CN111042127B - 一种耗能自恢复压力型锚杆的施工方法 - Google Patents

一种耗能自恢复压力型锚杆的施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耗能自恢复压力型锚杆及其施工方法，该压力型锚杆包括锚杆系统和耗能自恢复系统；锚杆系统包括杆体、套管、锚具和垫板；前端由锚具和垫板锚固于挡土结构物上，后端与耗能自恢复系统连接，外围注有浆体。耗能自恢复系统包括液压缸、弹簧、挡板、活塞、活塞杆、粘滞液体、节流孔和承压筒；承压筒与液压缸前端连接，缸内充满粘滞液体；活塞杆一端固定在活塞上，另一端穿过液压缸和承压筒与杆体连接；活塞杆上设挡板，两侧套有弹簧；冲击及往复荷载作用下，弹簧拉压，驱动活塞在液压缸内运动，实现锚杆变形让压耗能及自恢复，耗能减振效果明显。本发明技术简单可行，自恢复系统设在锚杆底部施工方便，外部浆体有良好防护作用。

Description

一种耗能自恢复压力型锚杆的施工方法
技术领域
本发明属于岩土锚固工程技术领域，具体涉及一种耗能自恢复压力型锚杆及其施工方法，特别适用于边坡和地下工程抗冲击支护。
背景技术
在岩土工程及地下工程中，锚杆支护已得到广泛使用，传统压力型锚杆可使杆体应力传至端部后，并通过与锚杆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。相比于传统拉力型锚杆，压力型锚杆解决了筋体与灌浆体界面的损伤问题，具有良好的锚固能力。但在2019年11月18日，平遥煤矿巷道瓦斯爆炸造成15人死亡的悲剧，爆炸对支护结构产生冲击，后将冲击力传递给支护围岩的锚杆，使结构安全无从保证。在地下工程和隧道工程中，随着工程向土层的深入，岩爆的可能性极大提升，对锚固结构冲击作用极大，导致锚杆破坏；在我国西南地区，地震、山体滑坡事故频发，冲击荷载及往复荷载作用造成各种建筑物破坏，使道路交通阻塞和基础设施无法正常使用。传统压力型锚杆支护逐渐暴露一些不足：杆体承载力较低、传递荷载作用时能量无法耗散、冲击作用下杆体会产生并累积损伤程度和外荷载作用时可变形位移不足等。因此，针对传统压力型锚杆的缺陷，研发既吸能耗能又增大锚杆可变形程度，减小残余应变的新型锚杆成为工程师亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对传统支护结构承受往复荷载和冲击荷载时，不能有效耗能，荷载作用结束后残余应变无法自我调节恢复的问题，为提高锚固结构的耗能效果和保证支护结构的安全，提出一种耗能自恢复压力型锚杆及其施工方法。
本发明的目的之一是提供一种耗能自恢复压力型锚杆，包括：锚杆系统和耗能自恢复系统；
一种耗能自恢复压力型锚杆，包括：锚杆系统和耗能自恢复系统：
所述锚杆系统包括锚具、垫板、套管、杆体和浆体；
所述耗能自恢复系统包括承压筒、弹簧、挡板、液压缸、活塞杆和活塞；
所述液压缸与承压筒同心同轴首尾固定连接在一起；
所述活塞设置在液压缸内、且能够沿着液压缸轴向自由移动；所述活塞杆的一端固定在活塞的中心，另一端依次穿过液压缸与承压筒；
所述弹簧、挡板设在承压筒内，所述弹簧套设在活塞杆上，所述挡板固定在所述活塞杆上，所述弹簧在挡板的左右两侧各设置一个，所述弹簧能够随着挡板的左右移动而压缩或拉伸；
从承压筒伸出的活塞杆通过套筒与杆体固定连接，杆体的前端由锚具和垫板锚固于挡土结构物上、后端与所述活塞杆连接的部分被套在套管内，所述套管和耗能自恢复系统的外围通过注入浆体固定在安置孔内。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述液压缸内填充有粘滞液体，在活塞上分布有若干供粘滞液体通过的节流孔；缸体直径为50mm～100mm，缸长为100mm～300mm，壁厚为10mm～30mm。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，在液压缸的缸臂上设置有填油孔，该填油孔由螺栓封堵。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，在承压筒与活塞杆之间设有密封圈。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述弹簧刚度系数为 300N/mm～1000N/mm，直径为40mm～80mm。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述套筒设有内螺纹，材质为金属；所述套管为PVC或PE管，直径大于杆体和套筒。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述挡板为圆形，直径为 80mm～120mm。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述杆体和耗能自恢复系统的各部件均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好。
进一步地，如上所述的耗能自恢复压力型锚杆，所述垫板外径大于浆体凝结柱体直径。
本发明的另一目的是提供一种耗能自恢复压力型锚杆施工方法，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，分析潜在滑移面位置，确定杆体和套管长度及倾角；
(2)制作杆体：根据计算长度和直径制作杆体及套管，杆体两端车削螺纹；
(3)制作耗能自恢复系统：制作活塞杆、活塞、液压缸、弹簧、挡板和承压筒，进行组装和连接；液压缸前端和承压筒末端连接，活塞杆的一端固定在活塞的中心活塞套于液压缸内，活塞杆的另一端从液压缸和承压筒的前端穿出，在活塞杆上设置挡板，挡板两侧套弹簧，弹簧分别与承压筒内壁和液压缸外壁连接，在液压缸内填充粘滞液体，密封连接，排气调试；承压筒与活塞杆之间设密封圈；
(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)连接杆体和耗能自恢复系统：杆体与活塞杆由套筒连接，套管套在杆体和活塞杆上；
(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：向安置孔内进行压力注浆，浆体与周围土体及耗能自恢复系统粘结；
(8)张拉和锚固：将垫板套在露出坡面的锚杆上，当浆体达到一定强度后，根据需求施加预应力，再用锚具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自恢复压力型锚杆。
本发明的有益效果是：
本发明通过在锚杆底部设计耗能自恢复系统，解决了传统压力型锚杆在动力荷载作用下，让压性能和抗震性能不足的问题。主要优点为：(1)通过弹簧和单杆活塞在液压缸内运动，可使锚杆承受动力荷载时，依靠弹簧拉压、液压阻尼与回弹协同变形，实现锚杆让压及变形自恢复，弹簧弹性势能及液体压缩摩擦消耗冲击能，改善锚杆的受力状态，动荷载结束后，锚杆残余应力小；(2) 耗能自恢复系统技术简单可行，设在锚杆底部便于施工和安装，且外部的浆体对该系统具有良好的防护作用，增强锚杆耐久性。
本发明在支护使用时的工作原理：
(1)锚固原理：锚杆周围浆体与土体粘结，边坡处于静力(无动荷载)状态时，锚杆受拉，杆体拉着单杆活塞向前移动，左弹簧压缩、右弹簧拉伸，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，达到静力平衡时粘滞液体不再流动，弹簧和液压缸承受压力传递于承压筒，承压筒给前端浆体施加应力，由浆体与土体粘结力平衡，维持边坡稳定。
(2)耗能自恢复原理：在往复动荷载作用下，边坡土体产生较大变形，锚杆随着动荷载而产生反复的拉压变形，锚杆力周期性变化。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，挡板两侧弹簧左侧压缩、右侧拉伸积累势能，活塞与液压缸内壁摩擦、左侧粘滞液体被活塞挤压产生液体阻力，部分液体通过节流孔流向右侧腔室，锚杆伸长让压，弹簧抗力、液体阻力及摩阻力进行耗能，消耗杆体吸收的能量，有效减少锚杆受力。当边坡不稳定体反向运动时，锚杆在弹性势能作用下向右运动、右侧腔室粘滞液体部分被挤压向左侧腔室，返回平衡位置并超过后弹簧继续积累弹性势能，粘滞液体被挤压，在弹簧阻力、液体阻力和摩阻力作用下，耗能系统持续工作，不断消耗能量转换为热能。动荷载作用结束后，锚杆在弹簧弹性势能和被挤压液体作用下自动复位。耗能自恢复系统消耗锚杆吸收的能量，减小了锚杆在动荷载作用过程中的轴力响应幅值，降低了动荷载结束后锚杆的残余应力及变形，作用结束后锚杆恢复原状态，提高锚杆的可靠性和耐久性。
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是本发明耗能自恢复压力型锚杆示意图；
图2是耗能自恢复系统的示意图；
图3是图2系统A-A剖面的结构示意图；
图4是图1中承压筒的示意图；
图5是本发明在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-套管、5-承压筒、6-弹簧、7-挡板、8-液压缸、 9-活塞杆、10-节流孔、11-填油孔、12-粘滞液体、13-套筒、14-浆体、15-挡土结构物、16-潜在滑移面、17-活塞。
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。
本发明针对压力型锚杆在动荷载作用下的不足，提出一种耗能自恢复压力型锚杆，锚杆具有让压变形作用，增大工作时杆体可变形位移，耗能自恢复系统工作时可以在锚杆传力过程中有效消耗能量并进行缓冲，荷载作用结束后系统吸收的势能使锚杆恢复变形，保证耐久性。将耗能自恢复系统与压力型锚杆结合，在技术上简单可行，将其应用在外部荷载作用频繁地区，既吸能耗能又增大锚杆可变形程度，减小残余应变同时保证整体稳定性。
如图1-图5所示，本发明的目的之一是提供一种耗能自恢复压力型锚杆，包括：锚杆系统和耗能自恢复系统；
所述锚杆系统包括锚具2、垫板3、套管4、杆体1和浆体14；杆体1上套设套管4，前端由锚具2和垫板3锚固于挡土结构物15上，后端与耗能自恢复系统连接，外围注有浆体14；
所述耗能自恢复系统包括承压筒5、弹簧6、挡板7、液压缸8、活塞17、活塞杆9、填油孔11、粘滞液体12和节流孔10；液压缸8前端连接承压筒5，液压缸8与承压筒5前端均设有活塞杆9孔，缸内充满粘滞液体12，活塞17套于液压缸8内，活塞杆9依次穿过液压缸8和承压筒5前端，活塞17在液压缸 8内轴向自由滑动，活塞17上设节流孔10，活塞杆9前端设有外螺纹；活塞杆 9上设固定挡板7，挡板7两侧上套有弹簧6；
所述耗能自恢复系统的活塞杆9前端与杆体1后端通过套筒13同轴连接，套管4及耗能自恢复系统外围注浆构成耗能自恢复压力型锚杆；
所述耗能自恢复压力型锚杆在轴向冲击及往复荷载作用下弹簧6拉压、驱动活塞17在液压缸8内运动，实现锚杆变形让压及自恢复，粘滞液体12在缸内运动和弹簧6拉压耗能，不断将锚杆吸收的冲击或地震能量耗散，锚杆拉力通过承压筒5传递给前端浆体14，浆体14将力传递给周围岩土体。
进一步地，所述杆体1为实心杆或中空管，两端有外螺纹，直径与活塞杆9 相等，直径为20mm～40mm；
进一步地，所述承压筒5前端中心开孔，后端未封闭，筒径与液压缸8匹配，承压筒5与活塞杆9之间设有密封圈，防止外部浆体14进入；
进一步地，所述弹簧6包括左侧弹簧和右侧弹簧，左侧弹簧6与承压筒5 及挡板7连接，右侧弹簧6与液压缸8及挡板7连接，弹簧6刚度系数为 300N/mm～1000N/mm，直径为40mm～80mm。随着杆体1运动时不断消耗能量；
进一步地，所述液压缸8呈圆筒形，前端设有活塞杆孔，侧壁设有填油孔 11，由螺栓封堵，缸体直径为50mm～100mm，缸长为100mm～300mm，壁厚为10mm～30mm，粘滞液体12通过填油孔11注入液压缸8；
进一步地，所述套筒13设有内螺纹，材质为金属，套筒13将杆体1和活塞杆9同轴连接，便于传力；
进一步地，所述套管4为PVC或PE管，直径大于杆体1和套筒13，防止外部腐蚀物质与杆体1接触的同时保证杆体1可自由轴向运动；
进一步地，所述挡板7为圆形，固定在杆体1设计位置，直径为80mm～120mm，随杆体1轴向运动时带动弹簧6进行耗能作用；
进一步地，所述杆体1和耗能自恢复系统的各部件均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好；
进一步地，所述垫板3外径大于浆体14凝结柱体直径。
具体地，若所述垫板3的直径小于或等于浆体14凝结柱体直径，当锚杆较短、但受力较大时，该浆体14的凝结柱体会从垫板3外顶出，从而不利于固定整个锚杆系统。因此，只有垫板3外径大于浆体14凝结柱体直径，才能够更加有效地固定整个锚杆系统。
如图5所示，本发明的另一目的是提供一种耗能自恢复压力型锚杆施工方法，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16位置，确定杆体 1和套管4长度及倾角；
(2)制作杆体：根据计算长度和直径制作杆体1及套管4，杆体1两端车削螺纹；
(3)制作耗能自恢复系统：制作活塞杆9、活塞17、液压缸8、弹簧6、挡板7和承压筒5，进行组装和连接，活塞17设置于液压缸8内，液压缸8 前端和承压筒5末端连接；活塞杆9的一端固定在活塞17的中心,另一端从液压缸8和承压筒5的前端穿出，在活塞杆9上设置挡板7，挡板7两侧弹簧6 分别与承压筒5内壁和液压缸8外壁连接，在液压缸8内填充粘滞液体12，密封连接，排气调试；承压筒5与活塞杆9之间设密封圈；
(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)连接杆体和耗能自恢复系统：杆体1与活塞杆9由套筒13连接，套管4套在杆体1上；
(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：向安置孔内进行压力注浆，浆体14与周围土体及耗能自恢复系统粘结；
(8)张拉和锚固：将垫板3套在露出坡面的锚杆上，当浆体14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自恢复压力型锚杆。
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 (8)

1.一种耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：耗能自恢复压力型锚杆包括：锚杆系统和耗能自恢复系统：
所述锚杆系统包括锚具(2)、垫板(3)、套管(4)、杆体(1)和浆体(14)；
所述耗能自恢复系统包括承压筒(5)、弹簧(6)、挡板(7)、液压缸(8)、活塞杆(9)和活塞(17)；
所述液压缸(8)与承压筒(5)同心同轴首尾固定连接在一起；
所述活塞(17)设置在液压缸(8)内、且能够沿着液压缸(8)轴向自由移动；所述活塞杆(9)的一端固定在活塞(17)的中心，另一端依次穿过液压缸(8)与承压筒(5)；
所述弹簧(6)、挡板(7)设在承压筒(5)内，所述弹簧(6)套设在活塞杆(9)上，所述挡板(7)固定在所述活塞杆(9)上，所述弹簧(6)在挡板(7)的左右两侧各设置一个，所述弹簧(6)能够随着挡板(7)的左右移动而压缩或拉伸；
从承压筒(5)伸出的活塞杆(9)通过套筒(13)与杆体(1)固定连接，杆体(1)的前端由锚具(2)和垫板(3)锚固于挡土结构物(15)上、后端与所述活塞杆(9)连接的部分被套在套管(4)内，所述套管(4)和耗能自恢复系统的外围通过注入浆体(14)固定在安置孔内；
所述液压缸(8)内填充有粘滞液体(12)，在活塞上分布有若干供粘滞液体(12)通过的节流孔(10)；缸体直径为50mm～100mm，缸长为100mm～300mm，壁厚为10mm～30mm；
施工方法包括以下步骤：
(1)调查边坡所处地质相关资料，分析潜在滑移面(16)位置，确定杆体(1)和套管(4)长度及倾角；
(2)制作杆体：根据计算长度和直径制作杆体(1)及套管(4)，杆体(1)两端车削螺纹；
(3)制作耗能自恢复系统：制作活塞杆(9)、活塞(17)、液压缸(8)、弹簧(6)、挡板(7)和承压筒(5)，进行连接组装，液压缸(8)前端和承压筒(5)末端连接；活塞杆(9)的一端固定在活塞(17)的中心，活塞(17)设置于液压缸(8)内，活塞杆(9)的另一端从液压缸(8)和承压筒(5)的前端穿出，在活塞杆(9)上设置挡板(7)，挡板(7)两侧设弹簧(6)，弹簧(6)分别与承压筒(5)内壁和液压缸(8)外壁连接，在液压缸(8)内填充粘滞液体(12)，密封连接，排气调试；承压筒(5)与活塞杆(9)之间设密封圈；
(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)连接杆体和耗能自恢复系统：杆体(1)与活塞杆(9)由套筒(13)连接，外围设套管(4)；
(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：向安置孔内进行压力注浆，浆体(14)与周围土体及耗能自恢复系统粘结；
(8)张拉和锚固：将垫板(3)套在露出坡面的锚杆上，当浆体(14)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自恢复压力型锚杆。
2.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：在液压缸(8)的缸臂上设置有填油孔(11)，该填油孔(11)由螺栓封堵。
3.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：在承压筒(5)与活塞杆(9)之间设有密封圈。
4.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：所述弹簧(6)刚度系数为300N/mm～1000N/mm，直径为40mm～80mm。
5.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：所述套筒(13)设有内螺纹，材质为金属；所述套管(4)为PVC或PE管，直径大于杆体(1)和套筒(13)。
6.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：所述挡板(7)为圆形，直径为80mm～120mm。
7.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：所述杆体(1)和耗能自恢复系统的各部件均为金属，内外均涂刷有防腐层，连接密封性良好。
8.根据权利要求1所述的耗能自恢复压力型锚杆的施工方法，其特征在于：所述垫板(3)外径大于浆体(14)凝结柱体直径。
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