CN103603684A - 一种大变形预应力锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变形预应力锚杆，包括开缝带帽筒体、锥形楔体、垫片、锁紧螺母、锚杆杆体，锚杆杆体依次穿过开缝带帽筒体、锥形楔体、垫片、锁紧螺母，开缝带帽筒体嵌入钻孔孔口，开缝带帽筒体与锥形楔体通过摩擦接触相匹配，锥形楔体前端插入开缝带帽筒体，垫片和锁紧螺母从外侧锁紧固定。锚杆杆体为带螺纹实心钢筋或空心钢管，锚杆杆体一端为麻花型或直线型，锚杆杆体中部为正弦波形曲线型，锚杆杆体另一端带有外螺纹。结构简单，操作方便，变形能力强，具有防松脱功能，工作力学性能好，成本低，易于加工，安装方便，特别适合于煤矿、隧道等地下工程。

Description

一种大变形预应力锚杆

技术领域

本发明涉及岩土工程锚固技术领域，更具体涉及一种大变形预应力锚杆，适用于煤矿、公路隧道和边坡工程，以及其它涉及软弱岩体锚固支护的岩土工程，可在围岩产生较大变形的情况下保持一定的锚固力，有利于锚固支护体系的持久安全和有效。

背景技术

煤矿、隧道等深埋地下工程的生产和建设过程中经常会遇到软弱围岩的支护问题，由于软岩在高地应力作用下变形大，且持续时间长，因此对支护措施提出了更高的要求。目前，在工程中经常采用锚杆支护方式加固围岩，但现有的锚杆通常适应围岩变形能力较弱，或者提供锚固力较小，当软弱岩体变形量大时，极易引起锚固胶结面脱粘失效、锚固岩体体屈服等，使得锚杆锚固能力大大降低并失效，进而引发围岩应力快速调整，围岩能量释放速率快，造成支护结构损坏，易发生突发事故。而且现有锚杆在使用中经常会由于爆破振动荷载和往复荷载的作用而导致松脱，降低了锚杆的锚固能力。因此，有必要发明一种变形能力强、力学性能好的大变形预应力锚杆，以适应软弱、破碎围岩锚固支护的需要。

根据对期刊文献和专利检索，关于大变形预应力锚杆有以下结果：

赖应得（几种可伸长锚杆[J]，煤矿开采，1998,3:49-50）对可伸长锚杆进行统计分析，共有蛇形可伸长锚杆、套管摩擦式可伸长锚杆、孔口弹簧压缩式可舒伸长锚杆、杆体伸长和孔口压缩式可伸长锚杆、塑料压缩筒可伸长锚杆和杆体拉长式可伸长锚杆等。李轴（一种适用于大变形支护的新型可伸长锚杆[J]，中南公路工程，2007,32(2):103-105,127）提出了一种套筒摩擦式大变形锚杆，均有较强的变形能力。候朝烔（可伸长锚杆原理及应用，东北煤炭技术，1995,5:21-25,32）提出了一种H型杆体和尾部改进型可伸长锚杆。吴德兴（专利号：200610051809.2，专利名称：一种预应力锚杆装置）提出了一种预应力锚杆装置，一次注浆即可实现锚固段及自由段注浆施工，但结构较为复杂。覃卫民（专利号：03128107.9专利名称：一种砂固结内锚头预应力锚杆及其锚固方法）提出了一种砂固结内锚头预应力锚杆的制作方法，提高了砂固结锚杆的成功率和锚固能力。

除了以上研究与成果，末检索到关于大变形预应力锚杆的研究与产品还有很多，但由于结构复杂、锚固效果差和不便于施工等原因，这些锚杆均末在工程中得到推广应用。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种大变形预应力锚杆装置，结构简单，操作方便，变形能力强，具有防松脱功能，工作力学性能好，成本低，易于加工，安装方便，特别适合于煤矿、隧道等地下工程。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可适应于软弱围岩的大变形预应力锚杆，包括开缝带帽筒体、锥形楔体、垫片、锁紧螺母、锚杆杆体。其特征在于：锚杆杆体依次穿过开缝带帽筒体、锥形楔体、垫片、锁紧螺母，开缝带帽筒体嵌入钻孔孔口，开缝带帽筒体与锥形楔体通过摩擦接触相匹配，锥形楔体前端插入开缝带帽筒体，最后由锁紧螺母锁紧固定。锚杆杆体为带螺纹实心钢筋或空心钢管，锚杆杆体一端为麻花型或直线型，作为锚固段；锚杆杆体中部为正弦波形曲线型，在锚杆杆体受力后可以拉直，增加锚杆杆体变形能力；锚杆杆体另一端带有外螺纹，通过旋紧螺母施加预紧力。开缝带帽筒体由6～8mm厚薄钢板制成，筒体底部留有锚杆杆体穿过的孔洞。弧形段圆心角为100°～120°之间，其作用是在锚杆承受轴力以后起到缓冲作用，防止锚杆杆体在受到往复荷载和振动荷载作用时松脱；开缝带帽筒体的翼板主要起到承压作用，通过调整其半径大小可以适应不同的承压需要；开缝带帽筒体的翼沿部分设计成上翘形状，可以在开缝带帽筒体受力后，沿围岩劈面滑动。开缝带帽筒体加工有一纵缝，使锥形楔体在一定压力作用下可滑入筒体。开缝带帽筒体一方面与锥形楔体组合，通过锥形楔体在筒体中的摩擦滑动提供锚杆的较大变形，另一方面还起到承压板的作用。锥形楔体由圆钢通过车床加工而成，其内留有锚杆杆体穿过的空洞，锥形楔体一端直径略小于开缝带帽筒体的筒体直径，另一端直径要大于筒体，通过调整锥形楔体的直径，可以得到不同的锚杆工作阻力。

因为大变形预应力锚杆伸长量由锚杆曲线部分拉直部分、筒体长度部分和杆体本身延性伸长部分组成，因此大变形预应力锚杆变形量远大于传统预应力锚杆。通过调整锚杆曲线段的波形数和筒体的长度，几乎可以适应各种软弱围岩锚固需要。

本发明的锚固方法，其步骤是：

A、采用钻机钻出锚杆安装孔，并将孔内岩屑与粉尘冲洗干净，若孔口围岩有坍塌，应采用水泥砂浆补成圆形，若孔口围岩壁面不平整，应采用水泥浆找平。钻孔准备好后，将锚固剂（速凝水泥药卷或树脂药卷）推至孔底；

B、钻孔准备好后，旋转插入锚杆杆体，插入孔底后，锚杆杆体应旋转1-3分钟，以保证锚固剂与锚杆杆体粘结均匀，在此过程中，应保证杆体位于钻孔中间位置；

C、将开缝带帽筒体穿入锚杆上，并将筒体推入钻孔内，并保证筒体外壁与围岩接触良好，不存在大的孔洞；

D、依次在锚杆杆体上穿入锥形楔体、垫片和锁紧螺母，锥形楔体前端应与开缝带帽筒体对中并进入筒体少许（5～10mm），然后旋转锁紧螺母形成一定的预紧力，待锚固剂达到设计强度后（时间由所使用速凝锚固剂性能决定），旋转锁紧螺母使锚杆达到设计的预紧力，该过程中通过数显式扭矩扳手控制锁紧螺母的松紧。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）变形能力强。大变形预应力锚杆具有较大的伸长变形能力，锚杆变形包括筒体长度部分、杆体曲线段拉长部分和锚杆本身的延性伸长部分，通过调整筒体长度和杆体曲线段长度，可适应各种软弱、破碎围岩。

（2）具有防松脱功能。大变形预应力锚杆开缝带帽筒体的弧形段和翼板设计可在锚杆受力后起到缓冲作用，以防止锚杆在振动荷载和往复荷载作用时松脱，

（3）工作力学性能好。锚杆安装后，随围岩形，锚杆锚固力逐渐增加，当达到曲线段拉直所需荷载时，锚杆曲线段开始伸长，锚固力继续增加，当曲线段被拉直后，随锚固力增加，锥形楔体开始进入锚杆筒体，锚杆锚固力保持恒定，直到锥形楔体到达筒体底部，随锚固力继续增加，则杆体被拉长进入延性并破坏，在这一过程中，锚杆经历了锚固力增加－增加－恒定－增加的不同阶段，特别适合于软弱围岩的支护需求。

（4）大变形预应力锚杆采用普通螺纹钢筋和钢板等材料制成，成本较低，易于加工，安装方便，特别适合于煤矿、隧道等地下工程。

图1为本发明某型号大变形预应力锚杆与传统预应力锚杆拉拔实验曲线对比，从图中可知，本发明预应力锚杆伸长量可达到30cm以上，远远超过传统预应力锚杆的伸长量。

附图说明

图1为某型号大变形预应力锚杆与传统预应力锚杆拉拔实验曲线对比示意图。

图2为一种大变形预应力锚杆结构示意图。

图3为一种锚杆杆体示意图。

图4为一种开开缝带帽筒体结构示意图，其中图3A为侧视图，图3B为俯视图。

图5为一种锚杆安装施工图。

其中：1为开缝带帽筒体、2为锥形楔体、3为垫片、4为锁紧螺母、5为锚杆杆体、1A为筒体、1B为弧形段、1C为翼板、1D为翼沿、5A为锚杆杆体外锚段、5B为锚杆杆体自由段、5C为锚杆杆体锚固段，锚固剂6、钻孔7。

具体实施方式

实施例1：

以下结合图2～图5，对本发明作进一步的说明：

由图2可知，一种大变形预应力锚杆，包含开缝带帽筒体1、锥形楔体2、垫片3、锁紧螺母4、锚杆杆体5。锚杆杆体5依次穿过开缝带帽筒体1、锥形楔体2、垫片3、锁紧螺母4，开缝带帽筒体1嵌入钻孔孔口，开缝带帽筒体1与锥形楔体2通过摩擦接触相匹配，锥形楔体2前端插入开缝带帽筒体1，最后由垫片3和锁紧螺母4从外侧锁紧固定。

由图3可知，锚杆杆体5包含锚固段5A、自由段5B和外锚段5C。锚固段5A与自由段5B连接，自由段5B和外锚段5C连接，实际为一根杆体加工而成。自由段为锚杆位于钻孔内未胶结部分。

由图4和图5可知，开缝带帽筒体1包含筒体1A、弧形段1B、翼板1C和翼沿1D。筒体1A与弧形段1B光滑连接，弧形段1B与翼板1C光滑连接，翼板1C和翼沿1D光滑连接。开缝带帽筒体1带有一纵缝，使锥形楔体在一定压力作用下可滑入筒体。当钻孔7钻出后，将孔内岩屑与粉尘冲洗干净，并将孔口围岩壁面补平、孔口塌孔部分被成圆形，将锚固剂6（速凝水泥药卷或树脂药卷）推至孔底，在钻机带动下旋转插入锚杆杆体5，插入孔底后，旋转锚杆杆体5应1-3分钟，同时使保证锚杆杆体5应位于钻孔7中间，随后将开缝带帽筒体1穿入锚杆杆体5上，并将筒体1A推入钻孔6内，并保证筒体1A外壁与围岩接触良好，接着依次在锚杆杆体5上穿入锥形楔体2、垫片3和锁紧螺母4，将锥形楔体前端与开缝带帽筒体1对中并推入筒体1A，旋转锁紧螺母4形成一定的预紧力，待锚固剂6达到设计强度后，使用数显式扭矩扳手旋紧锁紧螺母4使锚杆达到设计的预紧力。

Claims (4)

1.一种大变形预应力锚杆，包括开缝带帽筒体（1）、锥形楔体（2）、垫片（3）、锁紧螺母（4）、锚杆杆体（5），其特征在于：锚杆杆体（5）依次穿过开缝带帽筒体（1）、锥形楔体（2）、垫片（3）、锁紧螺母（4），开缝带帽筒体（1）嵌入钻孔孔口，开缝带帽筒体（1）与锥形楔体（2）通过摩擦接触相匹配，锥形楔体（2）前端插入开缝带帽筒体（1），垫片（3）和锁紧螺母（4）从外侧锁紧固定。

2.根据权利1所述的一种大变形预应力锚杆，其特征在于：所述的锚杆杆体（5）为带螺纹实心钢筋或空心钢管，锚杆杆体（5）一端为麻花型或直线型，锚杆杆体（5）中部为正弦波形曲线型，锚杆杆体（5）另一端带有外螺纹。

3.根据权利1所述的一种大变形预应力锚杆，其特征在于：所述的锚杆杆体（5）包含锚固段（5A）、自由段（5B）和外锚段（5C），锚固段（5A）与自由段（5B）连接，自由段（5B）和外锚段（5C）连接。

4.根据权利1所述的一种大变形预应力锚杆，其特征在于：所述的开缝带帽筒体（1）包含筒体（1A）、弧形段（1B）、翼板（1C）和翼沿（1D），筒体（1A）与弧形段（1B）连接，弧形段（1B）与翼板（1C）连接，翼板（1C）和翼沿（1D）连接。

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