CN110925000B - 具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，大变形托盘的中部为轴镜像的两个蝶形簧片，蝶形簧片中部拱起形成帽状结构，蝶形簧片外侧被波浪形异形托板夹持，上、下异形托板通过定位导杆连接，定位导杆上部与上异形托板固定，定位导杆下部设置预应力标定的限位孔并插入限位销对蝶形簧片施加应力，限位孔下部开设安全孔并插入安全销，限位孔的位置对应于异形托板和蝶形簧片组合后弹性形变所对应的预应力大小，提前经过计算标定好。本发明提供的大变形托盘在出厂前装配好，根据预应力大小不同装配不同的规格，施工现场安装时直接拔除限位销即可完成精确预应力的自施加，省去了现场操作和调试，并能实现多级卸压。

Description

具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘及使用方法

技术领域

本发明涉及地下工程锚固支护技术领域，具体涉及具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘及使用方法。

背景技术

锚固支护技术是岩土、采矿、边坡及水利等工程领域广泛应用的一项主动支护技术，相对于传统的棚式支护方式可以充分发挥围岩的自承能力，可以显著改善支护效果，同时降低支护成本。然而，近年来由于地下工程的深度不断增大，出现了越来越多的高地应力、软弱破碎围岩等大变形工程，对锚杆支护提出了更大的挑战。针对这种软岩大变形工程既要求足够的预应力以控制围岩早期的松散变形，同时又要求支护系统具备较大的变形能力，以充分释放围岩的变形能。

针对锚杆或锚索支护预应力的施加，目前广泛采用的是通过扭矩扳手旋紧锚杆端部的螺母或施工现场采用张拉器直接张拉的方式进行施加，这种方式存在预应力施加难、工序多、力的大小难以定量、以及精度低等不足。另一方面，锚杆或锚索由于自身材料的限制，一般其延伸率仅为10％～20％左右，仅靠锚杆或锚索自身的变形很难满足软岩大变形的控制需求，目前较多采用特殊结构的锚杆以增大支护系统的变形适应能力，比如常见的恒阻大变形锚杆、D型锚杆、Garford锚杆、Yield-Lok锚杆等，然而这种高性能的锚杆一般结构复杂且成本较高，同时由于锚杆深入岩体内部，一般很难从外部观察锚杆的实际工作状态。

托盘作为锚固支护系统中的一个重要部件，不仅可以通过压紧托盘来对锚杆施加预应力，从而实现锚杆的主动、及时支护；同时还可以将围岩的变形荷载传递到锚杆上，并由锚杆载荷扩散到围岩中。目前工程中常用的托盘主要有平板形托盘、M形托盘和蝶形托盘，大多仅能起到载荷的传递和扩散的作用，但在预应力施加和让压变形方面还有较大优化空间。如申请号为201621407568.6的实用新型专利公开的一种多级周期让压锚杆托盘，通过多级让压环与让压凹凸槽之间的挤压滑动来实现让压，让压环在锚杆压力作用下由于上下部受力不均很难实现同步挤压滑动，且所需的托盘碟片体积较大，材料及加工成本较高，同时待锚固的围岩还要提前钻取与让压环相适应的空心槽，增加了额外钻孔工序；申请号为201010515672的发明专利公开的一种持续性渐进让压错杆托盘，通过带有多圈圆环状让压沟糟与围岩挤压让位，让压阻力较难控制且不稳定，易对围岩造成挤压损伤，使围岩松动失效；申请号为201610570387.3的发明专利公开的用于巷道围岩变形监测的大变形托盘，通过在盘盒内均匀排布的多个弹簧组成的弹簧组实现让压，这种方式让压性能不稳定，当盖板偏心受压时仅有少数弹簧受压，无法保证所有弹簧均匀受压；申请号为201610342003.2的发明专利公开的一种吸能锚杆托盘，通过吸能管受压撕裂实现让压，由于其让压能力主要预裂线槽中的助裂刀对吸能管的切削力和摩擦力决定，从而让压能力有限，容易出现在压力较低时即发生让压，同时，所提出的让压效果要求锚杆与托盘相垂直才能使让压环在各个方向的预裂线槽同步撕裂，现场中锚杆与托盘往往存在一定角度，无法保证绝对垂直。

因此，基于以上锚固支护系统不具有预应力自施加功能、且让压结构设计存在一定缺陷，亟需一种可以快速精确施加预应力、且可以显著增大系统变形能力的新型托盘，以更好的提高锚固支护系统在复杂工程环境下的适应能力，有鉴于此，本案由此而生。

发明内容

本发明提供一种锚杆支护用大变形托盘，其目的是令托盘具备预应力精确自施加功能，并且具有多级让压效果，使其能够显著增大锚杆支护系统的变形能力。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，包括具有同心孔的异形托板和蝶形簧片，所述蝶形簧片包括上蝶形簧片和下蝶形簧片，上蝶形簧片与下蝶形簧片轴镜像布设，上蝶形簧片与下蝶形簧片均为边缘低中部高、且中部拱起形成帽状结构，上蝶形簧片的边缘与下蝶形簧片的边缘接触；异形托板包括断面为波浪形结构的上异形托板及下异形托板，上异形托板和下异形托板分别位于蝶形簧片的两侧共同将其夹持住；上异形托板和下异形托板的外边缘对称开设若干预留孔，定位导杆的顶部固定在上异形托板预留孔内，定位导杆下部穿过下异形托板的预留孔，定位导杆下部的外露端开设预应力标定的限位孔，限位孔的位置对应于异形托板和蝶形簧片组合后弹性形变所对应的预应力大小，限位孔内出厂前插入定位销，定位销待托盘使用安装时拔出，限位孔下部开设安全孔，安全孔内插入安全销。

进一步设置，所述上异形托板和下异形托板结构相同并沿轴镜像布设。

进一步设置，所述上异形托板的外径为150～200mm，内径为20～24mm，厚度为12～14mm，波浪起伏高度为24～28mm。

进一步设置，所述蝶形簧片的材质为50CrV4。

进一步设置，所述上蝶形簧片和下蝶形簧片结构相同，上蝶形簧片的厚度为8～10mm，外径为120～130mm，内径为60～70mm；上蝶形簧片和下蝶形簧片未受压时边缘相接触，两个帽状结构总高度为26～30mm。

进一步设置，所述定位导杆为直径10～12mm、长度为90～100mm的钢质圆柱杆，定位导杆下端的限位孔和安全孔孔径为5mm。

进一步设置，所述异形托板根据限位孔标定应力大小的不同，涂覆不同的颜色作为区分标识。

本发明还提供上述具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘的使用方法，该方法具体内容如下：

具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘使用方法，包括上述大变形托盘、锚杆以及球形螺帽，使用方法内容包括：

将上述出厂时装配好的大变形托盘紧贴岩面放置，将一端锚固在岩体内的锚杆的外露端依次穿过上异形托板和下异形托板的中心孔，并在外露的锚杆端头安装球形螺帽，球形螺帽的顶面与下异形托板底面恰好接触，然后将定位销移除。

进一步设置，当围岩的变形令异形托板和蝶形簧片均处于压缩状态时，将球形螺帽从锚杆端部旋松以进一步增大锚杆的变形能力。

进一步设置，工作人员通过观察异形托板和蝶形簧片的形变了解锚杆的工作状态。

本发明所提供的大变形托盘可以精确的自施加预应力，省去了传统托盘需要依靠扭矩扳手扭动锚杆端部的螺母来施加预应力的工序，施力方式变得更加简单，且施力大小精确可控；并且通过特殊结构的弹性变形件设计实现了多级卸压，可以将锚杆支护系统的允许变形量提高50～100mm；通过观察整个托盘的外部形态，可以直观的判断出目前锚杆所处的工作状态，更好的起到施工质量检查或警示的作用。

附图说明

图1为本发明实施例中托盘装配结构示意图；

图2为本发明实施例中托盘对锚杆施加预应力的状态示意图；

图3为本发明实施例中托盘实现一级卸压时状态示意图；

图4为本发明实施例中托盘实现二级卸压时状态示意图；

图5为本发明实施例中托盘实现三级卸压时状态示意图。

图中：1、上异形托板；2、下异形托板；3、上蝶形簧片；4、下蝶形簧片；5、定位导杆；6、定位销；7、安全销；8、球形螺帽；9、钻孔；10、锚杆；11、锚固剂；12、围岩。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例公开了一种具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘(以下简称“大变形托盘”)，也公开了该托盘的安装及使用方法。大变形托盘的结构构成以及装配结构如图1所示，在托盘中起到让压作用的弹性变形元件主要包括异形托板和蝶形簧片，异形托板和蝶形簧片的中心均开设同圆心孔，该圆心孔是供锚杆10穿过。其中，异形托板分为上异形托板1和下异形托板2，上异形托板1和下异形托板2结构相同，均为圆盘结构，其断面为波浪形，本实施例中异形托板的设计尺寸如下：上异形托板1的外径为150～200mm，内径为20～24mm，厚度为12～14mm，波浪起伏高度为24～28mm(波谷或波峰至横轴平面的高度)。装配时，上异形托板1和下异形板2沿轴向镜像布设，即上异形板1的波谷正对下异形托板2的波峰。

蝶形簧片由上蝶形簧片3和下蝶形簧片4构成，上蝶形簧片3和下蝶形簧片4结构相同，也是沿轴向镜像布设，蝶形簧片也呈圆盘形并且边缘低中部高，中部拱起形成帽状结构，本实施例中蝶形簧片材质为50CrV4，其设计尺寸如下：上蝶形簧片3的厚度为8～10mm，外径为120～130mm，内径为60～70mm。装配时，上蝶形簧片3和下蝶形簧片4镜像对称放置，被夹持在上、下异形托板之间，当蝶形簧片未受压时，上蝶形簧片3的外边缘与下蝶形簧片4的外边缘相接触，而两者的中部拱起位置相对，两个帽状结构构成的拱起高度为26～30mm。

大变形托盘还包括起到连接作用的定位导杆5，定位导杆5用于将上异形托板1和下异形托板2连接在一起，使之形成整体变形结构。因此，上异形托板1的外边缘和下异形托板2的外边缘对称开设若干预留孔，本实施例中沿圆周方向等间距开设四个直径为10mm的预留孔，预留孔供定位导杆5穿入。装配时，定位导杆5的顶端直接焊接固定在上异形托板1的预留孔内，定位导杆5的下端为自由端，下端穿过下异形托板2的预留孔，并且定位导杆5的下端有一段外露在下异形托板2的下方；在该外露段上开设孔径为5mm的限位孔及安全孔，限位孔的位置对应于标定好的预应力大小并用于插入定位销6，定位销6在变形托盘出厂前已经根据所要施加的预应力大小提前插入到与之对应的限位孔内，限位孔均预先经过计算确定开孔位置，该位置对应于异形托板和蝶形簧片组合后弹性形变所对应的预应力大小，关于预应力的计算属于本技术领域人员掌握的基本知识，此处不展开详述，一旦插入定位销6后该变形托盘就具备了对应预应力大小的自施加功能，定位销6主要限制预压缩的蝶形簧片的自由移动，待施工现场安装变形托盘后再将定位销6拔除，预应力即可施加到锚杆上。而安全孔用于插入安全销7，安全销7主要用于防止下异形托板2在受冲击载荷时突然从定位导杆5上弹出。本实施例中，定位导杆5为直径10～12mm、长度为90～100mm的钢质圆柱杆。

由于每个限位孔对应不同预应力大小，故整个大变形托盘是在出厂前装配好的，已经具备预应力自施加功能，可以根据预应力大小的不同装配出能施加不同预应力大小的各种托盘，并通过将异形托盘涂覆成不同的颜色方便区分预应力大小，当然也可以在定位导杆5的限位孔处标定具体预应力数值。

上述给出了大变形托盘的结构构成，出厂前就已经装配好，其装配结构如图1所示，说明如下：先将蝶形簧片夹持在上、下异形托板之间，将上端固定在上异形托板1预留孔内的定位导杆5从下异形托板2预留孔中穿出，根据需要施加的预应力大小，将定位销6插入对应预应力大小的定位孔内，令蝶形簧片处于受压状态，并令定位销6位于下异形托板2的外侧；为了防止下异形托板2从定位导杆5上脱离，需要在定位销6下方的安全孔中插入安全销7进行安全保护。将上述装配好的大变形托盘用于锚杆10支护系统时，锚杆10的上端预先用锚固剂11锚固在围岩12的钻孔9内固定，锚杆10的另一端外露在围岩12外部，将上述装配好的大变形托盘紧贴围岩12的岩面放置，将锚杆10的外露端依次穿过上异形托板1和下异形托板2的中心孔，并在外露的锚杆10端头安装一个球形螺帽8，令球形螺帽8的顶部与下异形托板2底面恰好接触即可。此处，球形螺帽8仅仅起到限位作用，而不是像传统托盘是通过螺母旋紧来施加预应力的作用，故传统托盘一般锚杆端部的螺母是锁死后不动的，整个托盘是固定安装在围岩上的，不可重复使用。而本实施例中整个安装结构都是可拆卸的，球形螺帽8拆除后整个托盘是可以拆除并重新使用的。安装完成后，直接将定位销6移除，此时预压缩的蝶形弹簧即会对锚杆10施加预设的预应力，安装后施加预应力时大变形托盘的初始状态如图2所示。

按照上述方法将大变形托盘安装在围岩12上的锚杆10上，通过蝶形簧片的压缩变形以及上、下两块对称布置的异形托板的塑性变形实现多次让压，从而增大锚杆10支护系统的变形适应能力。大变形托盘在工作中的让压过程如下：图3展示的是大变形托盘实现一级卸压时的状态，随着围岩12的变形，首先蝶形簧片受压变形，在压力作用下蝶形簧片高度降低外径增大，高度降低量与所施加的外力大小呈正比例关系(在卸除压力后可恢复原状)，上、下蝶形簧片的帽状结构逐渐贴合，直至整个蝶形簧片上下紧贴在一起，由此完成第一级卸压工作；图4展示的是大变形托盘实现二级卸压时的状态，即完成一级卸压后，随着围岩的进一步变形，下异形托板2将产生塑性变形，下异形托板2与上异形托板1靠近中心孔的一端原本分离，现在逐渐靠拢直至贴合在一起，使得下异形托板2由原来的波浪形逐渐变形至帽状结构，由此完成第二级卸压工作；图5展示的是大变形托盘实现三级卸压时的状态，即完成二级卸压后，进一步随着围岩的继续变形，上异形托板1被挤压变形，上异形托板1将由波纹状逐渐变形至平板状，由此完成第三级卸压工作。当大变形托盘已经实现三级卸压后，随着围岩的继续变形，此时还可以利用扳手旋松球形螺帽8，进一步增大锚杆的变形能力，属于第四级卸压阶段。

本发明所公开的大变形托盘结构以及该托盘的使用方法，不仅具有准确的预应力自施加功能，其多级让压效果显著，现场工作人员通过观察大变形托盘所处的状态，即可直观的判定出目前锚杆所处的工作状态，从而更好的起到施工质量检查或警示的作用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：包括具有同心孔的异形托板和蝶形簧片，所述蝶形簧片包括上蝶形簧片和下蝶形簧片，上蝶形簧片与下蝶形簧片轴镜像布设，上蝶形簧片与下蝶形簧片均为边缘低中部高、且中部拱起形成帽状结构，上蝶形簧片的边缘与下蝶形簧片的边缘接触；异形托板包括断面为波浪形结构的上异形托板及下异形托板，上异形托板和下异形托板分别位于蝶形簧片的两侧共同将其夹持住；上异形托板和下异形托板的外边缘对称开设若干预留孔，定位导杆的顶部固定在上异形托板预留孔内，定位导杆下部穿过下异形托板的预留孔，定位导杆下部的外露端开设预应力标定的限位孔，限位孔的位置对应于异形托板和蝶形簧片组合后弹性形变所对应的预应力大小，限位孔内出厂前插入定位销，定位销待托盘使用安装时拔出，限位孔下部开设安全孔，安全孔内插入安全销。

2.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述上异形托板和下异形托板结构相同并沿轴镜像布设。

3.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述上异形托板的外径为150～200mm，内径为20～24mm，厚度为12～14mm，波浪起伏高度为24～28mm。

4.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述蝶形簧片的材质为50CrV4。

5.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述上蝶形簧片和下蝶形簧片结构相同，上蝶形簧片的厚度为8～10mm，外径为120～130mm，内径为60～70mm；上蝶形簧片和下蝶形簧片未受压时边缘相接触，两个帽状结构总高度为26～30mm。

6.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述定位导杆为直径10～12mm、长度为90～100mm的钢质圆柱杆，定位导杆下端的限位孔和安全孔孔径为5mm。

7.根据权利要求1所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘，其特征在于：所述异形托板根据限位孔标定应力大小的不同，涂覆不同的颜色作为区分标识。

8.具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘使用方法，其特征在于：包括如权利要求1至7任一所述大变形托盘、锚杆以及球形螺帽，使用方法包括：

将上述出厂时装配好的大变形托盘紧贴岩面放置，将一端锚固在岩体内的锚杆的外露端依次穿过上异形托板和下异形托板的中心孔，并在外露的锚杆端头安装球形螺帽，球形螺帽的顶面与下异形托板底面恰好接触，然后将定位销移除。

9.根据权利要求8所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘使用方法，其特征在于：当围岩的变形令异形托板和蝶形簧片均处于压缩状态时，将球形螺帽从锚杆端部旋松以进一步增大锚杆的变形能力。

10.根据权利要求8所述的具有预应力自施加功能的多级让压大变形托盘使用方法，其特征在于：工作人员通过观察异形托板和蝶形簧片的形变了解锚杆的工作状态。

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