CN115369869A - 一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，通过设置多级受力弹性体能够有效加固膨胀土岩土体且能够对膨胀土环境实时监测调节，其解决的技术方案是，包括螺杆，螺杆螺纹配合有螺母，螺母与岩土体部分之间设有垫板，垫板中心开设有与螺杆配合的通孔，垫板配合有与螺杆同轴布置的套筒，螺杆固定连接有第一级受力弹性体，第一级受力弹性体另一端固定连接有锚固段，套筒外壁环绕设置有多个环状喷水管和多个风管，套筒下方的锚孔内设置有排水管，第一级受力弹性体为中空结构且同轴固定连接有第一挡环，锚固段上设有多级受力弹性结构，本发明提供了一种对膨胀土岩土体的有效加固装置且能实时监测并调节膨胀土边坡环境。

Description

一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆

技术领域

本发明涉及锚杆装置，特别是一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆。

背景技术

膨胀土亦称“胀缩性土”，浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积显著收缩的黏性土，由于土中含有较多的蒙脱石、伊利石等黏土矿物，故亲水性很强，膨胀土是种高塑性黏土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以低层平房严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等，现有的针对膨胀土岩土层防护加固装置主要使用锚杆进行加固，锚杆是岩土体加固的杆件体系结构，通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点，但是现有的锚杆一般为刚性结构虽然能够满足在膨胀土浸水体积剧烈膨胀时对膨胀土岩土层的加固作用，但是由于膨胀土在失水后体积显著收缩，现有的锚杆装置由于是刚性结构发生的是非弹性形变会在膨胀土收缩时对其产生阻力阻止膨胀土恢复原来的状态，而且现有的锚杆装置受力产生的形变较小而且不能根据膨胀土的位移量逐级增加锚杆杆体的纵向拉力从而在膨胀土位移量增加时增大锚杆杆体的纵向拉力，不能满足在膨胀土浸水时位移量较大时的加固需求，而且现有的锚杆装置不能实时监控锚杆锚固区域膨胀土的环境特性，由于膨胀土的特性浸水或失水过多都会影响膨胀土边坡的稳定性，现有的锚杆装置不能及时调整膨胀土的湿度以及温度特性即不能控制膨胀土的浸水或失水量，不能有效保证膨胀土边坡的稳定性。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，通过设置多级受力弹性体使得装置不仅能在膨胀土岩土体浸水膨胀时通过多级受力弹性体的纵向拉力加固膨胀土岩土体防止其发生较大位移还能在膨胀土失水收缩后多级受力弹性体恢复初始状态且不阻碍膨胀土岩土体恢复初始状态，通过设置多级受力弹性体上的多个挡环使得在膨胀土岩土体发生较大位移时逐级提高锚杆杆体的纵向拉力从而限制膨胀土岩土体的位移，通过设置套筒外壁上的温度传感器和湿度传感器以及环状喷水管、风管和排水管能实时监测并调整锚杆锚固区域膨胀土的环境特性，防止膨胀土浸水或失水过多有效保证了膨胀土边坡的稳定性。

其解决的技术方案是，包括螺杆，所述螺杆向外伸出岩土体部分螺纹配合有螺母，螺母与岩土体部分之间设有垫板，垫板中心开设有与螺杆配合的通孔，垫板配合有与螺杆同轴布置的套筒，螺杆向内伸入岩土体部分固定连接有第一级受力弹性体，第一级受力弹性体另一端固定连接有位于岩土体内部深处的锚固段，锚固段与套筒固定连接，套筒外壁环绕设置有多个位于岩土体锚孔内的环状喷水管，套筒外壁与岩土体锚孔之间沿圆周均匀布置有多个风管，套筒下方的岩土体锚孔内设置有与套筒排布方向一致的排水管，第一级受力弹性体为中空结构且第一级受力弹性体上同轴固定连接有第一挡环，锚固段上设有多级受力弹性结构用以逐级提高锚杆的锚固能力防止岩土体发生大范围位移。

作为优选，所述多级受力弹性结构包括固定连接在锚固段上端面且与第一级受力弹性体同轴布置的第二级受力弹性体，第二级受力弹性体为中空结构且第二级受力弹性体上同轴固定连接有第二挡环。

作为优选，所述多级受力弹性结构还包括固定连接在锚固段上端面且与第二级受力弹性体同轴布置的第三级受力弹性体，第三级受力弹性体为中空结构且第三级受力弹性体上同轴固定连接有第三挡环。

作为优选，所述第一挡环外径小于第二级受力弹性体内径使得第一挡环可在第二级受力弹性体内部相对竖向运动，第二挡环中心开设有通孔且通孔半径小于第一挡环外径使得第一挡环接触第二挡环时带动第二挡环一同运动。

作为优选，所述第二挡环外径小于第三级受力弹性体内径使得第二挡环可在第三级受力弹性体内部相对竖向运动，第三挡环中心开设有通孔且通孔半径小于第二挡环外径使得第二挡环接触第三挡环时带动第三挡环一同运动。

作为优选，所述第一级受力弹性体、第二级受力弹性体和第三级受力弹性体为弹簧结构，第二级受力弹性体弹簧半径大于第一级受力弹性体弹簧半径，第三级受力弹性体弹簧半径大于第二级受力弹性体弹簧半径。

作为优选，所述各个环状喷水管均连通设置有多个雾化喷嘴，各个环状喷水管输入端穿过垫板连通设置有位于岩土体边坡上的水箱。

作为优选，所述各个风管上均开设有多个风孔，各个风管输入端穿过垫板连通设置有位于岩土体边坡上的风机。

作为优选，所述排水管上开设有多个进水孔，排水管位于岩土体内部深处的一端封闭而另一端与外界连通。

作为优选，所述套筒外壁设有位于岩土体锚孔内的温度传感器和湿度传感器。

本发明有益效果是：

1.通过设置多级受力弹性体使得装置不仅能在膨胀土岩土体浸水膨胀时通过多级受力弹性体的纵向拉力加固膨胀土岩土体防止其发生较大位移还能在膨胀土失水收缩后多级受力弹性体恢复初始状态且不阻碍膨胀土岩土体恢复初始状态；

2.通过设置多级受力弹性体上的多个挡环使得在膨胀土岩土体发生较大位移时逐级提高锚杆杆体的纵向拉力从而限制膨胀土岩土体的位移；

3.通过设置套筒外壁上的温度传感器和湿度传感器以及环状喷水管、风管和排水管能实时监测并调整锚杆锚固区域膨胀土的环境特性，防止膨胀土浸水或失水过多有效保证了膨胀土边坡的稳定性。

附图说明

图1为本发明整体示意图。

图2为本发明内部多级受力弹性体装置示意图。

图3为本发明螺杆和第一级受力弹性体装置示意图。

图4为本发明第二级受力弹性体和第二挡环装置示意图。

图5为本发明第三级受力弹性体和第三挡环装置示意图。

图6为本发明在膨胀土岩土体内的装配示意图。

图7为本发明内部结构示意图。

附图标记

1.螺杆，2.螺母，3.垫板，4.第一级受力弹性体，5.锚固段，6.第一挡环，7.第二级受力弹性体，8.第二挡环，9.第三级受力弹性体，10.第三挡环，11.套筒，12.环状喷水管，13.雾化喷嘴，14.水箱，15.风管，16.风孔，17.风机，18.排水管，19.进水孔，20.温度传感器，21.湿度传感器。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

本发明在使用时，首先将锚杆的螺杆1固定连接有锚固段5的一端插入膨胀土岩土体内部，螺杆1向外伸出岩土体部分螺纹配合有螺母2，螺母2与岩土体部分之间设有垫板3，垫板3中心开设有与螺杆1配合的通孔，垫板3配合有与螺杆1同轴布置的套筒11，螺杆1向内伸入岩土体部分固定连接有第一级受力弹性体4，第一级受力弹性体4另一端固定连接有位于岩土体内部深处的锚固段5，锚固段5与套筒11固定连接，第一级受力弹性体4为中空结构且第一级受力弹性体4上同轴固定连接有第一挡环6，锚固段5上设有多级受力弹性结构用以逐级提高锚杆的锚固能力防止岩土体发生大范围位移，多级受力弹性结构包括固定连接在锚固段5上端面且与第一级受力弹性体4同轴布置的第二级受力弹性体7，第二级受力弹性体7为中空结构且第二级受力弹性体7上同轴固定连接有第二挡环8，多级受力弹性结构还包括固定连接在锚固段5上端面且与第二级受力弹性体7同轴布置的第三级受力弹性体9，第三级受力弹性体9为中空结构且第三级受力弹性体9上同轴固定连接有第三挡环10，第一级受力弹性体4、第二级受力弹性体7和第三级受力弹性体9为弹簧结构，第二级受力弹性体7弹簧半径大于第一级受力弹性体4弹簧半径，第三级受力弹性体9弹簧半径大于第二级受力弹性体7弹簧半径，然后对螺杆1的锚固段5进行混凝土浇筑将锚固段5锚固在膨胀土岩土体内部深处，在锚固完成后转动拧紧螺母2使得垫板3与膨胀土岩土体产生一定压力，此时螺杆1杆体在与螺母2的螺纹配合下产生纵向拉力并作用于螺母2，将螺母2以及垫板3与膨胀土岩土体之间压紧。

在膨胀土岩土体发生位移且位移量较小时，膨胀土岩土体发生位移带动与其压紧接触的垫板3和垫板3内穿过的螺杆1进行一定的位移并使得螺杆1向膨胀土岩土体外拉伸一定距离，螺杆1向外拉伸一定距离带动第一级受力弹性体4在弹性范围内产生弹性形变并拉伸一定距离，此时螺杆1杆体的纵向拉力在之前的基础上增加了第一级受力弹性体4弹性形变产生的弹力，所以能增加垫板3与膨胀土岩土体之间的压力，防止膨胀土岩土体进一步的发生位移。

在膨胀土岩土体发生的位移较大时，螺杆1向外拉伸较大的距离并带动第一级受力弹性体4在弹性范围内产生弹性形变并拉伸较大距离，此时第一级受力弹性体4上固定连接的第一挡环6由于第一级受力弹性体4产生较大弹性形变开始接触到第二级受力弹性体7上固定连接的第二挡环8，由于第一挡环6外径小于第二级受力弹性体7内径使得第一挡环6可在第二级受力弹性体7内部相对竖向运动，第二挡环8中心开设有通孔且通孔半径小于第一挡环6外径使得第一挡环6接触第二挡环8时带动第二挡环8一同运动，所以在第一挡环6接触到第二挡环8并带动第二挡环8一同运动后，在第二挡环8运动带动下第二级受力弹性体7在弹性范围内产生弹性形变并拉伸一定距离，第二级受力弹性体7弹性形变产生的弹力通过相接触的第一挡环6和第二挡环8作用在第一级受力弹性体4上，所以此时螺杆1杆体的纵向拉力在之前的基础上增加了第一级受力弹性体4弹性形变产生的弹力和第二级受力弹性体7弹性形变产生的弹力，如果第二级受力弹性体7的弹性形变较大时第二级受力弹性体7上的第二挡环8会开始接触第三级受力弹性体9上固定连接的第三挡环10，同上面叙述的相同，由于第二挡环8外径小于第三级受力弹性体9内径使得第二挡环8可在第三级受力弹性体9内部相对竖向运动，第三挡环10中心开设有通孔且通孔半径小于第二挡环8外径使得第二挡环8接触第三挡环10时带动第三挡环10一同运动，所以在第二挡环8接触第三挡环10并带动第三挡环10一同运动后，在第三挡环10运动带动下第三级受力弹性体9在弹性范围内产生弹性形变并拉伸一定距离，第三级受力弹性体9弹性形变产生的弹力通过相接触的第二挡环8和第三挡环10作用在第二级受力弹性体7上，所以此时螺杆1杆体的纵向拉力在之前的基础上增加了第一级受力弹性体4弹性形变产生的弹力和第二级受力弹性体7弹性形变产生的弹力以及第三级受力弹性体9弹性形变产生的弹力，受力弹性体还可以套设多个以到达逐级提升锚杆杆体纵向拉力的目的本实施例只写出三级受力弹性体以举例说明，在多级受力弹性体全部产生弹性形变之后螺杆1杆体的纵向拉力达到最大值，使得垫板3与膨胀土岩土体之间的压力也达到最大值，能够有效防止膨胀土岩土体进一步的发生位移。

当膨胀土失水收缩时，由于各级受力弹性体均发生的是弹性形变，各级受力弹性体会收缩恢复初始状态，并不会阻碍膨胀土收缩恢复初始状态。

由于膨胀土在浸水或失水过多时都会发生体积剧烈膨胀或显著收缩，所以实时监测膨胀土的环境状况就显得尤为重要，通过在套筒11外壁设有的位于岩土体锚孔内的温度传感器20和湿度传感器21可以实时监测锚杆锚固区域膨胀土的环境状况，温度传感器20和湿度传感器21与固定在膨胀土边坡上的控制器电性连接，当湿度传感器21发送给控制器的信号表明膨胀土的湿度较大时控制器控制相应的多个风管15进行抽水汽以及烘干操作，当湿度传感器21或温度传感器20发送给控制器的信号表明膨胀土的湿度较低或者膨胀土温度较高容易发生干裂时控制器控制相应的多个雾化喷嘴13对膨胀土进行喷水雾加湿操作，从而及时调整膨胀土环境状况保证膨胀土边坡的稳定性。

装置的套筒11下方设置有排水管18，排水管18上开设有多个进水孔19，排水管18位于岩土体内部深处的一端封闭而另一端与外界连通，排水管18为倾斜向下布置，排水管18上方的进水孔19均盖有土工布以防止土或岩石等堵塞进水孔19影响排水效果，在锚杆为斜向上方锚固时，排水管18就设置在锚杆的套筒11下方对锚杆锚固区域的膨胀土中的水分进行收集，当膨胀土中含水量过多从土体渗出时会汇聚在锚孔下方并通过排水管18上开设的多个进水孔19流入排水管18内部，并最终在重力作用下沿着排水管18流出岩土体内部，这样可以持续将膨胀土内过多的水分排出防止膨胀土浸水过多体积过度膨胀影响膨胀土边坡的稳定性，当锚杆为垂直于边坡坡面设置时锚杆为斜向下方锚固，此时可以再打一个斜向上方的锚孔并安装一个斜向上方锚固的锚杆且这个锚孔和斜向下锚固的锚杆锚孔相连通，这样两个锚杆呈剪刀形布置且二者锚孔相连通，此时在位于下方的斜向上方布置的锚孔底部设置排水管18即可，两个锚孔内汇聚的水在重力作用下均进入排水管18内部并排出岩土体内部。

当湿度传感器21发送给控制器的信号表明膨胀土的湿度较大超过设定值时控制器控制岩土体边坡上的风机17开始工作，风机17首先进行吸气工作，风机17进行吸气并通过岩土体锚孔内沿圆周均匀布置的多个风管15上的多个风孔16对膨胀土内部的水汽进行抽吸，降低膨胀土环境中的水含量，然后风机17进行吹气工作通过多个风管15上的多个风孔16吹出干燥加热的风对膨胀土内部进行烘干，有效防止了膨胀土环境中的水含量过高的情况。

当湿度传感器21或温度传感器20发送给控制器的信号表明膨胀土的湿度较低或者膨胀土温度较高容易发生干裂时控制器控制岩土体边坡上的水箱14内的水泵开始工作，水泵将水箱14内的水抽出并通过各个环状喷水管12的多个雾化喷嘴13形成水雾喷出，从而对膨胀土进行喷水雾加湿操作，有效防止了膨胀土环境中的水含量过低的情况，通过以上过程能及时调整膨胀土环境中水分含量有效保证膨胀土边坡的稳定性。

Claims (10)

1.一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，包括螺杆（1），所述螺杆（1）向外伸出岩土体部分螺纹配合有螺母（2），螺母（2）与岩土体部分之间设有垫板（3），垫板（3）中心开设有与螺杆（1）配合的通孔，垫板（3）配合有与螺杆（1）同轴布置的套筒（11），螺杆（1）向内伸入岩土体部分固定连接有第一级受力弹性体（4），第一级受力弹性体（4）另一端固定连接有位于岩土体内部深处的锚固段（5），锚固段（5）与套筒（11）固定连接，套筒（11）外壁环绕设置有多个位于岩土体锚孔内的环状喷水管（12），套筒（11）外壁与岩土体锚孔之间沿圆周均匀布置有多个风管（15），套筒（11）下方的岩土体锚孔内设置有与套筒（11）排布方向一致的排水管（18），第一级受力弹性体（4）为中空结构且第一级受力弹性体（4）上同轴固定连接有第一挡环（6），锚固段（5）上设有多级受力弹性结构用以逐级提高锚杆的锚固能力防止岩土体发生大范围位移。

2.根据权利要求1所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述多级受力弹性结构包括固定连接在锚固段（5）上端面且与第一级受力弹性体（4）同轴布置的第二级受力弹性体（7），第二级受力弹性体（7）为中空结构且第二级受力弹性体（7）上同轴固定连接有第二挡环（8）。

3.根据权利要求2所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述多级受力弹性结构还包括固定连接在锚固段（5）上端面且与第二级受力弹性体（7）同轴布置的第三级受力弹性体（9），第三级受力弹性体（9）为中空结构且第三级受力弹性体（9）上同轴固定连接有第三挡环（10）。

4.根据权利要求2所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述第一挡环（6）外径小于第二级受力弹性体（7）内径使得第一挡环（6）可在第二级受力弹性体（7）内部相对竖向运动，第二挡环（8）中心开设有通孔且通孔半径小于第一挡环（6）外径使得第一挡环（6）接触第二挡环（8）时带动第二挡环（8）一同运动。

5.根据权利要求3所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述第二挡环（8）外径小于第三级受力弹性体（9）内径使得第二挡环（8）可在第三级受力弹性体（9）内部相对竖向运动，第三挡环（10）中心开设有通孔且通孔半径小于第二挡环（8）外径使得第二挡环（8）接触第三挡环（10）时带动第三挡环（10）一同运动。

6.根据权利要求3所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述第一级受力弹性体（4）、第二级受力弹性体（7）和第三级受力弹性体（9）为弹簧结构，第二级受力弹性体（7）弹簧半径大于第一级受力弹性体（4）弹簧半径，第三级受力弹性体（9）弹簧半径大于第二级受力弹性体（7）弹簧半径。

7.根据权利要求1所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述各个环状喷水管（12）均连通设置有多个雾化喷嘴（13），各个环状喷水管（12）输入端穿过垫板（3）连通设置有位于岩土体边坡上的水箱（14）。

8.根据权利要求1所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述各个风管（15）上均开设有多个风孔（16），各个风管（15）输入端穿过垫板（3）连通设置有位于岩土体边坡上的风机（17）。

9.根据权利要求1所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述排水管（18）上开设有多个进水孔（19），排水管（18）位于岩土体内部深处的一端封闭而另一端与外界连通。

10.根据权利要求1所述的一种可监测并调节膨胀土边坡环境的自适应锚杆，其特征在于，所述套筒（11）外壁设有位于岩土体锚孔内的温度传感器（20）和湿度传感器（21）。

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