一种内阻型金属抗剪让压锚索装置的制作方法

本发明属于岩土工程支护设备，具体涉及特殊金属材料抗剪变形让压锚索结构，适用于煤矿巷道、隧道、边坡、基坑等相关工程领域支护与加固装置与方法。

背景技术：

在岩土工程、隧道工程、边坡工程的支护中常见的支护设备为锚杆和锚索，传统的支护设备往往由于材料和结构的限制都是采用刚性结构，锚杆的延伸率和锚索的抗拉拔力都有所限制，对于岩体裂隙较为发育，变形破坏较大的地质条件往往出现支护失效等现象，造成围岩失稳等险况，急需采用能够容许大变形的耗能的锚杆/索来解决工程支护问题。

现有的大变形锚杆/索从功能上主要分为两种：一种是采用特殊柔性材料作为杆体和锚索结构体，利用柔性材料特殊的属性，在极限强度内，能够允许较大的变形荷载，这类材料的延展性一般要求较高，成本相对较大；第二类是在锚杆和锚索里加装特殊的抗压结构，在杆体和锚索受力拉拔条件下，利用摩擦或是抗压来损耗岩体的变形能，从而使锚杆/索产生恒阻或变阻等减压效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种内阻型金属抗剪让压锚索装置，避免采用特殊材料设计的锚杆/索来允许岩体大变形。

本发明采用以下技术方案：

一种内阻型金属抗剪让压锚索装置，包括固定锚头、抗剪让压装置以及锚索锁具，所述固定锚头设置在围岩内，通过若干钢绞线与设置在所述围岩钻孔端口的所述锚索锁具连接，所述锚索锁具用于对所述抗剪让压装置施加预紧力形成锚固结构，所述抗剪让压装置设置在所述钢绞线上，包括金属保护套筒和金属让压环，所述金属保护套筒套装在所述围岩的钻孔端口内，所述金属让压环设置在所述金属保护套筒内，所述钢绞线的一端穿过所述金属让压环与所述固定锚头连接，另一端与设置在所述围岩钻孔端口的金属减速头连接，所述金属减速头通过所述金属让压环受剪压破坏损耗所述围岩的岩体变形能。

进一步的，所述金属让压环包括多个，间隔设置在所述金属保护套筒内，所述金属保护套筒的外壁设置有点状和波纹状花纹并包裹有防腐材料。

进一步的，所述金属让压环的孔口直径等于所述钢绞线的直径。

进一步的，所述金属减速头为圆柱体结构，高度大于所述金属让压环的厚度。

进一步的，所述金属减速头的直径大于所述金属让压环的孔径，小于所述金属保护套筒的直径。

进一步的，所述金属减速头为硬质钢材，通过所述钢绞线与所述固定锚头上的固定端头连接。

进一步的，所述金属保护套筒与所述锚索锁具之间设置有垫板。

进一步的，所述金属让压环的厚度l计算如下：

a＝πdl

其中，a为剪切破坏面积，l为剪切距离即金属让压环厚度，d为金属减速装置直径。

进一步的，所述金属让压环的半径r计算如下：

其中，abs为挤压破坏面积，d为金属让压环孔直径。

进一步的，所述金属让压环的轴向应力变化为锚索锚固力的30～90％。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种内阻型金属抗剪让压锚索装置，固定锚头设置在围岩内，通过钢绞线与设置在围岩钻孔端口的锚索锁具连接，抗剪让压装置设置在钢绞线上，锚索锁具对抗剪让压装置施加预紧力形成锚固结构，抗剪让压装置包括金属保护套筒和金属让压环，金属减速头在钢绞线拉力作用下，与金属套筒内的金属让压环接触，金属减速头与钢绞线受到岩体破坏产生的拉力作用，向金属套筒内部运动，作用时间较短，会产生剪切破坏，损耗变形能，金属让压环受到轴向拉力作用运动的金属减速头剪切产生破坏，分级次损耗岩体的变形能达到让压效果。

进一步的，在金属保护套筒外壁上涂抹砂浆进行防腐处理，或者将金属保护套筒外壁设置为点状和波纹状组合花纹来增大摩擦阻力。

进一步的，金属让压环的孔口直径等于钢绞线的直径，避免钢绞线在金属让压环处因为孔径大小不等产生缠绕，导致钢绞线局部段的受力不均，进而影响抗拉效果。

进一步的，金属减速头为圆柱体结构，高度大于金属让压环的厚度，直径大于金属让压环的孔径，小于金属保护套筒的直径，在钢绞线拉力作用下金属减速头与让压环产生剪切破坏后，导致拉力降低，通过金属套筒向内运动的金属减速头再次与让压环接触时间较长，会产生挤压破坏，降低钢绞线的轴向拉力作用。

进一步的，金属保护套筒和金属让压环为一次成型浇筑，需要的模具和加工设备强度不高，降低了生产投资成本，一次浇筑成型的金属让压环在套筒内的不规则处强度高不易断裂。

进一步的，本发明利用该内嵌式分级抗剪恒阻大变形特性，适用于深部围岩离层变形要求，且通过金属套管和垫板构成的组合结构提高空口段锚索体的抗剪变形，整个装置具备深层岩体控制，防止岩层离层变形、抗剪、分级恒阻等多重作用，具有安装便捷，性能稳定、易于推广等特点。

综上所述，本发明设计操作实用方便、性能稳定可靠、成本低廉、可回收以及适合大变形岩体的支护设备。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明金属减速头在轴向拉伸状态下剪切变形受力图；

图2为本发明金属减速头在轴向拉伸状态下挤压变形受力图；

图3为实施例一中内阻型金属抗剪让压锚索结构与安装示意图；

图4为实施例二中内阻型金属抗剪让压锚索结构与安装示意图；

图5为实施例三中内阻型金属抗剪让压锚索结构与安装示意图；

图6为本发明抗剪让压装置放大示意图。

其中：1.固定锚头；2.固定端头；3.围岩；4.钢绞线；5.金属让压环；6.金属保护套筒；7.垫板；8.金属减速头；9.锚索锁具。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种内阻型金属抗剪让压锚索装置，利用金属材料抗剪变形产生的抗阻能力来实现锚索装置让压变形功能。在围岩发生变形分层断裂时该装置锚固端不发生破坏，允许变形离层拉伸减速装置向岩层内运动，此过程中减速装置剪切破坏抗压环可以不断吸收围岩变形能，维持围岩与支护结构的整体稳定性及安全，且特殊的减速装置提供一定的阻力达到锚索让压的功能。

本发明内阻型金属抗剪让压锚索装置包括固定锚头1、钢绞线4、抗剪让压装置以及锚索锁具9，所述固定锚头1设置在围岩3内，通过所述钢绞线4与设置在所述围岩3钻孔端口的所述锚索锁具9连接，所述锚索锁具9用于对所述抗剪让压装置施加预紧力形成有效锚固结构，所述抗剪让压装置设置在所述钢绞线4上。

其中，所述抗剪让压装置包括金属保护套筒6、金属让压环5以及金属减速头8，所述金属保护套筒6套装在所述围岩3的钻孔端口内，所述金属让压环5设置在所述金属保护套筒6内，所述钢绞线4的一端穿过所述金属让压环5与所述固定锚头1连接，另一端与所述金属减速头8连接，如图6所示。

所述金属减速头8的直径大于所述金属让压环5的孔径，小于所述金属保护套筒6的直径，所述金属减速头8依次通过若干所述金属让压环5，金属让压环5受剪压破坏损耗所述围岩3的岩体变形能。

将钢绞线4与金属减速头8连接，所述金属让压环5的孔口直径等于所述钢绞线4的直径，钢绞线4与金属减速头8共同受力。

所述固定锚头1上设置有用于和所述钢绞线4连接的固定端头2。

所述金属保护套筒6与所述锚索锁具9之间设置有垫板7。

优选的，所述金属减速头8为硬质钢材，如沉淀硬化不锈钢、钴基合金等，所述金属保护套筒6的外壁包裹有防腐材料，如环氧煤沥青防腐漆、树脂防腐涂料等。

采用的金属让压环5的厚度l和半径r设计是基于金属减速头8通过金属让压环5的破坏形式来计算。

所述金属让压环5在金属保护套筒6内存在一定的间隙，通过钢绞线4连接抗剪让压装置，轴向拉力强度应小于钢绞线4的极限强度值。考虑到围岩3破断来压较大较快，金属减速头8为金属圆柱体，圆柱体高度远远大于金属让压环5的厚度，初期将金属减速头8简化为冲头装置，金属让压环5简化为钢板，采用剪切破坏形式。

设计采用22mm的钢绞线，极限强度值f钢为400kn，在保证钢绞线不断的情况下轴向剪切破坏拉力为设计值的百分之九十，轴向剪切破坏拉力fj计算如下：

fj＝f钢*90％＝360kn

根据金属塑性力学理论，剪切破坏公式为：

其中，a为剪切破坏面积；fj为剪切破坏力；τb为许用切压应力值，查询资料取360mpa。

剪切破坏面由图1知为金属圆柱体侧面积，侧面积计算公式为：

a＝πdl

其中，l为剪切距离即金属让压环厚度，d＝32mm为金属减速装置直径；经过计算得l≈9.95mm。

通过剪切破坏损耗岩体变形能，轴向拉力降低，金属减速头与金属让压环接触时间长，破坏变形形式由剪切破坏变为挤压破坏，根据金属塑性力学理论，挤压破坏公式为：

其中，abs为挤压破坏面积；fy＝f钢*90％＝360kn取钢绞线最大受力为挤压破坏力；[σbs]为许用挤压应力值，查询资料取360mpa。

挤压破坏面由图2所示，为金属环形状，金属环计算公式为：

其中，d为金属让压环孔直径d＝22mm，经过计算得r≈9.96mm。

轴向压力过大，伴随有冲击性，波动较大，产生的剪切破坏和挤压破坏都会产生金属碎屑和金属热量，导致金属抗剪性和抗压性能降低，弱化减压效果，为了保证构件的完好，设计了多级抗剪抗压，来避免产生的破坏，，在金属套筒内的两个让压环之间留设为凹槽，用于填补金属减速头破坏导致的波动。

锚索内金属减速头8与钢绞线4相固定连接，金属减速头8轴向拉应力由钢绞线4提供，在保证钢绞线4弹性极限的情况下提高轴向拉力，金属减速头8对金属让压环5产生轴向变形，金属减速头8的抗剪材料属性远高于金属让压环5，当轴向拉力达到弹塑性金属材料的弹性极限后，金属材料产生剪切破坏变形，对轴向拉力产生一定的损耗，从而使锚固结构实现部分让压作用。

所述金属保护套筒内的金属让压环5由于受到轴向拉应力作用产生剪切破坏，根据围岩断裂变形时间的不同，采用逐级分段剪切破坏达到让压效果，轴向应力变化采取锚索设计值的90％、75％、60％、45％和30％。

实施例一

如图3所示，包括固定锚头1、固定端头2、钢绞线4、金属让压环5、金属保护套筒6、垫板7、金属减速头8和锚索锁具9。

金属保护套筒6和外侧的垫板7为一体化成型浇筑，利用钻孔机在围岩3内进行打钻作业，固定锚头1通过钻孔安置在围岩3的深部，将钢绞线4通过固定端头2和固定锚头1进行连接，将金属保护套筒6插入围岩3内部直到外侧垫板7卡住孔口位置，通过安装锚索锁具9在钢绞线4上施加预紧力后将金属减速头8推压至金属让压环5处。

为使金属保护套筒6固定在围岩3的内部，还可以在金属保护套筒6的外壁上涂抹砂浆，或者将金属保护套筒6的外壁设置为点状和波纹状组合花纹来增大摩擦阻力。

实施例二

如图4所示，包括固定锚头1、固定端头2、钢绞线4、金属让压环5、金属保护套筒6、垫板7、金属减速头8和锚索锁具9。

利用钻孔机在围岩3内进行打钻作业，固定锚头1通过钻孔安置在围岩3深部，将钢绞线4通过固定端头2和固定锚头1进行连接，二次扩孔作业后将金属保护套筒6插入围岩3内部，扩孔范围长度视金属保护套筒长度而定，直到金属保护套筒6全部插入围岩3，孔口位置用垫板7加锚索锁具9安装，通过对外露钢绞线4施加预紧力后将金属减速头8推压至金属让压环5处。

实施例三

如图5所示，包括固定锚头1、固定端头2、钢绞线4、金属让压环5、金属保护套筒6、垫板7、金属减速头8和锚索锁具9。

利用钻孔机在围岩3内进行打钻作业，固定锚头1通过钻孔安置在围岩3深部，将钢绞线4通过固定端头2和固定锚头1进行连接，将金属保护套筒6安置在孔口处，不必再进行扩孔作业，通过对外露钢绞线4施加预紧力后将金属减速头8推压至金属让压环5处。

本发明内阻型金属抗剪让压锚索装置，金属保护套筒6插入到钻孔后底端安装垫板7，将金属减速头8安装进金属保护套筒6并挤压在第一个金属让压环5处，外端安装锚索锁具9，并施加预紧力，形成有效锚固结构，使用特制的金属套管里面的金属减速头对金属让压环的剪切破坏来消耗围岩的变形能。

本发明提供的应用在岩土工程以及相关领域的支护用的内嵌式金属抗剪让压锚索，对于发生岩体变形分层运动有较好的控制作用，通过金属减速头在金属保护套筒内不同形式的抗剪抗压效应，降低钢绞线的轴向拉力，减小岩体变形破坏运动，整个装置结构设计合理，使用方便。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。