CN110863851A - 一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锚杆技术领域，涉及一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，包括螺母、托盘和杆体，所述杆体安装在围岩中预设钻孔中，尾部通过螺母和托盘进行固定；杆体包括多段正泊松比材料杆段和负泊松比材料杆段，二者交替布置。负泊松比材料杆段受力后发生膨胀变形，正泊松比材料杆段受力后发生收缩变形，这样整个杆体变形之后的形状如一根竹子，在负泊松比材料杆段处形成竹节。本发明的锚杆有很大的恒阻力和横向扩张特性，大大地提高了锚杆的锚固作用，保证围岩稳定性。
Description
技术领域
本发明属于锚杆技术领域，涉及一种地下硐室或边坡支护设备，具体涉及一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆。
背景技术
锚杆作为一种有效的工程支护形式，具备改善岩土体构造和强化围岩强度的作用，能明显提高围岩稳定性，加之辅助成巷快、铺设成本小、可反复利用等优点，已普遍的应用于地下硐室和边坡支护过程中，代表了岩土体支护技术的主要发展方向。我国是地质灾害多发国家，滑坡、岩爆、冲击地压、软岩大变形等岩土体地质灾害时有发生，传统锚杆因变形量小、支护阻力低(强度和刚度都小)等缺点经常发生拉断失效现象，尤其是发生岩爆等灾害，更显得束手无策，已无法应对上述岩土体地质灾害。由此可见，急需一种全新锚杆应对上述地质灾害。正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆的研究还未出现，并且正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆具有屈服强度高、塑性变形量大、易膨胀等特性，可以保证岩土体的稳定性。因此开展正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆的研究具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，通过负泊松比材料杆段环向膨胀和全部杆段径向伸长的双重作用，保护岩体的稳定性，进而防治各种岩土体地质灾害的发生。
为实现上述的发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，包括螺母1、托盘2和杆体；所述的杆体包括多段正泊松比材料杆段3和负泊松比材料杆段4，二者交替布置；杆体伸入到围岩5中预设钻孔中，钻孔外部的杆体尾端通过螺母1和托盘2进行固定，使杆体固定在围岩5中。
所述的正泊松比材料杆段3的材质为金属材料。所述的负泊松比材料杆段4的材质为具有微孔结构的聚四氟乙烯或聚乙烯多孔复合材料。
所述的螺母1和托盘2为钢质材料。
负泊松比材料段4的杆体受力后发生膨胀变形，正泊松比材料段3受力后发生收缩变形。正泊松比材料杆段3和负泊松比材料杆段4受力后均发生较大的塑性变形，塑性变形量是弹性变形量的10-15倍；这样整个杆体变形之后的形状如一根竹子，在负泊松比处形成竹节。
本发明利用负泊松比材料杆段4的受力膨胀原理，对围岩5产生环向压力。同时，由于围岩5的环向变形也对杆体产生环向压力，因负泊松比材料杆段4的横向膨胀，在钻孔孔壁和负泊松比材料杆段4相接触处(竹节处)的摩擦阻力不断增大，从而阻止围岩5的破坏。由于围岩5在产生环向变形的同时也产生径向变形，围岩5径向变形产生径向应力，拉伸杆体，径向应力作用在杆体上，此时锚杆发挥恒阻大变形特性，尤其是正泊松比材料杆段3通过较大的塑性变形吸收能量，并随着围岩的径向变形而变形，从而阻止围岩的破坏。
本发明的有益效果：本发明锚杆有很大的恒阻力(主要体现在此种锚杆在受力后随围岩变形可发生的很大塑性变形)和横向扩张特性，通过负泊松比材料杆段环向膨胀和全部杆段径向伸长的双重作用，大大地提高了锚杆的锚固作用，保护岩体的稳定性，进而防治各种岩土体地质灾害的发生。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的结构示意图。
图2是锚杆受力后轴线上的最小主应力变化曲线。
图中：1螺母；2托盘；3正泊松比材料杆段；4负泊松比材料杆段；5围岩。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明实施例的结构示意图。该正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆包括螺母1、托盘2、正泊松比材料杆段3、负泊松比材料杆段4。螺母1和托盘2位于杆体的尾部。杆体安装在围岩5中预设钻孔中。杆体包括三段正泊松比材料杆段3和两段负泊松比材料杆段4，二者相间分布。正泊松比材料杆段3和负泊松比材料杆段4的长短无限制；负泊松比材料杆段4可位于杆体的任一位置，包括杆端和杆中，当杆端为负泊松比材料杆段4时，可以更好地起到端部固定的作用。
正泊松比材料段杆体3受力后发生收缩变形，负泊松比材料段杆体4受力后发生膨胀变形。正泊松比材料杆段3和负泊松比材料杆段4受力后均发生较大的塑性变形，杆体的塑性变形量是弹性变形量的10-15倍，发生塑性变形时对应的应力强度为30-35MPa。这样整个杆体变形之后的形状如一根竹子，在负泊松比处形成竹节。
锚杆受力后轴线上的最小主应力变化曲线如图2所示，杆体上233-267cm和483-517cm两段为负泊松比材料杆段4(图2中用矩形虚线标注处)，杆体上其它处为正泊松比材料杆段3。由图2可得，两段负泊松比材料杆段4应力值远高于正泊松比材料杆段3的应力值。
如表1所示，本发明的正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆在外力作用下，负泊松比材料段杆体4的位移为负值，即杆段发生膨胀变形；正泊松比材料段杆体3的位移为正值，即杆段发生收缩变形。并且，如上所述，负泊松比材料杆段4的最小主应力明显大于具有正泊松比材料段杆体3(见图2)，因此当锚杆受力时，在负泊松比材料杆段4就形成“竹节”。
表1为本实施例的正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆受力后不同材料段的横向位移值(正号表示横向收缩，负号表示横向膨胀)
表1
开挖巷道后的围岩在重力和构造应力等因素的作用下，围岩5必将产生变形，因围岩5的变形可分为径向变形和环向变形。围岩5的径向变形使锚杆轴向方向受力，锚杆发生塑性变形，吸收能量，防止杆体拉伸破坏。围岩5的环向变形使负泊松比材料杆段4发生横向膨胀，因横向膨胀，故在膨胀处杆体对孔壁产生环向压力。当岩体沿杆体发生轴向移动时，由于环向压力的作用会在杆体和孔壁接触处产生较大的与岩体移动方向相反的摩擦阻力，从而阻止岩体的破坏。当锚杆尾部为负泊松比材料时，因负泊松比材料受力膨胀，使杆体的尾部牢牢地固定在围岩上，增强了锚杆与岩石的作用力，起到了端锚的作用。并且，当每段负泊松比材料之间距离较短，段数较多时，可以起到全锚的作用。
当岩体与杆体之间的作用力不断增大时，如果杆体部分发生破坏，留在围岩内的具有负泊松比特性的残余杆体仍然能够起到锚固作用。并且又可通过较大的塑性变形吸收能量。从作用机理上分析，这种全新的锚杆，克服了传统锚杆结构和安装工艺的不足，其优越性比较明显。
Claims (3)
1.一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，其特征在于，所述的正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆包括螺母(1)、托盘(2)和杆体；所述的杆体包括多段正泊松比材料杆段(3)和负泊松比材料杆段(4)，二者交替布置；杆体伸入到围岩(5)中预设钻孔中，钻孔外部的杆体尾端通过螺母(1)和托盘(2)进行固定，使杆体固定在围岩(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，其特征在于，所述的正泊松比材料杆段(3)的材质为金属材料；所述的负泊松比材料杆段(4)的材质为具有微孔结构的聚四氟乙烯或聚乙烯多孔复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种正负泊松比相间的恒阻大变形竹节式锚杆，其特征在于，所述的螺母(1)和托盘(2)为钢质材料。
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