CN112664249B - 一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，杆体的首端设置有外螺纹段，其末端设置有内锚固段；杆体在内锚固段和外螺纹段之间为主杆体部分；外螺纹段的外部设有外螺纹；内锚固段呈圆台状，且大径端位于杆体末端的一侧；主杆体部分的末端设有第一螺旋锚固段，第一螺旋锚固段由柱体绕其中心螺旋扭转形成；托盘套设在外螺纹段的外侧，螺母连接在外螺纹段的外侧；定压垫片套设在外螺纹段的外部，并位于托盘和螺母之间；定压垫片为设定抗剪强度的刚性垫片；限位环滑动的套设在主杆体部分的外侧，其内径大于主杆体部分的外径，且小于内锚固段大径端的外径。该锚杆结构简单、制作成本低，其让压长度可调，便于直观的了解锚杆的工作状态。

Description

一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆

技术领域

本发明属于工程支护技术领域，具体是一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆。

背景技术

锚杆支护能够充分调动围岩的自承载能力，相对于以钢拱架为代表的被动支护方式，具有施工方便，成本低等优点，因而广泛应用于各类隧道及地下工程中。然而，随着地下工程的开挖深度不断加大，越来越多的交通隧道及矿山巷道中出现了挤压大变形现象，以往在浅部工程中常用的螺纹钢锚杆由于其杆体极限延伸率仅为20%左右，在围岩尚未变形稳定时就已经破断失效，因而难以控制挤压大变形隧道围岩的稳定，导致这类工程往往需要多次翻修，进而造成了大量的人力财力消耗。

为解决这类大变形支护的难题，市场上出现了多种适用于大变形围岩加固的让压屈服锚杆，屈服锚杆按其屈服原理大致可分为锚头屈服型和杆体屈服型。锚头屈服型是在内锚固段（或外锚固段）增设可持续变形的屈服装置（如可使杆体在其内滑动的套筒）来实现恒阻屈服，这类通过设置屈服装置的大变形锚杆由于结构较为复杂，制作成本相对较高，而很难大面积应用于各类工程支护。杆体屈服型则是用杆体在锚固体中整体滑移或杆体屈服伸长来实现屈服的，杆体材料通常是具有特殊外形的钢材，或具有高强度、长屈服变形能力的特征，或杆体形状设计较为特别（如波纹形），可维持一定荷载下较大变形。较为代表的例如南非的椎体锚杆（椎体剪切锚固体实现整体滑移）、管缝式锚杆（杆体与钻孔围岩之间摩擦滑移）以及挪威的D锚杆（锚固点间的杆体自由变形），这类锚杆的特点是杆体结构较为简单，制造成本也较低，但是其存在承载能力相对较底（椎体锚杆和管缝式锚杆）或屈服变形量有限（D锚杆）的问题。除此之外，以上各种类型屈服锚杆由于其承载特性曲线往往仅有两个阶段（增阻阶段和恒阻阶段），让压长度无法预先设定，无法很好的实现先让后抗的支护理念，难以做到在屈服让压的同时达到预定变形控制。与此同时，由于锚杆支护属于隐蔽工程，掌握锚杆的工作状态以及围岩的变形量等关键信息对工程技术人员把握围岩状态和优化设计方案至关重要，而传统锚杆尚不具备直观展示锚杆工作状态的功能，需要额外安装压力传感器或位移传感器才可以了解锚杆的工作状态。

因此，基于以上传统锚杆中存在的不足，亟需一种具有让压长度可调、结构简单、多级承载等优点的大变形锚杆，以更好的提高锚杆支护技术在挤压大变形岩石工程中的适应能力。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，该锚杆结构简单、制作成本低，便于大面积应用于各类工程支护中，同时，其让压长度可调，便于直观的了解锚杆的工作状态。

为了实现上述目的，本发明提供一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，包括杆体、托盘和螺母、定压垫片和限位环；

所述杆体的首端设置有外螺纹段，其末端设置有内锚固段；杆体在内锚固段和外螺纹段之间为主杆体部分；

所述外螺纹段的外部设置有外螺纹；所述内锚固段呈圆台状，且大径端位于杆体末端的一侧；

所述主杆体部分的末端设置有第一螺旋锚固段，所述第一螺旋锚固段由柱体绕其中心螺旋扭转形成；

所述托盘滑动的套设在外螺纹段的外侧，所述螺母通过螺纹配合连接在外螺纹段的外侧，且较托盘靠近杆体的首端；

所述定压垫片滑动的套设在外螺纹段的外部，并设置在托盘和螺母之间；定压垫片为设定抗剪强度的刚性垫片，其在承受压力达到设定值后会碎裂；

所述限位环滑动的套设在主杆体部分的外侧，其外径小于待施工钻孔的内径，其内径大于主杆体部分的外径，且小于内锚固段大径端的外径。

本发明中，通过第一螺旋锚固段的设置不仅可以起到搅拌锚固剂的作用，还可以与锚固剂之间产生较大的粘结互锁力，从而有效的增加锚固强度。此外，由于第一螺旋锚固段扭转所形成的外接圆与自由段杆体圆截面一致，在脱粘后可以在自由段锚固剂内自由移动。通过使内锚固段呈圆台形，能对锚固体产生挤压剪切作用，进而可以使整个杆体在锚固体中产生恒阻滑移以进一步释放围岩变形能，还能在围压变形达到预定让压量时，即当内锚固段移动至限位环处时，受到限位环的限制使锚固力进入二次增阻阶段，从而有效限制围岩的进一步变形。由于定压垫片在承受一定压力后会发生破裂，因而通过定压垫片的设置，可以使现场技术人员仅通过观测垫片的状态，即可方便快捷的判断出围岩变形是否达到设计值以及锚杆工作状态是否进入二次增阻阶段，从而可以有效的对支护设计方案进行优化和完善，也能便于初步预估围岩变形量，极大降低了支护质量监测的工作量和成本；通过限位环的位置，可以灵活调整锚杆的让压屈服量，而不需要对杆体结构进行任何改变，从而使锚杆可以应用于不同变形量需求的各种工程，增大了锚杆的应用范围；本发明通过将杆体设置成内锚固段、第一螺旋锚固段和光滑自由段三段式结构，同时搭配套装有限位环，不仅可以使锚杆具备灵活的变形适应能力，还可以在适应变形的同时通过二次增阻在让压充分后给围岩施加高强度支护从而限制围岩过度变形，实现了先让后抗，先柔后刚的支护理念；本锚杆结构简单，制作成本低，施工方便，适于推广应用于各类支护工程，可以对大变形围岩实现先让后抗变形可控的支护效果。

作为一种优选，所述第一螺旋锚固段的末端与内锚固段的小径端连接。

进一步，主杆体部分在第一螺旋锚固段之外的部分为光滑自由段。聚四氟乙烯涂层具有良好的不粘性和抗腐蚀性，不仅可以防止光滑自由段杆体与锚固剂之间产生粘结，还能降低摩擦系数，使光滑自由段杆体在锚固剂内可以自由变形。

进一步，为了可以更好的起到搅拌锚固剂的作用，还可以与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，以进一步增加锚固强度，所述主杆体部分上还设置有一个第二螺旋锚固段，第二螺旋锚固段的结构与第一螺旋锚固段的结构相同，且与第一螺旋锚固段相间隔的设置，主杆体部分在第一螺旋锚固段和第二螺旋锚固段之外的部分均为光滑自由段。

进一步，为了可以更好的起到搅拌锚固剂的作用，还可以与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，以进一步增加锚固强度，所述主杆体部分上还设置有多个第二螺旋锚固段，多个第二螺旋锚固段之间相间隔的设置，第二螺旋锚固段的结构与第一螺旋锚固段的结构相同，且靠近末端的第二螺旋锚固段与第一螺旋锚固段相间隔的设置，主杆体部分在第一螺旋锚固段和第二螺旋锚固段之外的部分均为光滑自由段。

进一步，所述光滑自由段的外表面均匀的喷涂有聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯涂层具有良好的不粘性和抗腐蚀性，不仅可以防止光滑自由段杆体与锚固剂之间产生粘结，还能降低摩擦系数，使光滑自由段杆体在锚固剂内可以自由变形。

进一步，为了能更好的起到搅拌锚固剂的作用，同时，为了能与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，所述第一螺旋锚固段由断面呈勒洛三角形的柱体螺旋扭转形成。

进一步，为了能更好的起到搅拌锚固剂的作用，同时，为了能与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，所述第二螺旋锚固段由断面呈勒洛三角形的柱体螺旋扭转形成。

进一步，为了增加杆体的抗拉及抗剪强度，所述杆体采用一体成型工艺加工而成。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A—A向的剖视图；

图3本发明中内锚固段的结构示意图；

图4是本发明中第一螺旋锚固段的结构示意图；

图5是本发明中光滑自由段的结构示意图；

图6是本发明中限位环的结构示意图；

图7是本发明一次增阻阶段的工作状态示意图；

图8是本发明恒阻阶段的工作状态示意图；

图9是本发明二次增阻阶段的工作状态示意图；

图10是本发明中的实施例1对比传统全长树脂锚固锚杆、已有让压屈服锚杆的工作阻力随位移量变化的曲线图；

图11是本发明中的实施例2的结构示意图。

图中：1、杆体，2、钻孔，3、锚固剂，4、外螺纹段，5、光滑自由段，6、第一螺旋锚固段，7、内锚固段，8、限位环，9、托盘，10、定压垫片，11、螺母，12、第二螺纹锚固段，13、主杆体部分。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图6所示，一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，包括杆体1、托盘9和螺母11、定压垫片10和限位环8；

所述杆体1的首端设置有外螺纹段4，其末端设置有内锚固段7；杆体1在内锚固段7和外螺纹段4之间为主杆体部分；

所述外螺纹段4的外部设置有外螺纹；所述内锚固段7呈圆台状，且大径端位于杆体1末端的一侧；

所述主杆体部分13的末端设置有第一螺旋锚固段6，所述第一螺旋锚固段6由柱体绕其中心螺旋扭转形成；

所述托盘9滑动的套设在外螺纹段4的外侧，所述螺母11通过螺纹配合连接在外螺纹段4的外侧，且较托盘9靠近杆体1的首端；

所述定压垫片10滑动的套设在外螺纹段4的外部，并设置在托盘9和螺母11之间；定压垫片10为设定抗剪强度的刚性垫片，其在承受压力达到设定值后会碎裂；作为一种优选，所述定压垫片10内孔的孔径和托盘9中锚孔的孔径相同，且均略大于外螺纹段4的外径；作为一种优选，定压垫片10的外径小于托盘9的外径，且大于螺母11的外径。

所述限位环8滑动的套设在主杆体部分13的外侧，其外径小于待施工钻孔2的内径，其内径大于主杆体部分13的外径，且小于内锚固段7大径端的外径。

作为一种优选，所述第一螺旋锚固段6的末端与内锚固段7的小径端连接。

作为一种优选，主杆体部分13在第一螺旋锚固段6之外的部分为光滑自由段5。

作为一种优选，所述光滑自由段5的外表面均匀的喷涂有聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯涂层具有良好的不粘性和抗腐蚀性，不仅可以防止光滑自由段杆体与锚固剂3之间产生粘结，还能降低摩擦系数，使光滑自由段杆体在锚固剂3内可以自由变形。

为了能更好的起到搅拌锚固剂3的作用，同时，为了能与锚固剂3之间产生更大的粘结互锁力，所述第一螺旋锚固段6由断面呈勒洛三角形的柱体螺旋扭转形成。

为了增加杆体的抗拉及抗剪强度，所述杆体1采用一体成型工艺加工而成。

锚杆安装时，通过树脂锚固剂3或水泥砂浆对锚杆进行全长锚固，该过程中根据预定围岩让压量调整定位环的位置。安装完成后，在锚杆工作初期，地下工程围岩产生的变形通过托盘和第一螺旋锚固段首先施加到光滑自由段杆体上，这样，在围岩发生变形时光滑自由段杆体首先发生弹性变形，能利用杆体材料自身的弹性伸长适应围岩初期变形，同时，第一螺旋锚固段杆体与锚固剂3之间粘结剪切力逐渐增大，该过程中，锚杆工作阻力处于线弹性增阻阶段，如图7所示。随着围岩的持续变形，作用于第一螺旋锚固段的锚固力逐渐增大，达到初始工作阻力后第一螺旋锚固段发生渐次脱粘，至超过该段杆体与锚固体之间的抗剪强度后，该段杆体与锚固体粘结失效，而后内锚固段连同整个杆体在锚固体中会产生挤压滑移，内锚固段对锚固体产生挤压剪切作用，使得整个杆体在锚固体中恒阻滑移进一步释放围岩变形能，进而锚杆工作阻力进入恒阻阶段，如图8所示。最后当围压变形达到预定让压量后，内锚固段滑移至限位环处，由于限位环的限制作用，锚杆无法继续在锚固体中滑移变形，锚杆工作阻力进入二次增阻阶段，如图9所示，对围岩进一步变形进行了强力限制，从而有效的实现了先让后抗，先柔后刚的支护理念，显著的增加了支护效果。此外，由于锚杆整个工作阻力分为三个阶段，即一次增阻阶段、恒阻阶段和二次增阻阶段，所设定压垫片极限承载力在恒阻值以上，只有当围岩变形量达到设计变形值，锚杆屈服让压结束由恒阻进入二次增阻阶段定压垫片才会受压破裂，从而方便现场技术人员对围岩变形量和锚杆工作状态进行有效掌控。

图10给出了本发明对比传统全长树脂锚固锚杆、已有让压屈服锚杆的工作阻力随位移量变化的曲线图，其中，仅具有一个第一螺旋锚固段，由图中可以明显的看出本申请中的锚杆整体位移过程中工作阻力分为三个阶段，依次为一次增阻阶段、恒阻阶段和二次增阻阶段，同时，在产生较大位移量后仍能具有良好的工作阻力，较传统的锚杆拥有更理想的支护效果。

实施例2：

如图11所示，与实施例1不同的是，主杆体部分13上还设置有一个或多个第二螺旋锚固段12。

为了可以更好的起到搅拌锚固剂的作用，还可以与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，以进一步增加锚固强度，主杆体部分13上设置有一个第二螺旋锚固段12，第二螺旋锚固段12的结构与第一螺旋锚固段6的结构相同，且与第一螺旋锚固段6相间隔的设置，主杆体部分13在第一螺旋锚固段6和第二螺旋锚固段12之外的部分均为光滑自由段5。

为了可以更好的起到搅拌锚固剂的作用，还可以与锚固剂之间产生更大的粘结互锁力，以进一步增加锚固强度，主杆体部分13上设置有多个第二螺旋锚固段12，多个第二螺旋锚固段12之间相间隔的设置，第二螺旋锚固段12的结构与第一螺旋锚固段6的结构相同，且靠近末端的第二螺旋锚固段12与第一螺旋锚固段6相间隔的设置，主杆体部分13在第一螺旋锚固段6和第二螺旋锚固段12之外的部分均为光滑自由段5。

为了能更好的起到搅拌锚固剂3的作用，同时，为了能与锚固剂3之间产生更大的粘结互锁力，所述第二螺旋锚固段12由断面呈勒洛三角形的柱体螺旋扭转形成。

作为一种优选，所述光滑自由段5的外表面均匀的喷涂有聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯涂层具有良好的不粘性和抗腐蚀性，不仅可以防止光滑自由段杆体与锚固剂3之间产生粘结，还能降低摩擦系数，使光滑自由段杆体在锚固剂3内可以自由变形。

由于主杆体部分13在第一螺旋锚固段6的基础上又设置了一个或多个第二螺旋锚固段12，因而，本实施例较实施例1具有更好的支护效果更好。

Claims (8)

1.一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，包括杆体（1）、托盘（9）和螺母（11），其特征在于，还包括定压垫片（10）和限位环（8）；

所述杆体（1）的首端设置有外螺纹段（4），其末端设置有内锚固段（7）；杆体（1）在内锚固段（7）和外螺纹段（4）之间为主杆体部分（13）；

所述外螺纹段（4）的外部设置有外螺纹；所述内锚固段（7）呈圆台状，且大径端位于杆体（1）末端的一侧；

所述主杆体部分（13）的末端设置有第一螺旋锚固段（6），所述第一螺旋锚固段（6）由柱体绕其中心螺旋扭转形成；

主杆体部分（13）在第一螺旋锚固段（6）之外的部分为光滑自由段（5）；第一螺旋锚固段（6）扭转所形成的外接圆与自由段杆体圆截面一致；

所述托盘（9）滑动的套设在外螺纹段（4）的外侧，所述螺母（11）通过螺纹配合连接在外螺纹段（4）的外侧，且较托盘（9）靠近杆体（1）的首端；

所述定压垫片（10）滑动的套设在外螺纹段（4）的外部，并设置在托盘（9）和螺母（11）之间；定压垫片（10）为设定抗剪强度的刚性垫片，其在承受压力达到设定值后会碎裂；

所述限位环（8）滑动的套设在主杆体部分（13）的外侧，其外径小于待施工钻孔（2）的内径，其内径大于主杆体部分（13）的外径，且小于内锚固段（7）大径端的外径。

2.根据权利要求1所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述第一螺旋锚固段（6）的末端与内锚固段（7）的小径端连接。

3.根据权利要求2所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述主杆体部分（13）上还设置有一个第二螺旋锚固段（12），第二螺旋锚固段（12）的结构与第一螺旋锚固段（6）的结构相同，且与第一螺旋锚固段（6）相间隔的设置，主杆体部分（13）在第一螺旋锚固段（6）和第二螺旋锚固段（12）之外的部分均为光滑自由段（5）。

4.根据权利要求2所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述主杆体部分（13）上还设置有多个第二螺旋锚固段（12），多个第二螺旋锚固段（12）之间相间隔的设置，第二螺旋锚固段（12）的结构与第一螺旋锚固段（6）的结构相同，且靠近末端的第二螺旋锚固段（12）与第一螺旋锚固段（6）相间隔的设置，主杆体部分（13）在第一螺旋锚固段（6）和第二螺旋锚固段（12）之外的部分均为光滑自由段（5）。

5.根据权利要求3所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述光滑自由段（5）的外表面均匀的喷涂有聚四氟乙烯涂层。

6.根据权利要求4所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述光滑自由段（5）的外表面均匀的喷涂有聚四氟乙烯涂层。

7.根据权利要求3或4所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述第一螺旋锚固段（6）由断面呈勒洛三角形的柱体螺旋扭转形成。

8.根据权利要求7所述的一种让压长度可调的多级承载大变形锚杆，其特征在于，所述杆体（1）采用一体成型工艺加工而成。

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