CN111042126B - 一种耗能减震锚杆及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耗能减震锚杆及其施工方法，该减震锚杆包括锚杆系统和耗能减震系统；锚杆包括杆体、锚具和垫板；锚具和垫板将杆体前端锚固于挡土结构上，后端通过浆体锚固于地层中。耗能减震系统包括液压缸、弹簧、活塞、顶扩杆、粘滞液体和节流孔；缸内充满粘滞液体，顶扩杆在液压缸前后两端侧壁对称分布，弹簧套在活塞杆上，活塞套于液压缸内，活塞杆与杆体通过套筒同轴连接；地震作用下，锚杆随着地震往复力而产生反复的拉压变形，弹簧、粘滞液体阻力和顶扩杆附加锚固力会进行能量损耗；地震结束后，在压缩液体和弹簧作用下自动复位；本发明结构简单、技术可行、组装便捷、施工容易，具有良好的减震、锚固和长期服役性能。

Description

一种耗能减震锚杆及其施工方法

技术领域

本发明属于岩土锚固工程技术领域，具体涉及一种耗能减震锚杆及其施工方法。

背景技术

据统计近年来地震活动频繁，如2008年5月12日汶川8.0级地震、2010年4月14日，青海省玉树市发生6次地震，最高震级7.1级，2014年8月3日，云南省昭通市鲁甸县发生6.5级地震，仅2018年我国共发生31次5.0级以上的地震，2018年9月28日，印尼帕鲁发生7.4级地震。这些地震造成大量的人员伤亡、房屋倒塌及山体滑坡等，给国家和人们带来生命危险和重大财产损失。

锚杆支护在边坡防护中发挥重要作用，有支护效果好，适用性强，较为经济等优点，但地震作用下，锚杆支护边坡失稳破坏愈发普遍，传统的锚杆支护结构出现延性较低、无法适应地震作用下土体大变形，地震反复力下易破坏等不足。当地震灾害发生时，一方面锚杆轴向力会迅速增加，导致锚杆杆身被拉断，另一方面，土体变形较大，锚杆变形很难满足变形要求，易引起边坡失稳。在经济社会的快速发展的今天，面对频繁的地震活动区的边坡工程抗震提出了新要求。如在地震或震动冲击作用下，锚杆不仅需要提供充足的锚固力，还要能够抵抗土体大变形且不破坏，震后残余力较小等。因此，为了减轻地震诱发滑坡灾害，解决锚杆抗震的问题刻不容缓。本发明基于耗能减震理念，将锚杆与减震系统结合，提高锚杆可变形程度，同时增强对地震反复力的削弱耗能效果，提出一种新型耗能减震锚杆。

发明内容

本发明的目的是针对地震作用造成的支护结构及不稳定岩土变形过大，甚至失稳垮塌，无法自我调节的问题，提高支护结构的减震性能和边坡的安全性，提出一种耗能减震锚杆及其施工方法。

一种耗能减震锚杆，包括：耗能减震系统和锚杆系统；

所述锚杆系统包括杆体、锚具和垫板；

所述耗能减震系统包括液压缸、弹簧、活塞和活塞杆；

所述液压缸的前端和后端分别固定连接有所述杆体；所述锚具和垫板将液压缸前端的杆体锚固于挡土结构物上，液压缸后端的杆体通过浆体锚固于地层中；

所述活塞与弹簧设置在液压缸内，弹簧套在所述活塞杆上，所述活塞杆的一端固定在活塞的中心，活塞杆的另一端部穿过液压缸的前端面后与所述杆体通过套筒螺纹连接；活塞能够在液压缸内左右自由滑动；

在液压缸内填充有粘滞液体，在所述活塞上设置有供粘滞液体流过的节流孔；在液压缸的缸体前后两端的侧壁上设有若干顶扩杆，所述顶扩杆沿着液压缸的圆周分布；顶扩杆可沿液压缸径向伸缩；

所述活塞杆、杆体、套筒的中心轴重合。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，包括多个耗能减震系统，每两个耗能减震系统之间通过杆体与套筒连接为一体。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述杆体前后两端设有外螺纹，所述套筒设置有内螺纹。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述杆体为实心杆或中空管，杆体直径与活塞杆相等；实心杆直径为18mm～40mm，中空管直径为30mm～50mm，厚度为3mm～4mm。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述弹簧刚度系数为300N/mm～1000N/mm，直径为50mm～100mm。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述液压缸的直径为80mm～300mm，缸长为200mm～400mm，壁厚为20mm～50mm，液压缸上有4个或8个顶扩杆。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述节流孔均匀布设于活塞上，孔径3～6mm，数量2～4个。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述顶扩杆包括：内圆柱体、外圆柱体；所述内圆柱体通过油封嵌套在外圆柱体内；在内圆柱体的顶部沿其径向固定有销钉，所述销钉的长度大于外圆柱体的直径；在外圆柱体的底部设置有供粘滞液体进入的进油孔；所述外圆柱体直径为10～40mm，顶扩高度为50mm～150mm。

进一步地，如上所述的耗能减震锚杆，所述杆体、液压缸、活塞和顶扩杆材质均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好，工作时有良好的耐久性。

一种耗能减震锚杆的施工方法，包括以下步骤进行：

(1)调查边坡所处地质相关资料，分析潜在滑移面位置，确定杆体长度及倾角；

(2)制作耗能减震系统：制作液压缸、弹簧、活塞、顶扩杆和活塞杆，进行组装，弹簧套于活塞杆上，活塞杆的一端固定在活塞的中心，将活塞杆和活塞套于液压缸内，活塞杆从液压缸前端穿出，顶扩杆嵌套于液压缸侧壁，在液压缸内填充粘滞液体，密封连接，排气调试；

(3)制作锚杆：根据计算长度和直径制作杆体，杆体两端车削外螺纹；

(4)放线定位：根据设计图纸进行放线，从坡顶向下开挖边坡，然后用测量仪器定位锚杆位置；

(5)连接锚杆和耗能减震系统：采用套筒将杆体与耗能减震系统的活塞杆)和液压缸连接，相邻两个杆体之间设有一个耗能减震系统；多根杆体可与多个耗能减震系统连接，耗能减震系统位于锚杆自由段；

(6)钻孔：根据设计角度和深度，用钻机在边坡钻出安置孔，将锚杆放置于安置孔内；

(7)注浆：由导管伸入安置孔底部，采用压力注浆，待浆液达到最后一个液压缸时停止注浆，浆液与锚杆和周围土体粘结形成锚固段，抽出导管；

(8)张拉和锚固：将垫板套在露出坡面的杆体上，待锚固段达到一定强度后，根据需求施加预应力，再用锚具将减震锚杆锚固在坡面上或支护结构上；

(9)按照(5)、(6)、(7)和(8)的步骤施工下一个耗能减震锚杆。

本发明的有益效果是：

本发明结合阻尼抗震技术和锚固技术，形成耗能减震锚杆，解决边坡地震变形大、失稳及锚杆拉断、屈服问题，提高边坡抗震性能。

主要优点为：(1)本发明的耗能减震系统拼装在锚杆杆身内，使锚杆在地震作用下产生小幅度的伸缩往返变形，借助弹簧减震缓冲、顶扩杆外伸与挤压锚杆周围土体来形成附加锚固力及液压缸内粘滞液体与活塞节流孔和缸内侧摩擦，不断将锚杆吸收的地震能量转换为热能逐渐耗散，减小锚杆杆身振动，降低了地震时锚杆轴力的增大幅度，增强杆身抗震性能，而且地震结束后，在弹簧的弹性势能作用下液压缸自动复位。(2)本发明结构简单、技术可行、组装便捷、施工容易，具有良好的减震、锚固和长期服役性能。

本发明在边坡支护时的工作原理：

(1)锚固原理：浆体将锚杆后端与周围土体粘结为一体，支护边坡稳定。边坡处于静力(无地震)状态时，锚杆受拉，杆体拉着活塞向前移动，弹簧压缩、液压缸一侧腔室内部分粘滞液体穿过活塞节流孔流入另一侧腔室，液压缸前端顶扩杆略向外伸出，弹簧压力等于锚杆拉力，达到静力平衡。

(2)耗能减震原理：在地震作用下，边坡土体产生较大变形，锚杆随着地震往复力而产生反复的拉压变形，锚杆力周期性增大或减小。地震过程中，当边坡不稳定体向临空面运动时，锚杆拉力增大，活塞向左运动，弹簧被进一步压缩积累势能，活塞与液压缸内表面摩擦、左侧粘滞液体被挤压，部分液体流过活塞节流孔进入右侧，同时高压粘滞液体推动左侧顶扩杆向液压缸外部径向伸出并挤压周围土体，形成锚固力；弹簧抗力、液体阻力及左侧顶扩杆外伸挤压周围土体形成附加锚固力会进行能量损耗，消耗锚杆吸收的地震能量，有效减少了杆体受力及土体变形。当边坡在地震作用下往反方向变形时，锚杆卸力，弹簧的弹性势能使活塞往右运动、液压缸内油液穿过节流孔向左运动，左侧顶扩杆卸压收缩，右侧顶扩杆径向伸出，弹簧抗力、液体阻力和右侧顶扩杆外伸挤压土体形成附加锚固力消耗能量，消耗锚杆吸收的地震能量。在地震过程中锚杆上的耗能减震系统持续工作，不断将地震能量转换为热能从而逐渐耗散。地震结束后，在被压缩的液体和弹簧作用下活塞自动复位，保证锚杆耐久性。耗能减震系统消耗了锚杆吸收的地震能量，降低了震后锚杆轴力的增大幅度，避免锚杆杆身产生过大的轴力而失效，提高锚杆抗震或抗冲击性能。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明耗能减震锚杆示意图；

图2是锚杆耗能减震系统的示意图；

图3是地震作用下边坡向临空面运动时锚杆受拉变形结构示意图；

图4是地震作用下边坡向稳定体运动时锚杆反向变形结构示意图；

图5是图1中顶扩杆示意图；

图6是本发明多个耗能减震系统连接示意图；

图7是本发明在边坡支护工程中实施的示意图；

附图标记说明：

1-杆体、2-锚具、3-垫板、4-套筒、5-液压缸、6-弹簧、7-活塞、8-顶扩杆、9-粘滞液体、10-节流孔、11-浆体、12-挡土结构物、13-潜在滑移面、14-外螺纹；15-活塞杆；81-内圆柱体、82-外圆柱体、83-进油孔、84-销钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-7所示，本发明实施例提供一种耗能减震锚杆，包括：锚杆系统和耗能减震系统；

所述锚杆系统包括杆体1、锚具2和垫板3；杆体1上连接有所述耗能减震系统，所述耗能减震系统一端与杆体1螺纹连接，另一端与套筒4连接，锚具2和垫板3将杆体1前端锚固于挡土结构物12上，后端通过浆体11锚固于地层中；

所述耗能减震系统包括液压缸5、弹簧6、活塞7、活塞杆15、顶扩杆8、粘滞液体9和节流孔10；液压缸5内设置有活塞7，液压缸5前端中部设有活塞杆孔，液压缸5的缸体前后两端侧壁设有顶扩杆8，所述顶扩杆8分布在液压缸5的两端、且沿着液压缸5的圆周分布；活塞7上设节流孔10，活塞杆15的前端设有外螺纹14；弹簧6套在活塞杆15上，活塞7设置于液压缸5内，活塞杆15从液压缸5前端穿出，活塞7与液压缸5之间自由滑动；顶扩杆8在液压缸5上对称分布，可沿液压缸5径向伸缩；液压缸5内充满粘滞液体9；顶扩杆8的分布规则是无论活塞7向哪边移动，总有一边的顶扩杆8在活塞7的推动作用下沿着液压缸5径向伸缩。

所述耗能减震系统的活塞杆15通过套筒4与杆体1螺纹同轴连接，通过注浆和锚固构成耗能减震锚杆。

进一步的，为了提高整个系统的抗震性能，本申请所述耗能减震锚杆可由多根杆体1和多个耗能减震系统连接构成，相邻两个杆体1之间设有一个耗能减震系统；

所述锚杆在轴向外力作用下驱动活塞7与液压缸5产生相对位移，弹簧6压缩、顶扩杆8外伸挤压周围土体形成附加锚固力及粘滞液体9在液压缸5内运动摩擦耗能，不断将锚杆吸收的地震能量耗散。

进一步地，所述杆体1前后两端设有外螺纹14，所述套筒4设置有内螺纹；杆体1与活塞杆15通过套筒4同轴连接有利于锚杆传力。

进一步地，所述杆体1为实心杆或中空管，杆体1直径与活塞杆15相等；实心杆直径为18mm～40mm，中空管直径为30mm～50mm，厚度为3mm～4mm。

进一步地，所述弹簧6刚度系数为300N/mm～1000N/mm，直径为50mm～100mm；弹簧6不仅为锚杆大变形提供有利条件，而且振动时可消耗锚杆所吸收的能量，结束后在弹性势能作用下使锚杆复位，减少残余力。

进一步地，所述液压缸5的直径为80mm～300mm，缸长为200mm～400mm，壁厚为20mm～50mm，液压缸5上有4个或8个顶扩杆8；振动过程中，顶扩杆8外伸挤压周围土体形成附加锚固力。

进一步地，所述节流孔10均匀布设于活塞7上，孔径为3～6mm，数量2～4个；粘滞液体9在液压缸5内流动摩擦产生热能。

进一步地，所述顶扩杆8包括：内圆柱体81、外圆柱体82；所述内圆柱体81通过密封圈嵌套在外圆柱体82内；在内圆柱体81的顶部沿其径向固定有销钉84，所述销钉84的长度大于外圆柱体82的直径；在外圆柱体82的底部设置有供粘滞液体进入的进油孔83；所述外圆柱体82直径为10～40mm，顶扩高度为50mm～150mm。

进一步地，所述杆体1、液压缸5、活塞7和顶扩杆8材质均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好，保证锚杆耐久性。

如图1-7所示，本发明实施例还提供了一种耗能减震锚杆施工方法，采用逆作法，由上而下分段施工，按以下步骤进行：

(1)调查边坡所处地质相关资料，分析潜在滑移面13位置，确定杆体1长度及倾角；

(2)制作耗能减震系统：制作液压缸5、弹簧6、活塞7、顶扩杆8和活塞杆15，进行组装，弹簧6套于活塞杆15上，活塞杆15的一端固定在活塞7的中心，将活塞杆15和活塞7套于液压缸5内，活塞杆15从液压缸5前端穿出，顶扩杆8嵌套于液压缸5侧壁，在液压缸5内填充粘滞液体9，密封连接，排气调试；

(3)制作锚杆：根据计算长度和直径制作杆体1，杆体两端车削外螺纹14；

(4)放线定位：根据设计图纸进行放线，从坡顶向下开挖边坡，然后用测量仪器定位锚杆位置；

(5)连接锚杆和耗能减震系统：采用套筒4将杆体1与耗能减震系统的活塞杆15和液压缸5连接，相邻两个杆体1之间设有一个耗能减震系统；多根杆体1可与多个耗能减震系统连接，耗能减震系统位于锚杆自由段；

(6)钻孔：根据设计角度和深度，用钻机在边坡钻出安置孔，将锚杆放置于安置孔内；

(7)注浆：由导管伸入安置孔底部，采用压力注浆，待浆液达到最后一个液压缸5时停止注浆，浆液与锚杆和周围土体粘结形成锚固段，抽出导管；

(8)张拉和锚固：将垫板3套在露出坡面的锚杆上，待锚固段达到一定强度后，根据需求施加预应力，再用锚具2将锚杆锚固在坡面上或支护结构上；

(9)按照(5)、(6)、(7)和(8)的步骤施工下一个耗能减震锚杆。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；对于本领域的普通技术人员而言：其依然可以对本发明进行修改及替换；凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耗能减震锚杆，其特征在于：包括：耗能减震系统和锚杆系统；

所述锚杆系统包括杆体（1）、锚具（2）和垫板（3）；

所述耗能减震系统包括液压缸（5）、弹簧（6）、活塞（7）和活塞杆（15）；

所述液压缸（5）的前端和后端分别固定连接有所述杆体（1）；所述锚具（2）和垫板（3）将液压缸（5）前端的杆体（1）锚固于挡土结构物（12）上，液压缸（5）后端的杆体（1）通过浆体（11）锚固于地层中；

所述活塞（7）与弹簧（6）设置在液压缸（5）内，弹簧（6）套在所述活塞杆（15）上，所述活塞杆（15）的一端固定在活塞（7）的中心，活塞杆（15）的另一端部穿过液压缸（5）的前端面后与所述杆体（1）通过套筒（4）螺纹连接；活塞（7）能够在液压缸（5）内左右自由滑动；

在液压缸（5）内填充有粘滞液体（9），在所述活塞（7）上设置有供粘滞液体（9）流过的节流孔（10）；在液压缸（5）的缸体前后两端的侧壁上设有若干顶扩杆（8），所述顶扩杆（8）沿着液压缸（5）的圆周分布；顶扩杆（8）可沿液压缸（5）径向伸缩；

所述活塞杆（15）、杆体（1）、套筒（4）的中心轴重合；

所述顶扩杆（8）包括：内圆柱体（81）、外圆柱体（82）；所述内圆柱体（81）通过密封圈嵌套在外圆柱体（82）内；在内圆柱体（81）的顶部沿其径向固定有销钉（84），所述销钉（84）的长度大于外圆柱体（82）的直径；在外圆柱体（82）的底部设置有供粘滞液体进入的进油孔（83）；所述外圆柱体（82）直径为10~40mm，顶扩高度为50mm~150mm。

2.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：包括多个耗能减震系统，每两个耗能减震系统之间通过杆体（1）与套筒（4）连接为一体。

3.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述杆体（1）前后两端设有外螺纹（14），所述套筒（4）设置有内螺纹。

4.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述杆体（1）为实心杆或中空管，杆体（1）直径与活塞杆相等；实心杆直径为18mm~40mm，中空管直径为30mm~50mm，厚度为3mm~4mm。

5.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述弹簧（6）刚度系数为300N/mm~1000N/mm，直径为50mm~100mm。

6.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述液压缸（5）的直径为80mm~300mm，缸长为200mm~400mm，壁厚为20mm~50mm，液压缸（5）上有4个或8个顶扩杆（8）。

7.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述节流孔（10）均匀布设于活塞（7）上，孔径为3~6mm，数量2~4个。

8.根据权利要求1所述的耗能减震锚杆，其特征在于：所述杆体（1）、液压缸（5）、活塞（7）和顶扩杆（8）材质均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好，工作时有良好的耐久性。

9.一种根据权利要求1所述的耗能减震锚杆的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、调查边坡所处地质相关资料，分析潜在滑移面（13）位置，确定杆体（1）长度及倾角；

（2）、制作耗能减震系统：制作液压缸（5）、弹簧（6）、活塞（7）、顶扩杆（8）和活塞杆（15），进行组装，弹簧（6）套于活塞杆（15）上，活塞杆（15）的一端固定在活塞（7）的中心，将活塞杆（15）和活塞（7）套于液压缸（5）内，活塞杆（15）从液压缸（5）前端穿出，顶扩杆（8）嵌套于液压缸（5）侧壁，在液压缸（5）内填充粘滞液体（9），密封连接，排气调试；

（3）、制作锚杆：根据计算长度和直径制作杆体（1），杆体（1）两端车削外螺纹（14）；

（4）、放线定位：根据设计图纸进行放线，从坡顶向下开挖边坡，然后用测量仪器定位锚杆位置；

（5）、连接锚杆和耗能减震系统：采用套筒（4）将杆体（1）与耗能减震系统的活塞杆（15）和液压缸（5）连接，相邻两个杆体（1）之间设有一个耗能减震系统；多根杆体（1）与多个耗能减震系统连接，耗能减震系统位于锚杆自由段；

（6）、钻孔：根据设计角度和深度，用钻机在边坡钻出安置孔，将锚杆放置于安置孔内；

（7）、注浆：由导管伸入安置孔底部，采用压力注浆，待浆液达到最后一个液压缸（5）时停止注浆，浆液与锚杆和周围土体粘结形成锚固段，抽出导管；

（8）、张拉和锚固：将垫板（3）套在露出坡面的杆体（1）上，待锚固段达到一定强度后，根据需求施加预应力，再用锚具（2）将锚杆锚固在坡面上或支护结构上；

（9）、按照（5）、（6）、（7）和（8）的步骤施工下一个耗能减震锚杆。

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