CN112901232B - 一种补偿预应力损失的多级让压锚杆 - Google Patents

Abstract

一种补偿预应力损失的多级让压锚杆，包括锚杆杆体、内套筒、外套筒、弹簧以及让压螺栓。所述锚杆杆体尾端设置梯形柱体并连接于内套筒中，内套筒通过弹簧与外套筒相连接，外套筒上开设多个螺孔并配置对应的让压螺栓。当锚杆发生预应力损失时，弹簧与锚杆杆体之间的受力平衡被破坏，弹簧将带动内套筒一起收缩，在梯形柱体的阻碍作用下，实现对锚杆体的二次张拉；当锚固体发生大变形时，通过弹簧伸长变形及内套筒对让压螺栓的挤压直至切断螺栓实现多级让压。本发明在有效补偿预应力损失的同时，具备多级让压的功能，更有利于锚固体的稳定。

Description

一种补偿预应力损失的多级让压锚杆

技术领域

本发明涉及锚杆支护技术领域，具体是一种补偿预应力损失的多级让压锚杆。

背景技术

随着各项基础设施的建设力度不断加大，穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的深埋大隧道工程不断涌现，岩土体的大变形问题经常发生，为抑制岩土体大变形问题，预应力锚杆作为一种常用的支护手段在岩土工程支护中经常采用。普通预应力锚杆的受力特点是锚杆的变形必须与岩土体的变形相协调，但若岩土体的变形量超过了锚杆允许的最大变值，就会出现因变形值过大而发生预应力锚杆拉断失效的现象。为此，在面对锚杆支护工程中产生的大变形问题时，使用与岩土体变形协调更强的预应力让压锚杆更为适合。

预应力让压锚杆作为一种常见的边坡加固措施，已被广泛运用于工程的加固治理，但现场实际表明，目前所设计的锚杆让压装置基本为单一让压，所能产生的让压变形量较小，仅能适用于围岩变形的局部阶段而不是围岩变形的全过程，无法完全满足围岩大变形的需求；在锚索施工成孔、下锚杆、注浆、预应力张拉过程中，锚杆的变形值及伸长值都会偏大，同时由于土层软弱、土体变形及应力情况复杂，容易出现锚杆预应力损失的情况，致使锚杆达不到理论预期的锚固效果。因此，亟需探索一种多级让压、可补偿预应力损失的新型让压锚杆。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术中让压锚固装置或让压锚杆的让压变形量小、预应力松弛的缺陷，提供一种补偿预应力损失的多级让压锚杆。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种补偿预应力损失的多级让压锚杆，组成构件包括锚杆杆体、预紧螺母、垫圈、托盘、外套筒、内套筒、外端卡、内端卡、梯形柱体、弹簧、让压螺栓、紧固螺母、弹簧缠绕装置以及弹簧侧锚装置，组成构件的具体结构和连接关系为：

所述锚杆杆体依次穿过预紧螺母、垫圈、托盘、外端卡连接到内套筒中，所述锚杆杆体尾端设有梯形柱体，所述梯形柱体置于内套筒中，所述外套筒与外端卡通过螺纹相连接，外套筒上开设有螺孔并配置让压螺栓，所述内端卡与内套筒通过螺纹相连接，所述弹簧缠绕装置一端通过螺纹与内端卡相连接，另一端通过螺纹与外套筒相连接，所述弹簧装配在弹簧缠绕装置上并将内套筒与外套筒相连接，所述弹簧侧锚装置设置在弹簧缠绕装置两侧，当所述锚杆产生预应力损失时，利用弹簧的收缩带动锚杆杆体，使锚杆杆体实现二次张拉，补偿预应力的损失；当锚固体发生大变形时，利用弹簧的伸长以及内套筒对让压螺栓的剪切作用分级消耗锚固体变形产生的变形能，实现多级让压。

所述外端卡中心处设置锚杆穿孔，锚杆穿孔直径大于锚杆杆体直径，外端卡侧面设置外螺纹，与所述外套筒前端设置的内螺纹相吻合。

所述内端卡中心处设置螺栓孔，该螺栓孔直径与所述弹簧缠绕装置相吻合，内端卡侧面设置外螺纹，与所述内套筒尾端设置的内螺纹相吻合。

所述外套筒尾端设置螺栓孔，该螺栓孔与所述弹簧缠绕装置锚固杆螺纹相吻合，所述外套筒前端内径与所述外端卡外径相等。

所述外套筒上共设置有12个螺孔，按照轴向等间距布置，共设三环，每一环上布置四个相同让压螺栓，同一环上的每个让压螺栓之间的角度间隔为90°，让压螺栓的螺杆长度由靠近内端卡的一环向外逐级增长，距内套筒最近的一环螺栓与内套筒之间的预留距离由锚杆设计预应力值的大小及弹簧的弹性系数决定。

所述弹簧侧锚装置布置在弹簧缠绕装置两侧，通过锚固螺栓与弹簧缠绕装置相连接，防止弹簧在伸长过程中脱离弹簧缠绕装置。

所述锚杆尾端的梯形柱体的最大直径大于所述内套筒的最小内径。当锚杆杆体被拉伸时，在梯形柱体的作用下，锚杆杆体会带动内套筒及弹簧一起运动，弹簧被拉伸伸长。

所述弹簧缠绕装置由缠绕段与锚固段组成，缠绕端上设置弹簧缠绕槽，锚固端设置螺纹，通过螺纹分别与外套筒及内端卡相连接，弹簧缠绕装置两侧分别开设一个锚固螺栓孔。

所述内套筒为一中空梯形柱体，前端中心处设置锚杆穿孔，锚杆穿孔直径与锚杆杆体直径相等。

所述弹簧两端分别缠绕在弹簧缠绕装置上，并且焊接固定。

所述二级让压装置靠近内端卡一级的螺栓孔位置要根据施加到锚杆的预应力值及弹簧弹性系数决定，在锚杆张拉时，锚杆杆体会带动内套筒与弹簧一起运动，要确保弹簧与靠近内端卡一级的让压螺栓孔之间预留足够的伸长空间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能够适用于深埋大隧道工程及巷道支护工程，是一种可有效补偿预应力损失、分级让压的锚杆支护形式。当锚杆杆体被拉伸时，在梯形柱体的作用下，锚杆杆体会带动内套筒及弹簧一起运动，弹簧被拉伸伸长；当锚杆杆体发生预应力损失时，弹簧与内套筒之间的受力平衡状态将被破坏，弹簧会产生向外套筒尾端收缩的趋势，带动内套筒一起收缩，而锚杆杆体尾端的梯形柱体会对内套筒及弹簧的运动起到阻碍作用，在这一阻碍作用下，弹簧的收缩力会间接作用在锚杆杆体上，相当于对锚杆进行二次张拉，可以有效的弥补锚杆的预应力损失。

当锚固体发生大变形时，在围岩的推动下，弹簧会在原拉伸伸长的基础上继续产生形变，直至内套筒前端到达第一级让压环，所述内套筒与让压螺栓相互挤压接触，当围岩变形破坏释放的变形能到达让压螺栓的承载能力极限时，让压螺栓将被内套筒切断，内套筒即朝第二环让压螺栓移动，并使第二环让压螺栓挤压受力，内套筒的移动则形成了一级让压滑移，如此依次形成三次受力的二级让压滑移，适应围岩大变形。为了在使用中尽量避免可能出现的所有让压螺栓都被切断的情况，最后一级让压螺栓可采用高强度螺栓。同时根据具体的情况不同，也可采用更多级让压级数或更少级让压级数的设置，即设置更多的让压环或开设更少的螺栓孔。

附图说明

图1是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的结构示意图。

图2是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的内套筒9结构示意图。

图3是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的内端卡10结构示意图。

图4是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的外套筒7结构示意图。

图5是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的外端卡6结构示意图。

图6是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的外套筒7和让压螺栓81的截面图。

图7是本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆的弹簧缠绕装置及弹簧锚固装置结构示意图。

图中标记为：预紧螺母1、托盘2、垫圈31～33、锚杆杆体4、梯形柱体5、外端卡6、外套筒7、让压螺栓81、锚固螺栓82、内套筒9、内端卡10、弹簧11、弹簧缠绕装置12、弹簧侧锚装置13、紧固螺母14、锚杆穿孔141、螺栓孔142～144。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

需要说明的是，锚杆孔指在岩土地层中通过钻孔等手段形成的预定的孔径和深度可满足安装锚杆的孔，所以有锚杆孔口、锚杆孔底。“前”和“后”或者“前”和“尾”均以孔底朝向孔口的方向为参考，“后部”或“尾部”均指的是锚杆体或构件朝向或靠近锚杆孔底的一段；“前部”指的是锚杆体或构件朝向或靠近锚杆孔口的一段。

如图1所示，本发明所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，组成构件包括预紧螺母1、托盘2、锚杆杆体4、垫圈31～33、梯形柱体5、外端卡6、外套筒7、让压螺栓81、锚固螺栓82、内套筒9、内端卡10、弹簧11、弹簧缠绕装置12、弹簧侧锚装置13以及紧固螺母14。组成构件的具体结构和连接关系为：

所述锚杆杆体4依次穿过预紧螺母1、垫圈31、托盘2、外端卡6连接到内套筒9中，所述锚杆杆体4尾端设有梯形柱体5，所述梯形柱体5置于内套筒9中，外端卡6中心设置锚杆穿孔141，内套筒9后端设置内端卡10，所述外套筒7与外端卡6通过螺纹相连接，外套筒7上开设有螺孔143并配置让压螺栓81，所述让压螺栓81的长度逐级增长，形成二级让压装置。所述内端卡10与内套筒9通过螺纹相连接，所述弹簧缠绕装置12一端通过螺纹与内端卡10相连接，另一端通过螺纹与外套筒7相连接，所述弹簧11装配在弹簧缠绕装置12上并将内套筒9与外套筒7相连接，所述弹簧侧锚装置13通过螺栓固定在弹簧缠绕装置12两侧，当所述锚杆产生预应力损失时，利用弹簧11的收缩带动锚杆杆体4，使锚杆杆体4实现二次张拉，补偿预应力的损失；当锚固体发生大变形时，利用弹簧11的伸长以及内套筒9对让压螺栓81的剪切作用分级消耗锚固体变形产生的变形能，实现多级让压。

所述预紧螺母1、托盘2、外套筒7、垫圈31、螺栓连接处及锚杆穿孔处均涂抹有环氧树脂层，防止地下水的腐蚀。

所述内套筒9和梯形柱体5的强度均高于所述让压螺栓81。

如图3所示，所述外套筒7上共设置有12个螺孔，分为三环等间距布置，每一环上布置四个相同让压螺栓81，同一环上的每个让压螺栓81之间的角度间隔为90°，让压螺栓81的螺杆长度由靠近内端卡10的一环向外逐级增长，形成二级让压装置。

所述补偿预应力损失的多级让压锚杆的使用方法，具体步骤如下：

(1)初步组装多级让压锚杆。首先将内套筒9从锚杆杆体4前端穿入至尾端与梯形柱体5相互契合，将弹簧11两端分别缠绕于两弹簧缠绕装置12上，并焊接牢固，然后将弹簧侧锚装置13通过螺栓固定于两弹簧缠绕装置12两侧，为弹簧11的连接牢固提供保障，之后将一端的弹簧缠绕装置12通过螺纹连接于内端卡10上，并安装紧固螺母14，将内端卡10通过螺纹与内套筒9尾端相连接，再将外套筒7套在弹簧11与内套筒9等构件组成的一体装置外部，通过螺纹与另一端弹簧缠绕装置12相连接，并设置紧固螺母14，最后将外端卡6从锚杆杆体4的前端穿入至外套筒7前端，通过螺纹与外套筒7相连接，完成整个补偿预应力损失的多级让压锚杆的初步组装。

(2)按照多级让压锚杆的整体长度在待支护岩体内打锚孔，锚孔直径略大于外套筒7的直径；

(3)在锚孔中放入锚固剂，将多级让压锚杆整体放入锚孔中；

(4)通过锚杆安装机将锚杆杆体旋转压入锚孔，锚固剂受挤压破裂并均匀搅拌，充满锚孔，使让压锚杆装置和岩石孔充分固结形成锚固力。

(5)张拉锚杆达到设计的预应力值。采用张拉工具张拉杆体，达到预定的锁定力时拧紧预紧螺母1，张拉力必须低于使内套筒9上第一环让压螺栓81剪切断裂的压力值，一般为该压力值的0.7倍左右。如某些工程不需要预应力时，可不张拉锚杆，直接拧紧预紧螺母1即可。

(6)必要时锚杆注浆：当锚杆受力产生让压滑移到预定位置后，向锚杆注浆，使锚杆孔内空隙全部填满如水泥为主等无机浆体，使锚杆全粘结锚固，完成锚杆的安装。

工作原理及过程：

所述补偿预应力损失的多级让压锚杆的主要工作原理为：当所述锚杆产生预应力损失时，利用弹簧11的收缩带动锚杆杆体4，使锚杆杆体4实现二次张拉，可有效补偿预应力的损失；当锚固体发生大变形时，利用弹簧11的伸长以及内套筒9对让压螺栓81的剪切作用分级消耗锚固体变形产生的变形能，实现多级让压。

具体工作过程：所述补偿预应力损失的多级让压锚杆在张拉达到设计预应力值的过程中，在梯形柱体5的作用下，所述锚杆杆体4会带动内套筒9及弹簧11一起运动，弹簧11被拉伸伸长，所述弹簧11与锚杆杆体4最终达到相对平衡的状态。在锚杆的使用过程中，一旦由于岩体的蠕变、钢材的松弛、降雨、温度及地下水的变化等因素引起锚杆预应力损失后，所述锚杆杆体4与弹簧11之间的受力平衡状态将被破坏，弹簧11会产生向外套筒7尾端收缩的趋势，该趋势将带动内套筒9一起运动，而由于锚杆杆体4尾端的梯形柱体5的最大直径大于所述内套筒9的最小内径，因此所述内套筒9的运动趋势将受到所述梯形柱体5的阻碍，在这一阻碍作用下，所述弹簧11的收缩力会间接作用在锚杆杆体4上，相当于对锚杆进行二次张拉，可以有效的弥补锚杆的预应力损失。

在所述补偿预应力损失的多级让压锚杆的使用过程中，当锚固体变形较小时，所述锚杆依靠自身性能抵抗围岩变形，提供支护力；当围岩变形逐渐加大时，所述弹簧11将在原拉伸基础上继续伸长，直至所述内套筒9前端到达第一级让压环，当围岩变形破坏释放的变形能到达到让压螺栓81的承载能力极限时，让压螺栓81将被内套筒9切断，内套筒9即朝第二环让压螺栓81移动，并使第二环让压螺栓81挤压受力，内套筒9的移动则形成了一级让压滑移，如此依次形成三次受力的二级让压滑移。围岩变形进一步加大时，让压行程耗尽，所述锚杆依靠自身材料性能抵抗围岩变形，提供支护力，直到锚杆发生脆性破坏。

与现有的预应力让压锚杆相比，本发明通过弹簧11将所述锚杆杆体4与主要提供锚固力的外套筒7间接的联系起来，使所述锚杆能够有效的补偿由各种因素导致的预应力损失，并在此基础上通过弹簧11的受力伸长变形以及增设多环让压螺栓使所述锚杆具备了多级让压的功能，不仅更好地控制了围岩松动圈、塑性区发展的作用，还增长了锚杆的使用寿命，更有利于围岩稳定。所述组成锚杆的各部件之间组装较为简便，具有施工工期短，施工过程简单，施工成本低等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，应当指出，对于本领域的技术人员及普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，例如改变让压级数或单环螺栓数量等，这些改进和变化应视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种补偿预应力损失的多级让压锚杆，组成构件包括锚杆杆体、预紧螺母、垫圈、托盘、外套筒、内套筒、外端卡、内端卡、梯形柱体、弹簧、让压螺栓、紧固螺栓、弹簧缠绕装置以及弹簧侧锚装置，其特征在于，组成构件的具体结构和连接关系为：

所述锚杆杆体依次穿过预紧螺母、垫圈、托盘、外端卡连接到内套筒中，所述锚杆杆体尾端设有梯形柱体，所述梯形柱体置于内套筒中，所述外套筒与外端卡通过螺纹相连接，外套筒上开设有螺孔并配置让压螺栓，所述内端卡与内套筒通过螺纹相连接，所述弹簧缠绕装置一端通过螺纹与内端卡相连接，另一端通过螺纹与外套筒相连接，所述弹簧装配在弹簧缠绕装置上并将内套筒与外套筒相连接，所述弹簧侧锚装置设置在弹簧缠绕装置两侧，当所述锚杆产生预应力损失时，利用弹簧的收缩带动锚杆杆体，使锚杆杆体实现二次张拉，补偿预应力的损失；当锚固体发生大变形时，利用弹簧的伸长以及内套筒对让压螺栓的剪切作用分级消耗锚固体变形产生的变形能，实现多级让压。

2.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述外端卡中心处设置锚杆穿孔，锚杆穿孔直径大于锚杆杆体直径，外端卡侧面设置外螺纹，与所述外套筒前端设置的内螺纹相吻合。

3.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述内端卡中心处设置螺栓孔，该螺栓孔直径与所述弹簧缠绕装置相吻合，内端卡侧面设置外螺纹，与所述内套筒尾端设置的内螺纹相吻合。

4.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述外套筒尾端设置螺栓孔，该螺栓孔与所述弹簧缠绕装置锚固杆螺纹相吻合，所述外套筒前端内径与所述外端卡外径相等。

5.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述外套筒上共设置有12个螺孔，按照轴向等间距布置，共设三环，每一环上布置四个相同让压螺栓，同一环上的每个让压螺栓之间的角度间隔为90°，让压螺栓的螺杆长度由靠近内端卡的一环向外逐级增长，距内套筒最近的一环螺栓与内套筒之间的预留距离由锚杆设计预应力值的大小及弹簧的弹性系数决定。

6.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述弹簧侧锚装置布置在弹簧缠绕装置两侧，通过锚固螺栓与弹簧缠绕装置相连接。

7.根据权利要求1所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述锚杆尾端的梯形柱体的最大直径大于所述内套筒的最小内径。

8.根据权利要求4所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述弹簧缠绕装置由缠绕段与锚固段组成，缠绕端上设置弹簧缠绕槽，锚固端设置螺纹，通过螺纹分别与外套筒及内端卡相连接，弹簧缠绕装置两侧分别开设一个锚固螺栓孔。

9.根据权利要求3所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述内套筒为一中空梯形柱体，前端中心处设置锚杆穿孔，锚杆穿孔直径与锚杆杆体直径相等。

10.根据权利要求8所述的补偿预应力损失的多级让压锚杆，其特征在于：所述弹簧两端分别缠绕在弹簧缠绕装置上，并且焊接固定。

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