CN113481984A - 大吨位玄武岩纤维锚索及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大吨位玄武岩纤维锚索及其制作方法，包括承载板及若干个锚索组件，承载板上开设有若干个锚孔，每一个锚索组件一一对应的安装在锚孔上，锚索组件包括钢绞线、中间连接器、纤维筋及尾部套筒，中间连接器的一端与钢绞线相连，中间连接器的另一端与纤维筋相连，纤维筋远离中间连接器的一端穿过锚孔后固定在尾部套筒上。本发明采用中间连接器将玄武岩纤维筋与钢绞线进行对接，钢绞线作为张拉端，锚索底部采用尾部套筒灌注粘钢胶粘接包裹玄武岩纤维筋，并将尾部套筒卡坐于承载板锚孔上，在钢绞线段进行锚索张拉时，外界施加的荷载通过尾部钢套筒传递至承载板，进而提高锚固效果。

Description

大吨位玄武岩纤维锚索及其制作方法

技术领域

本发明涉及岩土工程加固技术领域，具体涉及大吨位玄武岩纤维锚索及其制作方法。

背景技术

目前工程防护中常用的锚索由钢质材料制备，锚索的承载力通常在几吨至几十吨之间，例如煤矿巷道支护中锚索的承载力通常在5吨~8吨之间，边坡支护中锚索的承载力通常在几十吨左右。相比于几吨至几十吨承载力的锚索，上百吨承载力（承载力100吨以上）的锚索称得上大吨位锚索，这种大吨位锚索在我国重大工程建设中普遍应用，例如小浪底大坝坝体边坡预应力锚索承载力达200~300吨，大吨位锚索是解决我国重大工程岩体稳定性的可靠手段和有效途径。此外，在海洋、河流、湖泊等有水环境条件下，工程岩体采用钢质锚索加固时，普遍存在着锚索易锈蚀，工作寿命短，支护工程失效等缺点。

玄武岩纤维作为一种新材料，相比于传统钢质材料，具有抗腐蚀性强、重量轻、造价低、强度高等优点，然而玄武岩纤维的抗剪强度较弱，直接采用传统钢质锚索工艺进行张拉，往往导致玄武岩纤维筋强度尚未充分发挥便发生剪切破坏。为此如何采用玄武岩纤维代替传统钢质材料锚索杆体，研发出一套大吨位玄武岩纤维锚索显然具有明显的创新价值和应用前景。

发明内容

为了解决现有问题，本发明提供大吨位玄武岩纤维锚索及其制作方法，本发明采用中间连接器将玄武岩纤维筋与钢绞线进行对接，钢绞线作为张拉端，锚索底部采用尾部套筒灌注粘钢胶粘接包裹玄武岩纤维筋，并将尾部套筒卡坐于承载板锚孔上，在钢绞线段进行锚索张拉时，外界施加的荷载通过尾部钢套筒传递至承载板，进而提高锚固效果。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：大吨位玄武岩纤维锚索，包括承载板及若干个锚索组件，承载板上开设有若干个锚孔，每一个锚索组件一一对应的安装在锚孔上，锚索组件包括钢绞线、中间连接器、纤维筋及尾部套筒，中间连接器的一端与钢绞线相连，中间连接器的另一端与纤维筋相连，纤维筋远离中间连接器的一端穿过锚孔后固定在尾部套筒上。

进一步的，中间连接器为管形套筒，钢绞线、纤维筋靠近中间连接器的一端均穿设在中间连接器内，且设置在中间连接器内的钢绞线与纤维筋相连。

进一步的，设置在中间连接器内的钢绞线的长度和设置在中间连接器内的纤维筋的长度相同。

进一步的，钢绞线、纤维筋、中间连接器与尾部套筒的中心轴线重合。

进一步的，中间连接器内灌注有粘钢胶。

进一步的，每一个锚孔远离中间连接器的一端均对应的开设有安装槽，尾部套筒安装在安装槽内。

进一步的，安装槽为环形槽，安装槽开设在锚孔的外周，安装槽的内壁与锚孔相连通，安装槽的圆心与锚孔的圆心重合，且安装槽的直径大于对应的锚孔的直径。

进一步的，尾部套筒内灌注有粘钢胶。

进一步的，中间连接器和尾部套筒的内壁上均分布有螺纹，螺纹的深度为0.4~0.6mm，螺纹间的间距1~2mm。

一项所述的大吨位玄武岩纤维锚索的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、对钢绞线、中间连接器进行除锈清洗并烘干，对需伸入中间连接器内的钢绞线的表面进行刻痕处理；

步骤二、将刻痕处理后的钢绞线从中间连接器的一端伸入，将纤维筋从中间连接器的另一端伸入，然后向中间连接器中灌注粘钢胶，将纤维筋和钢绞线对接于中间连接器中，形成纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构；

步骤三、先将步骤二得到的纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构中的纤维筋穿过承载板中锚孔，并伸入尾部套筒，并确保纤维筋在尾部套筒中居中布置，然后向尾部套筒中灌注粘钢胶，将纤维筋粘接于尾部套筒中，尾部套筒安装在锚孔的安装槽上，形成尾部套筒—纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构。

本发明具有以下有益效果：

（1）该发明将玄武岩纤维这一新材料应用于岩土工程中锚索的研制，拓宽了玄武岩纤维这一新材料的应用领域；

（2）该发明研发制的大吨位玄武岩纤维锚索承载力达200吨以上，可用于重大工程建设中岩体的加固与防护；

（3）该发明中锚索杆体材料以玄武岩纤维筋为主，锚索杆体抗腐蚀性较强，应用于海洋、湖泊、河流等工程背景下的岩体加固与防护工程时，可大幅提高加固效果。

附图说明

图1是本发明的锚索组件与承载板的结构示意图；

图2是本发明刻痕处理后的钢绞线的结构示意图；

图3是本发明承载板上锚孔的结构示意图；

图4是本发明尾部套管安装在锚孔上的结构示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是本发明实施例1中中间连接器的结构示意图；

图7是实施例1中的纤维筋锚索承载力测试的装置结构示意图；

图8是实施例1中纤维筋锚索承载力测试结果的示意图；

图示标记，1、中间连接器，101、螺纹，2、纤维筋，3、钢绞线，4、承载板，5、尾部套筒，6、锚孔，601、安装槽，7、粘钢胶。

具体实施方式

下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

大吨位玄武岩纤维锚索，包括承载板4及若干个锚索组件，承载板4上开设有若干个锚孔6，每一个锚索组件一一对应的安装在锚孔6上，锚索组件包括钢绞线3、中间连接器1、纤维筋2及尾部套筒5，中间连接器1的一端与钢绞线3相连，中间连接器1的另一端与纤维筋2相连，纤维筋2远离中间连接器1的一端穿过锚孔6后固定在尾部套筒5上。

中间连接器1为管形套筒，钢绞线3、纤维筋2靠近中间连接器1的一端均穿设在中间连接器1内，且设置在中间连接器1内的钢绞线3与纤维筋2相连。设置在中间连接器1内的钢绞线3的长度和设置在中间连接器1内的纤维筋2的长度相同。钢绞线3、纤维筋2的中心轴线与中间连接器1的中心轴线重合；中间连接器1内灌注有粘钢胶。

每一个锚孔6远离中间连接器1的一端均对应的开设有安装槽601，尾部套筒5安装在安装槽601内。安装槽601为环形槽，安装槽601开设在锚孔6的外周，安装槽601的内壁与锚孔6相连通，安装槽601的圆心与锚孔6的圆心重合，且安装槽601的直径大于对应的锚孔6的直径。

尾部套筒5内灌注有粘钢胶7。纤维筋2的中心轴线与尾部套筒5的中心轴线重合。

中间连接器内壁上均匀的分布有螺纹101，螺纹101的深度为0.4~0.6mm，螺纹间的间距1~2mm。

大吨位玄武岩纤维锚索的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、对钢绞线3、中间连接器1进行除锈清洗并烘干，对需伸入中间连接器1内的钢绞线3的表面进行刻痕处理，刻痕处理的区域为图2中的区域A；

步骤二、将钢绞线3刻痕处理后的区域A部分从中间连接器1的一端伸入，将纤维筋2从中间连接器1的另一端伸入，然后向中间连接器1中灌注粘钢胶，将纤维筋2和钢绞线3对接于中间连接器1中，形成纤维筋2—中间连接器1—钢绞线3复合结构；

步骤三、先将步骤二得到的纤维筋2—中间连接器1—钢绞线3复合结构中的纤维筋2穿过承载板4中锚孔6，并伸入尾部套筒5，并确保纤维筋2在尾部套筒5中居中布置，然后向尾部套筒5中灌注粘钢胶7，将纤维筋2粘接于尾部套筒5中，尾部套筒5安装在锚孔6的安装槽601上，形成尾部套筒5—纤维筋2—中间连接器1—钢绞线3复合结构。

实施例1

大吨位玄武岩纤维锚索，包括承载板4及若干个锚索组件，承载板4上开设有若干个锚孔6，承载板4的制备，承载板4为钢质圆形板，钢材型号采用45钢，圆形板直径为149mm，承载板厚度为5cm，在其上钻7个锚孔6，7个锚孔6在承载板4中均匀分布，锚孔6之间中心孔距相等，均为15 mm。锚孔6的结构见图3，锚孔6为直孔，孔顶部为台阶卡座即安装槽601，其中安装槽的内径A-A为39mm，锚孔的内径B-B所示为32 mm，安装槽的高度C-C所示为3mm。

每一个锚索组件一一对应的安装在锚孔6上，锚索组件包括钢绞线3、中间连接器1、纤维筋2及尾部套筒5，中间连接器1的一端与钢绞线3相连，中间连接器1的另一端与纤维筋2相连，纤维筋2远离中间连接器1的一端穿过锚孔6后固定在尾部套筒5上。钢绞线3规格为1×7-21.6mm的标准钢绞线；

中间连接器1和尾部套筒5均为钢套筒，钢材型号采用40Cr钢，钢套筒内径为32mm、外径为38mm、壁厚3mm，钢套筒内部带有螺纹丝，螺纹丝深度0.4~0.6mm，螺纹丝间距1~2mm如图6。其中，中间连接器1长度为80cm，尾部套筒5长度为40cm。

尾部套筒5为钢套筒，钢材型号为40cr钢，钢套筒长度为40cm，钢套筒内径为32mm、外径为38mm、壁厚3mm，尾部套筒5的内部也均匀的设置有螺纹，螺纹丝深度为0.4~0.6mm，螺纹丝间距1~2mm；

中间连接器1和尾部套筒5的结构相同，区别仅在于长度不同：中间连接器1长80cm，尾部套筒5长40 cm。尾部套筒5和中间连接器1的外径均大于承载板4中锚孔6的内径，否则将造成尾部套筒5无法卡座于承载板4锚孔6的安装槽上。

中间连接器1为管形套筒，钢绞线3、纤维筋2靠近中间连接器1的一端均穿设在中间连接器1内，且设置在中间连接器1内的钢绞线3与纤维筋2相连。设置在中间连接器1内的钢绞线3的长度和设置在中间连接器1内的纤维筋2的长度相同。钢绞线3、纤维筋2的中心轴线与中间连接器1的中心轴线重合；中间连接器1内灌注有粘钢胶。

每一个锚孔6远离中间连接器1的一端均对应的开设有安装槽601，尾部套筒5安装在安装槽601内。安装槽601为环形槽，安装槽601开设在锚孔6的外周，安装槽601的内壁与锚孔6相连通，安装槽601的圆心与锚孔6的圆心重合，且安装槽601的直径大于对应的锚孔6的直径。

尾部套筒5内灌注有粘钢胶7。纤维筋2的中心轴线与尾部套筒5的中心轴线重合。

大吨位玄武岩纤维锚索的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、采用强力除锈剂清洗中间连接器1、尾部套筒5、钢绞线3，除去中间连接器1、尾部套筒5、钢绞线3中存在的铁锈并烘干，铁锈处理完毕后，放置中间连接器1、尾部套筒5、钢绞线3至干燥状态；因为倘若钢绞线3和中间连接器1这两个部件中存在油污，即便是极少量的一层油污薄膜，将对粘钢胶的粘接效果有重大影响，直接造成粘结力大幅下降。为此，在进行向中间连接器1中灌注粘钢胶对接玄武岩纤维筋2和钢绞线3时，务必保证钢绞线3表面和中间连接器1内壁的油污已经过强力除锈剂溶剂去除，并保持干燥；

对需伸入中间连接器1内的钢绞线3的表面进行刻痕处理；刻痕段长度40cm，刻痕的深度0.5mm，刻痕间距2~5mm之间，钢绞线3为直径为21.6mm的标准钢绞线；此处刻痕的主要目的在于：增加钢绞线与粘钢胶之间的粘结力，否则钢绞线在中间连接器1由于粘接力不足，拉力作用下很容易拔出；但倘若刻痕深度过大，会对钢绞线的强度造成影响，在较高拉力下易造成钢绞线的断裂；

步骤二、将3根直径为12.6mm的玄武岩纤维筋2伸入中间连接器1中40cm，将直径为21.6mm的钢绞线3带有刻痕处理的一端从中间连接器1另一端伸入40cm，伸入中间连接器1的玄武岩纤维筋2和钢绞线3要沿着中间连接器1轴心居中分布，不要出现明显偏心现象，倘若，将玄武岩纤维筋2和钢绞线3在中间连接器1中不居中，明显偏离中间连接器1中心轴时，锚索张拉施加荷载时，由于偏心作用，容易造成中间连接器1中粘钢胶7胶体的破坏；

接着，向中间连接器1中灌入粘钢胶，并在常温下养护7周，制备出纤维筋—中间连接器—钢绞线复合锚索杆体；采用该复合结构作为大吨位玄武岩纤维锚索的杆体构件；

其中，玄武岩纤维筋2的长度和钢绞线3的长度，可以根据实际工程需要确定。例如：对于深部岩体加固与防护，当钻孔深度为10m时，可取玄武岩纤维筋2的长度9m，钢绞线3的长度1m，其参数的确定要根据钻孔深度和岩体质量进行确定，在此不做过多论述，本发明旨在提供一种大吨位玄武岩纤维锚索制备时的关键结构和步骤方法；

步骤三、首先将纤维筋—中间连接器—钢绞线复合锚索杆体中的玄武岩纤维筋2穿过承载板4的锚孔6，伸入尾部套筒5中40cm，并沿尾部套筒5的轴心居中分布，不要产生明显偏心现象；接着向尾部套筒5中同样灌入粘钢胶7，并在常温下养护7周；该结构中尾部套筒5可卡座于承载板4锚孔6的安装槽中。

由于本发明中承载板4中设计了7个锚孔6，经过步骤一~步骤三可制备出大吨位玄武岩纤维锚索中的1束索体结构见图1；重复步骤步骤一~步骤三，可制备出包含7束索体结构的大吨位玄武岩纤维锚索见图5。特别说明，本发明中设计了承载板4中包含7个锚孔6，即7孔锚索，实际制备中可根据实际工程需要，改变锚孔6的个数、孔径，承载板4的外径等参数。

对本发明贮备出的大吨位玄武岩纤维锚索的承载力进行测试：将制备的大吨位玄武岩纤维锚索，安装于张拉台架，工作锚、工具锚、穿心千斤顶、位移采集系统张拉台架位移传感器、张拉端位移传感器、力传感系统、数据采集系统综合应力应变采集仪、电脑按照图7顺序进行组装，然后进行大吨位玄武岩纤维锚索承载力测试。其中，穿心千斤顶最大出力300吨；张拉台架位移传感器和张拉端位移传感器均为拉线式位移传感器，精度为0.0001mm；力传感系统采用环式压力传感器，精度为0.01 N；综合应力应变采集仪的采样频率为5Hz/S。特别说明：本发明重点在于突出大吨位玄武岩纤维锚索的结构、制备工艺和方法，只是简单介绍了大吨位玄武岩纤维锚索承载力测试系统，并给出大吨位玄武岩纤维锚索承载力测试结果。

大吨位玄武岩纤维锚索承载力测试中，张拉端位移传感器测得的位移量大小为

，张拉台架位移传感器测得的位移量大小为

，由于实际测试过程中，张拉台架受压，张拉端受拉，所以大吨位玄武岩纤维锚索的位移量为：

；大吨位玄武岩纤维锚索的承载力直接通过力传感系统和综合应力应变采集仪采集，保存于电脑。

大吨位玄武岩纤维锚索的承载力测试结果：图8给出了大吨位玄武岩纤维锚索承载力的测试结果，可以看出本发明研发的大吨位玄武岩纤维锚索承载力可达202.4吨，此时锚索伸长量为44.1 mm。

本发明大吨位玄武岩纤维锚索的制作及锚索承载力测试方法，包括锚索的制备和锚索的张拉两个部分，其中锚索制备部分主要包括大吨位玄武岩纤维锚索的制备工艺和技术，涉及到锚索承载板、尾部套筒、中间连接器、玄武岩纤维筋、钢绞线、粘钢胶、工作锚具等部件，锚索张拉部分主要为大吨位玄武岩纤维锚索承载力的测试方法，该测试方法包括张拉台架、工作锚、工具锚、穿心千斤顶、位移采集系统、力传感系统等部件。

本发明研发的大吨位玄武岩纤维锚索主要包括三个结构：1中间连接器将玄武岩纤维筋和钢绞线有效连接，形成玄武岩纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构，采用该复合结构作为大吨位玄武岩纤维锚索的杆体构件；2对玄武岩纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构中玄武岩纤维筋另一端进行改造，具体为向玄武岩纤维筋尾部套筒灌注粘钢胶的方法使尾部套管粘接包裹一段玄武岩纤维筋，形成尾部套筒—玄武岩纤维筋复合结构；3尾部套筒—玄武岩纤维筋复合结构中尾部套筒卡坐于承载板的锚孔上，玄武岩纤维筋穿过承载板的锚孔。在研制了上述大吨位玄武岩纤维锚索后，采用张拉台架和穿心千斤顶进行锚索的张拉实验，同时采用位移采集系统和力传感系统测试大吨位玄武岩纤维锚索的变形能力和承载力。

本发明研发的大吨位玄武岩纤维锚索，采用中间连接器将玄武岩纤维筋与钢绞线进行对接，让钢绞线作为张拉端，采用传统钢质锚索锚具张拉设备对钢绞线进行张拉，有效避免了传统钢质锚索直接作用于玄武岩纤维筋时易造成筋材剪切破坏这一缺点；此外，锚索底部采用尾部套筒灌注粘钢胶粘接包裹玄武岩纤维筋，并将尾部套筒卡坐于承载板锚孔。在钢绞线段进行锚索张拉时，外界施加的荷载通过尾部钢套筒传递至承载板，进而作用于锚固体，在锚固机理上属于压力型锚索，可大幅度提高锚固效果。

除上述实施例外，本发明装置还可以有其他型式，应当指出，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：包括承载板及若干个锚索组件，承载板上开设有若干个锚孔，每一个锚索组件一一对应的安装在锚孔上，锚索组件包括钢绞线、中间连接器、纤维筋及尾部套筒，中间连接器的一端与钢绞线相连，中间连接器的另一端与纤维筋相连，纤维筋远离中间连接器的一端穿过锚孔后固定在尾部套筒上。

2.根据权利要求1所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：中间连接器为管形套筒，钢绞线、纤维筋靠近中间连接器的一端均穿设在中间连接器内，且设置在中间连接器内的钢绞线与纤维筋相连。

3.根据权利要求2所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：设置在中间连接器内的钢绞线的长度和设置在中间连接器内的纤维筋的长度相同。

4.根据权利要求2所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：钢绞线、纤维筋、中间连接器、尾部套筒的中心轴线重合。

5.根据权利要求1所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：中间连接器内灌注有粘钢胶。

6.根据权利要求1所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：每一个锚孔远离中间连接器的一端均对应的开设有安装槽，尾部套筒安装在安装槽内。

7.根据权利要求6所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：安装槽为环形槽，安装槽开设在锚孔的外周，安装槽的内壁与锚孔相连通，安装槽的圆心与锚孔的圆心重合，且安装槽的直径大于对应的锚孔的直径。

8.根据权利要求1所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：尾部套筒内灌注有粘钢胶。

9.根据权利要求1所述的大吨位玄武岩纤维锚索，其特征在于：中间连接器和尾部套筒的内壁上均分布有螺纹，螺纹的深度为0.4~0.6mm，螺纹间的间距1~2mm。

10.根据权利要求1~9任意一项所述的大吨位玄武岩纤维锚索的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、对钢绞线、中间连接器进行除锈清洗并烘干，对需伸入中间连接器内的钢绞线的表面进行刻痕处理；

步骤二、将刻痕处理后的钢绞线从中间连接器的一端伸入，将纤维筋从中间连接器的另一端伸入，然后向中间连接器中灌注粘钢胶，将纤维筋和钢绞线对接于中间连接器中，形成纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构；

步骤三、先将步骤二得到的纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构中的纤维筋穿过承载板中锚孔，并伸入尾部套筒，并确保纤维筋在尾部套筒中居中布置，然后向尾部套筒中灌注粘钢胶，将纤维筋粘接于尾部套筒中，尾部套筒安装在锚孔的安装槽上，形成尾部套筒—纤维筋—中间连接器—钢绞线复合结构。

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