CN2830644Y - 可控预应力超高强锚杆 - Google Patents

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刘泉声
张华�
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Abstract

一种可控预应力超高强锚杆，适用于高地应力作用下的岩石隧道、巷道和硐室支护，尤其是埋深超过800米的深部地下工程支护。该实用新型由超高强锚杆杆体(1)、螺母(2)、预应力控制与应力松弛补偿系统(3)、减摩垫圈(4)、应力扩散托板(5)和高强树脂锚固剂(6)贯穿在超高强锚杆杆体(1)上组成。主要用来解决锚杆初锚力与锚固力的量化问题，以及锚杆后期工作中的应力松弛的补偿作用。可即时判断预应力大小，既可以按照设计值对预应力的大小进行调整，又可用于检验锚杆的施工质量；弹簧护筒对弹簧起到保护作用，避免喷层混凝土侵入造成弹簧失效。该锚杆结构简单，价格低廉。

Description

可控预应力超高强锚杆
                        技术领域
本实用新型涉及高地应力作用下的岩石隧道、巷道和硐室支护，尤其是埋深超过800米的深部地下工程支护领域，也可用于其它岩土工程(如岩质边坡)的支护。
                        技术背景
近年来，由于浅部资源的逐渐枯竭，矿山开采逐渐向深部延伸，国内许多矿井的开采深度已经超过了800米，有的甚至超过1000米。一般认为，当采深达到800米时即可称为深部开采。
随着开采深度的增加，地应力增大、地质条件恶化，导致深部巷道围岩支护的难度加大。巷道开挖后，由于应力重分布导致洞周应力集中，巷道自由面一侧应力减为零，围岩由开挖前的三向应力状态转化为二向应力状态，开挖扰动区内的围岩受到的压剪应力超过其长期强度，如不及时有效地支护，围岩很快由表及里发生破裂失稳。
因此，要维护巷道的稳定，首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态，将巷道开挖后因二次应力调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。改善和恢复应力状态的措施越及时越有利于围岩稳定；巷道自由面上的压应力恢复得越高，越有利于围岩稳定。这就要求巷道开挖后必须立即支护，而且初期支护力(预应力)必须达到足够的量值。而预应力越高，锚杆受到的最大应力必将越高。对深度在800～1000米左右的岩石巷道，即使在自重应力的作用下，其竖向原岩应力也高达20～30MPa，在煤系地层中一般都赋存了很高的构造应力，以致于水平应力和垂直应力均远高于岩体自重引起的原岩应力，而且水平地应力通常是垂直地应力的1.25～2.5倍。理论分析和工程实践表明，对煤矿深部岩石巷道而言，要想取得充分有效的支护效果，必须研制一种初锚力在80kN以上、最大锚固力在200kN以上的高强预应力锚杆。然而现在常用的锚杆常因预应力偏低和不均衡，对支护结构或加固体产生不利的影响。由于岩石材料本身具有的应力松弛特性和围岩整体位移逐步向深处发展两方面的原因，锚杆的锚固力在达到峰值以后将随时间推移逐步降低。在锚杆上设计一个应力松弛补偿装置可在一定程度上缓解这一问题。这就是发明本实用新型专利的初衷。
                        发明内容
本实用新型发明的目的就是为了解决高初锚力和锚杆受力不均的问题而开发出的一种可控预应力超高强锚杆，可控预应力超高强锚杆是由螺母2、预应力控制与应力松弛补偿系统3、减摩垫圈4、应力扩散托板5和高强树脂锚固剂6贯穿在超高强锚杆杆体1上组成。预应力控制与应力松弛补偿系统3是由预应力标示杆7、应力松弛自补偿弹簧8和弹簧护筒9组成。弹簧护筒9是一个底部中心带孔的桶形构件，上部有倒扣，预应力标示杆7为标有刻度的金属实体，应力松弛自补偿弹簧8为高强弹簧。预应力标示杆7将应力松弛自补偿弹簧8扣入弹簧护筒9内。该实用新型既可以按照设计值对预应力的大小进行调整，又可用于检验锚杆的施工质量；应力松弛自补偿弹簧8对锚杆后期工作中的应力松弛能起到一定的补偿作用；弹簧护筒对弹簧起到保护作用，避免喷层混凝土侵入造成弹簧失效。本实用新型成本低廉，易于推广应用。
                        附图说明
图1：可控预应力超高强锚杆安装图
图2：预应力控制与应力松弛补偿系统图
图3：预应力控制与应力松弛补偿系统剖面图2的俯视图
                        具体实施方式
下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。如图1所示，整套可控预应力超高强锚杆由超高强锚杆杆体1、螺母2、预应力控制与应力松弛补偿系统3、减摩垫圈4、应力扩散托板5和高强树脂锚固剂6组成。现场安装施工时，将预应力控制与应力松弛补偿系统3、减摩垫圈4安装在螺母2与托板5之间，托板5紧贴岩面；预应力控制与应力松弛补偿系统3如图2所示，包括预应力标示杆7、应力松弛自补偿弹簧8和弹簧护筒9。图3为图2的俯视图。
将高强树脂锚固剂6放入钻好的锚杆孔内，利用超高强锚杆杆体1进行搅拌，使高强树脂锚固剂固化，此时超高强锚杆杆体1和岩壁粘结在一起，拧紧螺母2，在托板5的支撑作用下，螺母2通过预应力标示杆7压紧应力松弛自补偿弹簧8，这样使锚杆杆体1和应力松弛自补偿弹簧8分别承受拉力和压力。标示杆7压紧应力松弛自补偿弹簧8能够在弹簧护筒9内滑动，其位移量等于应力松弛自补偿弹簧8的压缩变形量，并与其所受的压力值呈正比关系，根据此正比关系在预应力标示杆7上预先刻上刻度，其数值反映锚杆杆体1受力的大小，这样就能通过标示杆7上的刻度直观反映锚杆预应力的大小。安装锚杆时通过大扭矩机具拧紧螺母2对锚杆施加预应力，通过标示杆7上的刻度控制锚杆预应力的大小。由于围岩本身具有应力松弛特性，而且，围岩的整体位移随时间逐步向外扩展，当锚杆应力达到峰值后将会随时间逐渐松弛，因而发生锚杆支护失效。使用应力松弛自补偿弹簧8后，利用杆体材料的刚度系数远大于弹簧刚度系数这一特性可以实现应力补偿。在应力松弛自补偿弹簧8外加一个护筒9是为了保护弹簧，避免喷层混凝土侵入造成弹簧失效。减摩垫圈4的作用是为了减少锚杆安装时螺母2与标示杆7及弹簧8与托板5之间的摩檫力，减少安装机具的扭矩损失。托板做成球面形状是为了消散应力，避免应力集中导致托板翘曲变形，影响锚固力发挥。

Claims (1)

1、一种可控预应力超高强锚杆，其特征是可控预应力超高强锚杆由螺母(2)、预应力控制与应力松弛补偿系统(3)、减摩垫圈(4)、应力扩散托板(5)和高强树脂锚固剂(6)贯穿在超高强锚杆杆体(1)上组成；预应力控制与应力松弛补偿系统(3)是由预应力标示杆(7)、应力松弛自补偿弹簧(8)和弹簧护筒(9)组成；弹簧护筒(9)是一个底部中心带孔的桶形构件，上部有倒扣，预应力标示杆(7)为标有刻度的金属实体，应力松弛自补偿弹簧(8)为高强弹簧；预应力标示杆(7)将应力松弛自补偿弹簧(8)扣入弹簧护筒(9)内。
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