一种压缝式摩擦型恒阻锚杆的制作方法
【专利摘要】本发明涉及工程支护【技术领域】，具体涉及一种压缝式摩擦型恒阻锚杆，解决现有技术中锚杆极限拉伸长度小，易功能过载失效及不具备柔性支护能力的技术问题；其结构包括：套筒、杆体、托盘和压块；杆体自上而下包括：实体段、恒阻段、锥形段、摩阻段和自由段；实体段为圆柱状实心结构；恒阻段、锥形段和摩阻段的侧壁沿轴向自上而下具有相同宽度缺口，恒阻段的外径大于摩阻段的外径，杆体通过锥形段将轴截面外径沿轴向从恒阻段的外径连续递减过渡到摩阻段的外径；套筒包括：粗孔段、锥孔段和细孔段；其内径与杆体适配。本发明在围岩发生大变形时本身不发生破坏，允许杆体发生较大的位移以适应围岩变形，还可以不断吸收围岩变形能量，保持围岩稳定。
【专利说明】一种压缝式摩擦型恒阻锚杆
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程支护【技术领域】，具体涉及一种压缝式摩擦型恒阻锚杆。
【背景技术】
[0002] 在开展大型水电、高速公路、铁路等基础设施建设过程中，难免会遇到隧道以及地 下硐室的开挖及支护。尤其是西南山区深埋长大隧道，构造活动强烈，区域构造应力大，围 岩常处于高地应力状态。此时围岩在高地应力条件下常常表现出"大变形"的特点，具体表 现为软岩大变形、岩爆大变形、冲击大变形、瓦斯突出大变形。而现有技术中的锚杆极限拉 伸长度小，当地下工程围岩发生较大的变形时，锚杆往往不能适用围岩的大变形而出现锚 头失效、锚杆拉断等破坏，进而引发塌方、冒顶等事故，甚至造成地下工程功能的丧失。
[0003] 为避免上述地质灾害的发生，需要对围岩进行加固及支护措施。常用的支护措施 之一是采用锚杆支护方式，但是现有技术中的锚杆一般为不可伸长的刚性锚杆，在大变形 条件下，不能起到良好的支护效果。
【发明内容】
[0004] 为此，本发明提供一种压缝式摩擦型恒阻锚杆，解决现有技术中锚杆极限拉伸长 度小，易功能过载失效及不具备柔性支护能力的技术问题。
[0005] 为此，本发明提供一种压缝式摩擦型恒阻锚杆，其结构包括：套筒、杆体、托盘和压 块；
[0006] 所述杆体自上而下包括：实体段、恒阻段、锥形段、摩阻段和自由段；所述实体段 为圆柱状实心结构；所述恒阻段、锥形段、摩阻段和自由段为金属管；所述恒阻段和锥形段 的侧壁沿轴向自上而下具有相同宽度缺口，所述实体段和恒阻段外径相同，所述恒阻段的 外径大于所述摩阻段的外径，所述杆体通过所述锥形段将轴截面外径沿轴向从所述恒阻段 的外径连续递减过渡到所述摩阻段的外径；
[0007] 所述套筒包括：粗孔段、锥孔段和细孔段；所述粗孔段套装在所述实体段和恒阻 段上，其内径与所述实体段的外径相适配，其长度大于所述实体段和恒阻段长度之和；所述 锥孔段套装在所述锥形段上，其内腔形状和长度与所述锥形段的外形和长度相适配；所述 细孔段套装在所述摩阻段上，其内径与所述摩阻段的外径相适配，其长度与所述摩阻段相 同；
[0008] 所述自由段的末端设置有10?20cm的连接端，所述托盘为盘状，所述托盘的底部 设置有允许所述连接端穿过的通孔；所述托盘以盘口面向所述套筒的方向套接在所述连接 端上；
[0009] 所述压块紧固连接在所述自由段的末端，具有将所述托盘面向所述套筒的方向 10?20cm行程的挤压自由度。
[0010] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述套筒的顶端紧固连接有密封其内腔的顶 盖。
[0011] 根据本发明的一个实施方式，其中，还包括PVC管；所述细孔段的下端的外形为方 便套接所述PVC管并在套接处形成挤压密封时所需的锥形，所述PVC管套接在所述细孔段 的下端并在套接处加温密封或捆绑密封。
[0012] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述实体段与所述恒阻段为分体式结构，所述 实体段的下端与所述恒阻段以螺纹或焊接的形式紧固连接。
[0013] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述压块与所述连接端螺纹连接。
[0014] 根据本发明的一个实施方式，其中，还包括密封所述托盘、压块和连接端的密封 盖，所述密封盖在密封所述托盘、压块和连接端时，其内腔剩余的空隙由水泥砂浆来填充。
[0015] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述套筒的材质为硬质合金或优质钢，摩阻段 的侧壁沿轴向自上而下具有与相同宽度缺口。
[0016] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述套筒的侧壁均布有若干数量的肋板。
[0017] 根据本发明的一个实施方式，其中，所述套筒和杆体间的间隙处填充有润滑剂。
[0018] 为此，本发明提供一种应用如前所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆进行围岩支护的方 法，所述方法分为如下步骤：
[0019] SI.在需要支护的围岩中打制锚孔，所述锚孔的孔径大于所述套筒外径10? 15mm，孔深为所述压缝式摩擦型恒阻锚杆除去所述连接端后的长度；
[0020] S2.向所述锚孔内注入锚固剂；
[0021] S3.将所述压缝式摩擦型恒阻锚杆的外表面涂抹防水涂料；
[0022] S4.将所述压缝式摩擦型恒阻锚杆放入所述锚孔中；
[0023] S5.在所述连接端上套接所述托盘；
[0024] S6.测试所述压缝式摩擦型恒阻锚杆的锚固力：
[0025] 若不合格，回到步骤S2 ;
[0026] 若合格，在所述连接端上安装所述压块并紧固；
[0027] S7.用所述密封盖密封所述托盘、压块和连接端，所述密封盖内腔剩余的空隙由水 泥砂浆来填充。
[0028] 本发明提供一种压缝式摩擦型恒阻锚杆在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本 身不发生破坏，允许杆体发生较大的位移以适应围岩变形，在此过程中还可以不断吸收围 岩变形能量，保持围岩稳定。此外，本发明具有结构简单、抗柔性拉伸阻力强大、工作性能稳 定、便于施工及造价低的特点。
[0029] 进一步的，本发明恒阻段和锥形段侧壁沿轴向自上而下具有相同宽度缺口，其横 截面图形为C形，在杆体受到拉伸力时，锥形段及恒阻段会在套筒锥孔段的挤压下发生变 形，直至其缺口咬合，形变后的恒阻段会在更大的拉力作用下被逐渐拉入套筒的细孔段，进 而满足围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏的技术效果；此外，由于本发明 锥形段及恒阻段的形变为弹性形变，其形成的拉伸阻力均匀恒定，进而形成了恒阻连续大 变形的技术效果；此外，在本发明的一个实施例中，缺口进一步延伸至摩阻段，这一设置对 杆体的弹性形变提供更好的结构支持；
[0030] 进一步的，本发明实体段为圆柱状实心结构，因此不会发生挤压形变，其功能为位 置锁定，当恒阻段大部分长度被拉入套筒的细孔段之后，其锁定功能确保恒阻段不会进一 步从套筒的细孔段拉出套筒外，这一结构的设置为满足围岩发生大变形时拉伸的需要提供 进一步的安保性的结构支持；
[0031] 进一步的，本发明顶盖的设置便于将套筒插入安装入注浆钻孔中的同时，阻隔注 浆进入套筒中；
[0032] 进一步的，本发明PVC管的设置，通过与套筒下端的套接，达到了对自由段密封的 技术效果，阻止水分和杂物进入；
[0033] 进一步的，本发明可以通过设定恒阻段、锥形段和摩阻段侧壁沿轴向自上而下缺 口的缺口宽度、改变各组成部件的材质，改变个组成部分的长度及空心部位的壁厚来使工 作性能得到进一步的提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0035] 图1为本发明实施例1中压缝式摩擦型恒阻锚杆的结构示意图；
[0036] 图2为图1的A-A截面剖视图；
[0037] 图3为图1的B-B截面剖视图；
[0038] 图4为图1的C-C截面剖视图；
[0039] 图5为图1中套筒结构示意图；
[0040] 图6为本发明实施例2中压缝式摩擦型恒阻锚杆的杆体结构示意图；
[0041] 图7为本发明实施例3中压缝式摩擦型恒阻锚杆的杆体与PVC管装配关系示意 图；
[0042] 图8为本发明压缝式摩擦型恒阻锚杆拉伸状态下受力状态示意图；
[0043] 图9为本发明实施例中开口薄壁圆形构件惯性矩示意图；
[0044] 图10为本发明实施例中一般厚度开口圆形构件惯性矩示意图；
[0045] 图11为本发明实施例中杆体挤压变形发生处受力示意图；
[0046] 图12为本发明实施例中杆体摩阻段纵剖面示意图；
[0047] 图13为本发明实施例中摩阻段C形截面受力分析示意图；
[0048] 图14本发明实施例中摩阻段C形截面中Θ截面受力分析示意图；
[0049] 图15为本发明实施例中等效均布力示意图；
[0050] 图16为单根杆体的锚固范围示意图；
[0051] 图17为围岩径向应力示意图。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合说明书附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以 下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0053] 实施例1 :
[0054] 不失一般性，图1所示，本发明提供一种压缝式摩擦型恒阻锚杆，包括：套筒1、杆 体2、托盘3和压块4 ;
[0055] 杆体2自上而下包括：实体段2-1、恒阻段2-2、锥形段2-3、摩阻段2-4和自由段 2-5 (截面图如图4所示）；图2所示，实体段2-1为圆柱状实心结构，与恒阻段2-2的上端 通过螺纹或焊接形成紧固连接（本发明实体段2-1与恒阻段2-2还可以做成一体式结构）； 实体段2-1、恒阻段2-2、锥形段2-3和摩阻段2-4为一体式结构；恒阻段2-2、锥形段2-3、 摩阻段2-4和自由段2-5在本实施例中为具有相同的壁厚的金属管；恒阻段2-2和锥形段 2-3的侧壁沿轴向自上而下加工有具有相同宽度缺口，（其中，恒阻段2-2截面图如图3所 示，），轴向任意位置的截面均为"C"形，实体段2-1、恒阻段2-2和摩阻段2-4的外形为圆 柱状，实体段2-1和恒阻段2-2外径相同，恒阻段2-2的外径大于摩阻段2-4的外径，杆体 2通过锥形段2-3将轴截面外径沿轴向从恒阻段2-2的外径连续递减过渡到摩阻段2-4的 外径，本实施例优选将锥形段2-3的外形做成圆台状；
[0056] 图5所示，套筒1包括：粗孔段1-1、锥孔段1-2和细孔段1-3 ;粗孔段1-1套装在 实体段2-1和恒阻段2-2上，其内径与实体段2-1的外径相适配，其长度大于实体段2-1和 恒阻段2-2长度之和；锥孔段1-2套装在锥形段2-3上，其内腔形状和长度与锥形段2-3的 外形和长度相适配，在杆体受到拉力作用时，锥形段2-3与锥孔段1-2挤压情况如图8所 示；细孔段1-3套装在摩阻段2-4上，其内径与摩阻段2-4的外径相适配，其长度与摩阻段 2-4相同；
[0057] 自由段2-5的末端设置有10?20cm的连接端2-6,托盘3为盘状，托盘3的底部 设置有允许连接端穿过的通孔；托盘3以盘口面向套筒1的方向套接在连接端上；
[0058] 压块4紧固连接在自由段2-5的末端，具有将托盘3面向套筒1的方向10?20cm 行程的挤压自由度，本实施例中，将压块选择为螺母，通过螺母与连接端的螺纹连接实现对 托盘3的压紧，进而实现压缝式摩擦型恒阻锚杆的支护功能。
[0059] 实施例2 :
[0060] 图6所示，在实施例1的基础上，杆体2的摩阻段2-4的侧壁沿轴向自上而下加工 有具有和锥形段2-3相同宽度的缺口，进一步延伸的缺口长度为形变提供结构上的支持。
[0061] 需要说明的是在上述技术方案中，恒阻段2-2、锥形段2-3和摩阻段2-4的侧壁沿 轴向自上而下具有相同宽度缺口的缺口宽度根据围岩变形量来设计；，恒阻段2-2、锥形段 2-3、摩阻段2-4和自由段2-5的长度根据围岩塑性区深度来设计。
[0062] 进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，套筒1的顶端紧固连接有密封其 内腔的顶盖1-4,使其在插入注浆锚固孔时，阻止泥沙进入套筒的内部。
[0063] 实施例3 :
[0064] 图7所示，为了让杆体2能够更好的延伸，本发明在实施例1的基础上还包括PVC 管2-7 ;细孔段1-3的下端的外形为方便套接PVC管并在套接处形成挤压密封时所需的锥 形，PVC管2-7套接在细孔段1-3的下端并在套接处采取加温密封或捆绑密封。其捆绑密 封所需的绳索可以为麻绳。在本实施例的中，压块4与连接端螺纹连接；在本实施例中，还 包括密封托盘3、压块4和连接端的密封盖5,密封盖5在密封托盘3、压块4和连接端时，其 内腔剩余的空隙由水泥砂浆来填充。在本实施例中，套筒1的材质为硬质合金或优质钢；套 筒1的侧壁均布有若干数量的肋板；套筒1和杆体2间的间隙处填充有润滑剂；套筒1、杆 体2、托盘3和压块4的材质为金属。
[0065] 为进一步解决技术问题，本发明提供一种应用上述技术方案中的压缝式摩擦型恒 阻锚杆进行围岩支护的方法，所述方法分为如下步骤：
[0066] SI.在需要支护的围岩中打制锚孔，锚孔的孔径大于套筒外径10?15_，孔深为 压缝式摩擦型恒阻锚杆除去连接端后的长度；
[0067] S2.向锚孔内注入锚固剂；
[0068] S3.将压缝式摩擦型恒阻锚杆的外表面涂抹防水涂料；
[0069] S4.将压缝式摩擦型恒阻锚杆放入锚孔中；
[0070] S5.在连接端上套接托盘3 ;
[0071] S6.测试压缝式摩擦型恒阻锚杆的锚固力：
[0072] 若不合格，回到步骤S2 ;
[0073] 若合格，在连接端上安装压块4并紧固；
[0074] S7.用密封盖5密封托盘3、压块4和连接端，密封盖5内腔剩余的空隙由水泥砂 楽来填充。
[0075] 进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，在步骤S3之后增加步骤：S3. 1将 压缝式摩擦型恒阻锚杆的自由段2-5用PVC管套接，并在套接处采用加温密封或捆绑密封。 [0076] 为进一步阐述本发明的作用效果，特将本发明杆体2的设计方法阐述如下：
[0077] 本发明主要从恒阻锚杆的极限承载力和恒阻力两方面，来对锚杆具体的规格尺寸 进行计算设计，其主要设计方法如下：
[0078] (1)截面惯性矩的计算
[0079] 空心锚杆在受拉时由卡口处变形挤入摩阻段，此时的锚杆变形类似受约束扭 转；在工程中，对于开口薄壁杆件的惯性矩计算是通过将横截面看成由若干狭长矩形 (t < d/20 ;t、d分别为构件厚度、截面宽度）条组成。图8所示，开口薄壁圆形构件惯性矩， 图中虚线为截面受力时的剪力流。
【权利要求】
1. 一种压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，包括：套筒（1)、杆体（2)、托盘（3)和压 块⑷； 所述杆体（2)自上而下包括：实体段（2-1)、恒阻段（2-2)、锥形段（2-3)、摩阻段（2-4) 和自由段（2-5);所述实体段（2-1)为圆柱状实心结构；所述恒阻段（2-2)、锥形段（2-3)、 摩阻段（2-4)和自由段（2-5)为金属管；所述恒阻段（2-2)和锥形段（2-3)的侧壁沿轴向自 上而下具有相同宽度缺口，所述实体段（2-1)和恒阻段（2-2)外径相同，所述恒阻段（2-2) 的外径大于所述摩阻段（2-4)的外径，所述杆体（2)通过所述锥形段（2-3)将轴截面外径 沿轴向从所述恒阻段（2-2)的外径连续递减过渡到所述摩阻段（2-4)的外径； 所述套筒（1)包括：粗孔段（1-1)、锥孔段（1-2)和细孔段（1-3);所述粗孔段（1-1)套 装在所述实体段（2-1)和恒阻段（2-2)上，其内径与所述实体段（2-1)的外径相适配，其长 度大于所述实体段（2-1)和恒阻段（2-2)长度之和；所述锥孔段（1-2)套装在所述锥形段 (2-3)上，其内腔形状和长度与所述锥形段（2-3)的外形和长度相适配；所述细孔段（1-3) 套装在所述摩阻段（2-4)上，其内径与所述摩阻段（2-4)的外径相适配，其长度与所述摩阻 段（2-4)相同； 所述自由段（2-5)的末端设置有10?20cm的连接端（2-6)，所述托盘（3)为盘状，所 述托盘（3)的底部设置有允许所述连接端穿过的通孔；所述托盘（3)以盘口面向所述套筒 (1) 的方向套接在所述连接端上； 所述压块（4)紧固连接在所述自由段（2-5)的末端，具有将所述托盘（3)面向所述套 筒（1)的方向10?20cm行程的挤压自由度。
2. 根据权利要求1所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述套筒（1)的顶端紧 固连接有密封其内腔的顶盖（1-4)。
3. 根据权利要求1所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，还包括PVC管（2-7); 所述细孔段（1-3)的下端的外形为方便套接所述PVC管并在套接处形成挤压密封时所需的 锥形，所述PVC管（2-7)套接在所述细孔段（1-3)的下端并在套接处加温密封或捆绑密封。
4. 根据权利要求1所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述实体段（2-1)与所 述恒阻段（2-2)为分体式结构，所述实体段（2-1)的下端与所述恒阻段（2-2)以螺纹或焊 接的形式紧固连接。
5. 根据权利要求1所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述压块（4)与所述连 接端螺纹连接。
6. 根据权利要求1?5项中任一项所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，还包括 密封所述托盘（3)、压块（4)和连接端的密封盖（5)，所述密封盖（5)在密封所述托盘（3)、 压块（4)和连接端时，其内腔剩余的空隙由水泥砂浆来填充。
7. 根据权利要求6所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述套筒（1)的材质为 硬质合金或优质钢，摩阻段（2-4)的侧壁沿轴向自上而下具有与相同宽度缺口。
8. 根据权利要求1?5项中任一项所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述套 筒（1)的侧壁均布有若干数量的肋板。
9. 根据权利要求8所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆，其特征在于，所述套筒（1)和杆体 (2) 间的间隙处填充有润滑剂。
10. -种应用权利要求1?9项中任一项所述的压缝式摩擦型恒阻锚杆进行围岩支护 的方法，所述方法分为如下步骤：
51. 在需要支护的围岩中打制锚孔，所述锚孔的孔径大于所述套筒外径10?15mm，孔 深为所述压缝式摩擦型恒阻锚杆除去所述连接端后的长度；
52. 向所述锚孔内注入锚固剂；
53. 将所述压缝式摩擦型恒阻锚杆的外表面涂抹防水涂料；
54. 将所述压缝式摩擦型恒阻锚杆放入所述锚孔中；
55. 在所述连接端上套接所述托盘（3);
56. 测试所述压缝式摩擦型恒阻锚杆的锚固力： 若不合格，回到步骤S2 ; 若合格，在所述连接端上安装所述压块（4)并紧固；
57. 用所述密封盖（5)密封所述托盘（3)、压块（4)和连接端，所述密封盖（5)内腔剩 余的空隙由水泥砂浆来填充。
【文档编号】E21D21/00GK104453961SQ201410655803
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】孟陆波, 李天斌, 陈超, 高美奔 申请人:成都理工大学