CN116971811A - 一种测力锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测力锚杆，所述测力锚杆采用多段式结构设计，其中锚杆的杆体包括多段第一管柱以及多个测力模块。测力模块包括保护外壳、储存有液体的液袋、液管；第一管柱的一端套装保护外壳，保护外壳中设置液袋，第一管柱的另一端连接压力板；其中，一个第一管柱上的压力板限制移动安装在另一个第一管柱上的保护外壳中组成一个测力模块；压力板移动时对液袋产生压迫从而发生压力变化；液管一端连通液袋另一端穿过压力板以及穿入第一管柱内部且由测力段远离锚固段的另一端穿出，且液管穿出的另一端连接有压力计。本发明利用液体的不可压缩性监测锚固力的测力锚杆，有效避免了因为采用电阻应变片而进水受潮导致的短路问题。
Description
技术领域
本发明属于地下工程防护设备技术领域，具体涉及一种测力锚杆。
背景技术
在地下工程中，加固和支撑岩土体是一个常见的问题。传统的土体加固和墙体加固方法在很多情况下存在局限性，比如需要较大的土地面积占用、大量的填筑材料和施工时间等问题。特别是在含软岩地层中进行岩土体挖掘或开采时，软岩的不稳定性可能会导致岩层破坏和坍塌，引起工程事故和工期延误。为了克服这些局限性，锚杆支护技术应运而生。锚杆支护可以通过将支撑结构固定在较深的土层或岩石内部，将荷载传递到更稳定的地层，从而为地下工程施工提供更可靠的支撑和加固效果。因此，不断发展和完善现有锚杆技术，以提高地下工程的安全性、可靠性和施工效率。
一般的测力锚杆采用了广泛应用于工程检测中的电阻应变原理，以电阻应变片作为敏感元件，将电阻应变片与测力锚杆的杆体黏结在一起，当测力锚杆受力变形时，应变片的电阻值也相应变化。因此，通过接收仪表测量应变片的电阻变化，即可得出杆体的应变值，进而换算出杆体的应力值。但是围岩中的水分会慢慢进入测力锚杆，进而引发应变片短路故障，影响正常使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用液体的不可压缩性监测锚固力的测力锚杆，有效避免了因为采用电阻应变片而进水受潮导致的短路问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
锚固段，所述锚固段插入岩土中用以固定所述锚杆；
测力段，所述测力段的一端与所述锚固段连接，用以测量锚固力；
其特征在于：
所述测力段包括若干第一管柱以及若干测力模块，所述测力模块包括保护外壳、储存有液体的液袋、液管以及压力板；所述第一管柱的一端套装有所述保护外壳，所述保护外壳中设置所述液袋，所述第一管柱的另一端连接所述压力板；其中，一个所述第一管柱上的压力板限制移动安装在另一个所述第一管柱上的保护外壳中组成一个测力模块；所述压力板移动时对所述液袋产生压迫从而发生压力变化；所述液管一端与所述液袋连通，另一端穿过所述压力板并穿入所述第一管柱内部且由所述测力段远离所述锚固段的另一端穿出，且所述液管穿出的另一端连接有压力计。
进一步地，所述保护外壳的一端与所述第一管柱的外壁连接，另一端与所述管柱的外壁之间设置有保持一定距离的用以限制所述压力板以及液袋移动的限位环。
优选地，所述保护外壳包括第一保护外壳和第二保护外壳，所述第一保护外壳的一端与所述第一管柱的外壁螺纹拦截，所述第一保护外壳的另一端与所述第二保护外壳的一端连接，所述第二保护外壳的另一端设置有所述限位环。
优选地，所述压力板与所述第一管柱的外壁螺纹连接。
进一步地，所述测力段远离所述锚固段的另一端可拆卸连接有第二管柱。
进一步地，所述第二管柱上套装有固定盘以及用以固定所述固定盘的螺母。
进一步地，所述液管穿出所述测力段的管体上还设置有液阀。
进一步地，所述锚固段包括端口扩大模块，所述端头扩大模块包括与所述第一管柱连接的锚固块，所述锚固块上设置有若干能够伸出以及能够收起的增阻摩擦齿。
进一步地，所述增阻摩擦齿一端与所述锚固块转动连接，中部与所述锚固块弹簧连接。
优选地，所述水袋采用橡胶材料制作，所述液管采用高密度聚乙烯材料制作。
本发明有益效果：
本发明的测力锚杆利用液体的不可压缩性来对锚杆受到的锚固力进行监测；当锚杆受到拉力时，通过压力板在保护外壳中的移动压迫液袋产生压力变化从而测量锚固力；本发明不采用电阻应变片以及外接导线，锚杆中也不存在电路，不会因为进水受潮导致测量不准，相较于现有技术，本发明能够在较为复杂的地质环境中使用。
附图说明
图1为本申请测力锚杆主视结构示意图；
图2为本申请测力锚杆左视图；
图3为本申请测力锚杆中测压模块外部结构示意图；
图4为本申请测力锚杆中第一保护外壳剖面示意图；
图5为本申请测力锚杆中第一保护外壳俯视示意图；
图6为本申请测力锚杆中第二保护外壳剖面示意图；
图7为本申请测力锚杆中第一保护外壳俯视示意图；
图8为本申请测力锚杆中保护外壳装配体剖面示意图；
图9为本申请测力锚杆中测压模块除去第一保护外壳后剖面示意图；
图10为本申请测力锚杆中压力板俯视图；
图11为本申请测力锚杆中端口扩大模块主视结构示意图；
图12为本申请测力锚杆中端口扩大模块局部结构示意图；
图13为正常受力条件下，本申请测力锚杆中的应力与锚杆嵌入岩土体深度的曲线；
图14为出现岩土体大变形条件下，本申请测力锚杆中的应力与锚杆嵌入岩土体深度的曲线；
图中：101第一管柱，102第二管柱；
200测力模块，201第一外保护壳，202第二保护外壳，2021限位环，203液袋，204压力板，2041第二穿孔，205液管，206装配间隙；
300端头扩大模块，301锚固块，302增阻摩擦齿，303转轴，304弹簧；
1压力计，2固定盘，3螺母，4液阀。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”、“下”、“左”、“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
参照图1、3和9，本申请实施例提供一种测力锚杆，包括，
锚固段，所述锚固段插入岩土中用以固定所述锚杆；
测力段，所述测力段的一端与所述锚固段连接，用以测量锚固力；
所述测力段包括若干第一管柱101，所述第一管柱101上安装有测力模块200，所述测力模块200包括保护外壳、液袋203、液管205以及压力板204；所述第一管柱101的一端套装所述保护外壳，所述保护外壳中设置所述液袋203，所述第一管柱101的另一端连接所述压力板204；其中，一个所述第一管柱101上的压力板204限制移动安装在另一个所述第一管柱101上的保护外壳中组成一个测力模块300；所述压力板204移动时对所述液袋203产生压迫从而发生压力变化；所述液管205一端与所述液袋203连通，另一端穿过所述压力板204并穿入所述第一管柱101内部且由所述测力段远离所述锚固段的另一端穿出，且所述液管205穿出的另一端连接有压力计1。
在一些实施例中，所述第一管柱101上对应所述液袋203开有第一穿孔，所述压力板204上如图10所示开有第二穿孔204。所述液管205一端与所述液袋203连通，另一端依次穿过所第二穿孔2041和第一穿孔并穿入所述第一管柱101内部且由所述测力段远离所述锚固段的另一端穿出。
本发明锚杆装置利用的原理是，液体一般情况下被视为一种近似不可压缩的流体，尤其是日常生活中最常见的水(翟云芳.渗流力学[M].石油工业出版社,2009.)，本发明中优选水作为所述液袋203中储存的液体。尽管在极端情况下，水的体积会略微改变，但在锚杆受到力的范围内，我们可以近似地将水看作是不可压缩的流体。换句话说，当水受到压力时，其体积变化可以忽略不计，不会对对本发明监测结果产生影响。需要说明，本领域技术人员能够选择其他符合要求的液体作为储存液体。
在一些实施例中，根据锚杆长度的设计要求，可以把多个第一管柱101和测力模块200相互组合使得锚杆增长，以实现在锚杆长度范围内对锚杆应力的监测。其次，在锚杆插入岩土体那侧的端头，需要把第一管柱101与所述锚固段相连，以增大锚杆的锚固力，使得锚杆不被拔出。
在一些实施例中，所述保护外壳的一端与所述第一管柱101的外壁连接，另一端与所述管柱的外壁之间设置有保持一定距离的用以限制所述压力板204以及液袋203移动的限位环2021。其中，所述限位环2021的内壁与所述第一管柱101的外壁之间的距离应该尽可能的小，以不限制所述压力板204移动，以及不会造成所述液袋203脱离所述保护外壳为准。
在一些实施例中，参照图3所述保护外壳包括第一保护外壳201和第二保护外壳202；其中所述第一保护外壳201位如图4和5所示呈上口小下口大的结构，其中上部小口处设置有内螺纹用以与所述第一管柱10通过螺纹连接，其中所述第一管柱10的外壁上对应设置有外螺纹；其下部大口处也设置有内螺纹。所述第二保护外壳202如图6和7所示，其呈两端开口式设计，其上部开口外壁上设置有对应所述第一保护外壳201下部大口处内螺纹的外螺纹，其下部开口内设置有用以限制所述压力板204和液袋203的限位环2021。再参照图8，所述第一保护外壳201和第二保护外壳202通过螺纹组配在一起，其中所述第一保护外壳201和第二保护外壳202之间留有一定的装配间隙206用以放置所述液管205。
在一些实施例中，所述压力板204与所述第一管柱101的外壁螺纹连接。需要说明，本领域技术人员能够选定现有技术手段来实现所述第一管柱101与所述压力板204的连接，例如焊接、卡接等。本发明中所述测力模块200与所述第一管柱101之间采用可拆卸式结构进行组配，能够根据实际监测需要来增减第一管柱101和测力模块200的个数，从而控制所述测力锚杆的长度，进而控制测量范围。
在一些实施例中，所述测力段远离所述锚固段的另一端可拆卸连接有第二管柱102，所述液管205穿过所述第一管柱101后最终从第二管柱102穿出。需要说明，所述测力段是通过测力段端部的第一节第一管柱101与所述第二管柱102实现可拆卸连接的，所述可拆卸连接优选为螺纹连接，采用可拆卸式连接结构，能够更换不同长度的第二管柱102，从而能够在满足监测需要的情况下进一步实现测力锚杆长度的控制。
在一些实施例中，所述第二管柱102上套装有固定盘2以及用以固定所述固定盘2的螺母3。其中，当所述测力锚杆的锚固段以及测力段插入岩土体中后，通过在所述第二管柱102上安装所述固定盘2以及螺母3能够与所述锚固段配合将测力锚杆牢固地安装在岩土体中。
在一些实施例中，所述液管205穿出所述测力段的管体上还设置有如图1所示的液阀4。所述液阀4能够控制液袋203中的水在监测锚杆中应力时不会排出。当在锚杆中出现了较大拉应力超过杆体的极限承载力时，可以主动打开液阀4，排出液袋203中的水，使得锚杆中的位移增大，避免锚杆被拉断。
在一些实施例中，参照图所述锚固段包括端口扩大模块，所述端头扩大模块300包括与所述第一管101柱连接的锚固块301，所述锚固块301上设置有若干能够伸展以及收起的增阻摩擦齿302。作为优选地，所述锚固块301截面呈圆环形结构。作为优选地，所述锚固块301截面呈圆环形结构。如图11所示，在所述端口扩大模块的侧壁上均匀设置有所述增阻摩擦齿302，其中，图11中所述增阻摩擦齿302为收起状态，当所述增阻摩擦齿302伸展开时能够卡入岩土体中，从而达到锚固作用。需要说明，所述锚固块301是与测力段另一端端部的最后一节第一管柱101可拆卸连接的，所述可拆卸连接优选为螺纹连接，采用可拆卸式连接结构方便进行组装更换部件。
在一些实施例中，所述增阻摩擦齿302一端与所述锚固块301转动连接，中部与所述锚固块301通过弹簧304连接。在测力锚杆使用前会对岩土体进行预钻锚孔，预钻锚孔完毕后会将所述测力锚杆插入锚孔中，为了保证在测力锚杆顺利插入锚孔，因此所述锚固块301如图11所示其表面设置有开槽，所述卡槽中通过转轴303连接有所述增阻摩擦齿302，并通过弹簧304连接。当插入测力锚杆时，图12所示的锚固块301的下部为插入段，插入时所述增阻摩擦齿302受到锚孔侧壁的限制而收入开槽中，完全插入到位后在弹簧304的作用下所述增阻摩擦齿302翻转并伸出所述开槽，此时在将固定板与螺母3与所述测力锚杆连接时能够向锚孔外拉动所述测力锚杆，从而使所述增阻摩擦齿302进一步翻转并插入岩土体中，形成锚固作用。
在一些实施例中，所述测力模块200中的液袋203承受较大压力，应选择高强度、耐压性好的材料作为液袋203的制造材料，例如耐压橡胶或其他聚合物材料。同时为了保证所述液管205的耐用性，所述液管205采用高密度聚乙烯材料制作。
在一些实施例中，本发明还包括所述测力锚杆的使用方法：
①组装好测力模块200，其中每个测力模块200中都放置了一个液袋203，且每个液袋203内都注满水，并外接好液管205和液阀4密封。设锚杆杆体中有i个测力模块200，因此可以用压力计1测得每个测力模块200中液袋203的水压力为pi 0；
②连接好锚杆，放入被加固岩土体中。本发明优选采用中空钢管柱作为锚杆杆体，可以采用注浆导管插入管柱的内部，从锚杆底部端头开始注浆直至注浆完成；
③待注浆基本凝固后，锚杆发挥出锚固力。此时再使用压力计1测量每个测力模块200中液袋203的水压力为pi 1，然后，就可以获得每个测力模块200处锚杆杆体受到的拉应力为|pi 1-pi 0|；
④由于液袋203中装满了水，水是不可压缩的，液袋203几乎不会产生压缩变形；此外，由牛顿第三定律可知，液袋203中承受的压力大小与锚杆杆体受到的拉力大小相等，进而，可以根据测得的水压力反算出锚杆杆体中的应力；具体为，当知道液袋203在锚杆杆长方向上的受力面积A1和第一管柱101的受力面积A2，可以知道锚杆杆体中的应力为另外，由于测力模块200遍布整个锚杆，可以根据测得的水压力得出锚固力在沿锚杆杆长方向上的分布情况，绘制锚杆杆体应力与锚杆嵌入岩土体深度关系曲线，如图13所示；
⑤如果锚杆杆体中的拉应力与锚杆嵌入岩土体深度的曲线在锚杆使用过程中曲线的规律基本一致，则说明锚杆受力良好；反之，如果曲线的规律发生变化，则说明岩土体发生了大变形，就可以根据曲线变化的位置，确定岩土体大变形发生的位置，并合理的加固措施加固岩土体。
⑥再如图14所示，当某一时刻锚杆杆体周围的岩土体发生大变形时，会造成锚杆杆体应力与锚杆嵌入岩土体深度关系曲线的突然变化，导致锚杆杆体中的锚固力增大；根据曲线变化的位置，就可以确定岩土体大变形发生的位置，进而在相应位置施作相应的加固措施。
当岩土体的大变形使得锚杆杆体中的锚固力达到锚杆杆体的设计承载力时，可以通过打开液阀4主动排除液袋203中的水，使得锚杆杆体产生位移，进而降低锚杆中的锚固力，避免锚杆杆体被拉断，使得锚杆可以继续发挥锚固作用。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种测力锚杆，包括，
锚固段，所述锚固段插入岩土中用以固定所述锚杆；
测力段，所述测力段的一端与所述锚固段连接，用以测量锚固力；
其特征在于：
所述测力段包括若干第一管柱以及若干测力模块，所述测力模块包括保护外壳、储存有液体的液袋、液管以及压力板；所述第一管柱的一端套装有所述保护外壳，所述保护外壳中设置所述液袋，所述第一管柱的另一端连接所述压力板；其中，一个所述第一管柱上的压力板限制移动安装在另一个所述第一管柱上的保护外壳中组成一个测力模块；所述压力板移动时对所述液袋产生压迫从而发生压力变化；所述液管一端与所述液袋连通，另一端穿过所述压力板并穿入所述第一管柱内部且由所述测力段远离所述锚固段的另一端穿出，且所述液管穿出的另一端连接有压力计。
2.根据权利要求1所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述保护外壳的一端与所述第一管柱的外壁连接，另一端与所述管柱的外壁之间设置有保持一定距离的用以限制所述压力板以及液袋移动的限位环。
3.根据权利要求2所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述保护外壳包括第一保护外壳和第二保护外壳，所述第一保护外壳的一端与所述第一管柱的外壁螺纹拦截，所述第一保护外壳的另一端与所述第二保护外壳的一端连接，所述第二保护外壳的另一端设置有所述限位环。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述压力板与所述第一管柱的外壁螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述测力段远离所述锚固段的另一端可拆卸连接有第二管柱。
6.根据权利要求5所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述第二管柱上套装有固定盘以及用以固定所述固定盘的螺母。
7.根据权力要1所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述液管穿出所述测力段的管体上还设置有液阀。
8.根据权利要求1所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述锚固段包括端口扩大模块，所述端头扩大模块包括与所述第一管柱连接的锚固块，所述锚固块上设置有若干能够伸出以及能够收起的增阻摩擦齿。
9.根据权利要求8所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述增阻摩擦齿一端与所述锚固块转动连接，中部与所述锚固块弹簧连接。
10.根据权利要求1所述的一种测力锚杆，其特征在于：所述水袋采用橡胶材料制作，所述液管采用高密度聚乙烯材料制作。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2023
- 2023-07-27 CN CN202310934923.3A patent/CN116971811A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114753706A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-07-15 | 浙江天弘机器人科技有限公司 | 一种自测式桩锚 |
| CN114753706B (zh) * | 2022-03-29 | 2024-05-17 | 浙江天弘机器人科技有限公司 | 一种自测式桩锚 |
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