘螺纹连接的杆体此时会转动，起到锚杆自紧的效果；当外界温度升高到15℃以上时，温度敏感部膨胀，使得圆锥形挡板向下运动，圆锥形挡板的圆锥面与齿轮盘作用，经过钢珠间的润滑滑动，摩擦力较小，滑动较容易，温度响应装置产生偏移，螺栓处于静止状态，不会引起齿轮盘的转动。弹簧预设有400～800kN预应拉力，当温度敏感部在较长时间的运作下失效时，即相当于普通杆体不再具有热胀冷缩特性，弹簧继续作用，弹簧处于自拉力状态，径向还是收缩状态，可以继续拉动圆锥形挡板使其有效，能够延长锚杆的使用寿命。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：操作简单，只需要通过首次人工操作，就可以达到锚杆自紧效果；无需人工检修：该装置直接安装后，仅通过外界温度差就能实现锚杆自紧；寿命延长：该装置在使用过程中，后期检修力度大大降低，能够减少对锚杆的破坏，施工简便，成本较低，适合推广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明温度响应装置2的结构示意图。
图4是本发明杆体5、套筒4连接处的结构示意图。
图5是本发明杆体5的结构示意图。
图6是本发明的热胀工作原理图。
图7是本发明的冷缩工作原理图。
具体实施方式
如图1～2，温度响应装置2固定设置在锚尾封闭盒体3的基座上，钢筋混凝土套筒4为预制，与封闭盒体3形成一个整体。齿轮装置1与杆体5螺纹连接，齿轮装置1与温度响应装置2相接触，温度响应装置2固定连接在尾部盒体3紧贴边坡的挡板一侧。
如图3，温度响应装置2包括弹簧21、温度敏感部22、圆锥形的挡板23、弹簧端头板24、垫板25和防锈杆26，防锈杆26的两端分别固定连接挡板23和弹簧端头板24，弹簧21的一端与弹簧端头板24与相连，另一端与垫板25相连，挡板23与垫板25之间的杆体5为温度敏感部22。温度敏感层22为具有高强温度敏感性材料，可以为形状记忆合金、钢或铝。
如图4～5，套筒4上有十字卡槽41，与杆体5上的十字形金属板板52相互吻合。杆体5的末端设置锚头54，杆体5直径从锚头向锚尾依次减小，增大摩擦力，且杆体的锚头54设计成圆球形，增大抗拔力。
如图6，当外界温度升高到15℃以上时，温度响应装置2的温度敏感部22开始热胀，弹簧21伸长慢慢恢复原状态，圆锥形挡板23被推移拉伸，此时圆锥形挡板23的圆锥面与齿轮盘12作用，经过环形钢珠14间的润滑滑动，温度响应装置2会有一定量的偏移，八角螺栓11处于静止状态，不会引起齿轮盘12的转动。
如图7，在夜间温度较低(5℃～15℃)冷缩时，温度响应装置2的温度敏感部22 径向会产生被压缩现象，初始处于预紧状态的弹簧21受到拉力，在弹簧端头板24的顶紧压力下，沿着金属防锈杆体26方向向上运动，从而连接的圆锥形挡板23被迫产生位移，带动齿轮转动，好比螺母控制螺栓的松紧，通过螺纹连接的杆体5此时会转动，起到锚杆自紧的效果。减少后期检修人力投入。
本发明的温度响应的自紧锚杆的施工步骤：
(1)找平：清除坡面表层的浮土和植被，保证钻孔面平整；
(2)定位：按照设计要求，确定钻孔的位置；
(3)钻孔：采用旋挖钻孔方式钻孔；
(4)嵌入杆体5：采用用套管或泥浆护壁等方式将杆体5放入钻孔中；
(5)灌浆：采用压力注浆的方式从杆体5一端进行注浆，直至浆液从注浆口溢出；
(6)安装基座：完成注浆口的封堵后，安装预制的混凝土套筒4；
(7)安装锚头：杆体5浆液达到设计强度后，人工安装锚头54，采用扳手悬紧八脚螺栓11至设计扭矩，杆体5达到设计预应力；
(8)安装自紧装置：将两个温度响应装置2关于齿轮装置1对称地安装在封闭盒体3的基座上；通过八角螺栓11人力悬紧带动齿轮盘12固定锚杆，安装温度响应装置 2，镜相对称沿盒体斜对角线对称安装两个该装置，避免单方向螺栓转动时不稳定引起杆体5倾斜的问题，八角螺栓和齿轮盘设计为一带有孔洞螺纹的整体，温度响应装置2 的弹簧端头板24为圆球形螺栓帽，用以固定弹簧21，带有圆锥形挡板23和温度敏感部 22的金属杆体26穿过与基座一体的垫板25，装入弹簧21后悬紧弹簧端头板24，避免因两者焊接引起的抗剪切能力差的质量问题，温度响应装置2可围绕与基座一体的结构垫板25转动，即热胀时减小阻力；
(9)封装：安装预制的封闭盒体3，并采用水泥砂浆对封闭盒体3与基座的连接处进行密封，避免大自然对锚杆的风吹日晒，保护锚杆装置，延长其使用寿命。

Claims (10)

1.一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：包括齿轮装置(1)、温度响应装置(2)、封闭盒体(3)、套筒(4)和杆体(5)，所述齿轮装置(1)与温度响应装置(2)相接触，所述封闭盒体(3)分别与温度响应装置(2)、套筒(4)固定连接，所述杆体(5)通过齿轮装置(1)固定，所述温度响应装置(2)包括弹簧(21)、温度敏感部(22)、挡板(23)、弹簧端头板(24)、垫板(25)和防锈杆(26)，所述防锈杆(26)的两端分别固定连接挡板(23)和弹簧端头板(24)，所述弹簧(21)的一端与弹簧端头板(24)相连，另一端与垫板(25)相连，所述挡板(23)与垫板(25)之间的防锈杆(26)杆体为温度敏感部(22)，所述杆体(5)的末端设置锚头(54)。
2.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述齿轮装置(1)包括固定连接的螺栓(11)和齿轮盘(12)。
3.根据权利要求2所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述齿轮盘(12)的沟槽内设置钢珠(14)。
4.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述温度敏感部(22)为具有高强温度敏感性材料。
5.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述挡板(23)为圆锥形。
6.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述套筒(4)上设置卡槽(41)，所述杆体(5)上设置与卡槽(41)相吻合的金属板(52)。
7.根据权利要求6所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述卡槽(41)和金属板(52)的形状均为十字形。
8.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述锚头(54)的形状为球形。
9.根据权利要求1所述的一种温度响应自紧锚杆，其特征在于：所述杆体(5)的直径沿锚头(54)向锚尾依次减小。
10.一种温度响应自紧锚杆的施工方法，其特征在于包含以下步骤：
(a)找平：清除坡面表层的浮土和植被，保证钻孔面平整；
(b)定位：按照设计要求，确定钻孔的位置；
(c)钻孔：采用旋挖钻孔、长螺旋钻进、回转钻进或冲击回转钻的方式钻孔；
(d)嵌入杆体：采用套管或泥浆护壁的方式将杆体(5)放入钻孔中；
(e)灌浆：采用压力注浆的方式沿杆体(5)一端进行注浆，直至浆液从注浆口溢出；
(f)安装基座：完成注浆口的封堵后，安装预制的混凝土套筒(4)；
(g)安装锚头：杆体(5)浆液达到设计强度后，安装锚头(54)，采用扳手悬紧螺栓(11)，使杆体(5)达到400～800kN预应力；
(h)安装自紧装置：将两个温度响应装置(2)关于齿轮装置(1)对称地安装在封闭盒体(3)的基座上；
(i)封装：安装预制的封闭盒体(3)，并采用水泥砂浆对封闭盒体(3)与基座的连接处进行密封。
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