一种大变形预应力水力膨胀锚杆

本发明涉及岩土体锚固技术领域，更具体地说它是一种大变形预应力水力膨胀锚杆。

背景技术：

随着我国资源开发向深部转移，深部巷道工程会面临高地应力问题，巷道开挖卸荷会造成围岩大变形和岩爆等工程灾害，工程实践表明，有效的支护手段可以显著改善巷道围岩变形情况，锚杆支护作为一种经济有效的支护手段，被广泛应用于地下工程建设中。但现有的锚杆结构没有考虑杆体径向预应力的施加，无法使锚杆孔周围岩恢复真正的三向应力状态，对于深部巷道岩爆或围岩大变形来说，要求支护系统必须具有高预应力、高抗冲击性和高吸能-耗能特性(锚杆结构大变形)，而现有的锚杆无法满足深部岩体工程的支护要求。

因此，开发一种能同时施加杆体轴向和径向预应力、满足深部岩体工程的支护要求的锚杆很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种大变形预应力水力膨胀锚杆，为可同时施加杆体轴向和径向预应力的大变形锚杆，结构简单，且不需要锚固剂，具备同时施加杆体轴向和径向预应力的功能、且具备大变形的功能，满足深部岩体工程的支护要求，应用范围广泛；克服了现有锚杆需要使用锚固剂和无法施加同时施加杆体轴向和径向预应力及大变形的缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种大变形预应力水力膨胀锚杆，包括注水口，托盘，螺母，其特征在于：还包括水力膨胀内壳，水力膨胀外壳和内杆结构；

水力膨胀内壳和水力膨胀外壳通过一根钢管压平并弯曲而成；水力膨胀外壳位于水力膨胀内壳外周；

水力膨胀内壳设置在内杆结构外周；

水力膨胀内壳与水力膨胀外壳的端部密封连接；

注水口设置在水力膨胀内壳和水力膨胀外壳的端部、且位于水力膨胀内壳与水力膨胀外壳之间；

内杆结构的端部设置托盘和螺母；

内杆结构包括锥头胀壳，内杆锥头和内杆体；内杆锥头设置在内杆体的端部；内杆锥头的锥形底部的径向尺寸大于内杆体的径向尺寸；

锥头胀壳设置在水力膨胀内壳内壁上、且位于内杆锥头与水力膨胀内壳之间；

当围岩发生变形时，内杆锥头与水力膨胀内壳发生相对摩擦滑动，通过内杆锥头和锥头胀壳迫使水力膨胀内壳发生径向膨胀，实现锚杆结构大变形，提供所述大变形预应力水力膨胀锚杆轴向和径向的支护阻力。

在上述技术方案中，凹槽结构位于水力膨胀内壳远离托盘的一端；

内杆锥头位于凹槽结构内，凹槽结构的内径与内杆锥头的锥形底部的外径相配合；

锥头胀壳位于凹槽结构内壁上临近托盘的一端；

锥头胀壳位于内杆锥头与凹槽结构之间。

在上述技术方案中，内杆锥头包括第一内杆锥头结构、第二内杆锥头结构和第三内杆锥头结构；

第一内杆锥头结构的径向尺寸与内杆体的径向尺寸相等，第一内杆锥头结构连接在内杆体远离托盘的一端；

第二内杆锥头结构位于第一内杆锥头结构与第三内杆锥头结构之间；第二内杆锥头结构的尺寸小于第一内杆锥头结构的径向尺寸、且小于第三内杆锥头结构的径向尺寸；

第三内杆锥头结构呈锥形结构；第三内杆锥头结构的锥形底部的径向尺寸大于内杆体的径向尺寸。

在上述技术方案中，锥头胀壳呈六边形结构；锥头胀壳包括第一水平边、第二水平边、第一倾斜边、第二倾斜边、第一垂向边和第二垂向边；

其中，第一水平边与第二水平边呈平行设置；

第一垂向边与第二垂向边呈平行设置；

第一倾斜边的倾角大于第二倾斜边的倾角；

第一水平边上设置锥头胀壳凹槽；

第一水平边和第二倾斜边均接触凹槽结构的内壁。

在上述技术方案中，在围岩发生变形前，第二内杆锥头结构和第三内杆锥头结构均位于凹槽结构内；第二水平边接触第二内杆锥头结构，第二垂向边接触第一内杆锥头结构端部、且位于第一内杆锥头结构与第二内杆锥头结构之间，第一倾斜边位于第二内杆锥头结构与第三内杆锥头结构之间，第一垂向边位于第三内杆锥头结构与凹槽结构的内壁之间；

在围岩发生变形后，凹槽结构径向膨胀，第三内杆锥头结构位于凹槽结构内，第一倾斜边与第三内杆锥头结构的锥形外壁接触。

在上述技术方案中，水力膨胀内壳与水力膨胀外壳的端部通过高强度粘结剂密封连接。

在上述技术方案中，内杆锥头与凹槽结构发生相对摩擦滑动，在内杆锥头和锥头胀壳的作用力下，凹槽结构发生径向膨胀、且增加轴向尺寸，通过变形后的大变形预应力水力膨胀锚杆、维持对钻孔施加径向预应力，且通过托盘和螺母完成对钻孔施加轴向预应力。

本发明具有如下优点：

本发明不需要锚固剂，以注水膨胀后紧贴钻孔壁提供锚固力，通过托盘和螺母提供杆体轴向预紧力，实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，通过内杆锥头与水力膨胀内壳的相对摩擦滑动，实现锚杆结构大变形的功能、且实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，满足深部岩体工程的支护要求；克服了现有锚杆需要使用锚固剂和无法施加同时施加杆体轴向和径向预应力及大变形的缺点。

附图说明

图1为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆轴向结构示意图。

图2为图1的a处放大图。

图3为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆径向结构示意图。

图4为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆注水膨胀时轴向结构示意图。

图5为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆注水膨胀时径向结构示意图。

图6为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆锥体撑开时轴向结构示意图。

图7为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆锥体撑开时径向结构示意图。

图8为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆结构大变形时轴向结构示意图。

图9为本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆结构大变形时径向结构示意图。

图10为本发明所述的大变形预应力水力膨胀内杆锥头和胀壳连接的轴向结构示意图。

图11为本发明所述的大变形预应力水力膨胀内杆锥头和胀壳连接的径向结构示意图。

图12为本发明中的锥头胀壳的结构示意图。

图4、图5、图6、图7、图8、图9、图11中的a均表示高压水。

图中1-围岩，2-钻孔，3-锥头胀壳，3.1-第一水平边，3.11-锥头胀壳凹槽，3.2-第二水平边，3.3-第一倾斜边，3.4-第二倾斜边，3.5-第一垂向边，3.6-第二垂向边，4-内杆锥头，4.1-第一内杆锥头结构，4.2-第二内杆锥头结构，4.3-第三内杆锥头结构，5-水力膨胀内壳，5.1-凹槽结构，6-水力膨胀外壳，7-内杆体，8-注水口，9-托盘，10-螺母，11-高强度粘结剂，12-内杆结构。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种大变形预应力水力膨胀锚杆，包括注水口8，托盘9，螺母10，还包括水力膨胀内壳5，水力膨胀外壳6和内杆结构12；

水力膨胀内壳5和水力膨胀外壳6通过一根钢管压平并弯曲而成，钢管的两端用高强度粘结剂11进行密封，一端安装注水口8；

水力膨胀外壳6位于水力膨胀内壳5外周；

水力膨胀内壳5设置在内杆结构12外周；

水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6的端部密封连接；

注水口8设置在水力膨胀内壳5和水力膨胀外壳6的端部、且位于水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6之间，与水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6之间的间隙连通，通过注水口8进行注水，使水力膨胀外壳6紧贴钻孔壁和水力膨胀内壳5紧贴内杆结构，由于水力膨胀外壳6的径向膨胀，对钻孔提供杆体径向预应力的施加；

内杆结构12的端部设置托盘9和螺母10，通过托盘9和螺母10将锚杆固定在钻孔2中、且通过托盘9和螺母10完成杆体轴向预应力的施加；

内杆结构12包括锥头胀壳3，内杆锥头4和内杆体7；内杆锥头4设置在内杆体7的端部；内杆锥头4的锥形底部的径向尺寸大于内杆体7的径向尺寸；

锥头胀壳3设置在水力膨胀内壳5内壁上、且位于内杆锥头4与水力膨胀内壳5之间，当围岩发生变形时，内杆锥头4与水力膨胀内壳5发生相对摩擦滑动，通过内杆锥头4和锥头胀壳3迫使水力膨胀内壳6发生径向膨胀，实现锚杆结构大变形，通过托盘9和螺母10完成锚杆杆体轴向预应力的施加，实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，提供所述大变形预应力水力膨胀锚杆轴向和径向的支护阻力。

在围岩发生变形前后，本发明中的水力膨胀内壳5始终紧密包裹在锥头胀壳3、内杆锥头4和内杆体7外周，包裹性能好，与水力膨胀内壳5的接触面积大、摩擦力大，形成高预应力；

本发明中的水力膨胀内壳5包裹在锥头胀壳3、内杆锥头4和内杆体7外周，与托盘9和螺母10作为一个整体，形成高预应力的支护结构；本发明通过锥头胀壳3，内杆锥头4与水力膨胀内壳5的摩擦滑动，使本发明形成的支护结构具备高抗冲击性；本发明通过锥头胀壳3、内杆锥头4与水力膨胀内壳5的摩擦滑动，使水力膨胀内壳5大变形，使本发明形成的支护结构具备高吸能-耗能特性，其中，锥头胀壳3、内杆锥头4与水力膨胀内壳5的摩擦滑动为吸能运动。

进一步地，凹槽结构5.1设置在水力膨胀内壳5远离托盘9的一端；

内杆锥头4位于凹槽结构5.1内，凹槽结构5.1的内径与内杆锥头4的锥形底部的外径相配合；

锥头胀壳3位于凹槽结构5.1内壁上、且位于凹槽结构5.1临近托盘9的一端；

锥头胀壳3位于内杆锥头4与凹槽结构5.1之间；当围岩发生变形时，内杆锥头4与凹槽结构5.1的发生相对摩擦滑动，实现锚杆结构大变形，通过内杆锥头4和锥头胀壳3迫使凹槽结构5.1发生径向膨胀、增大膨胀范围，提供锚杆轴向的支护阻力。

凹槽结构5.1为环向凹槽，目的是减小该部位的厚度，当内杆锥头4向右缩进时，以凹槽结构5.1为弯折点，方便水力膨胀内壳5向外侧胀开。

进一步地，内杆锥头4包括第一内杆锥头结构4.1、第二内杆锥头结构4.2和第三内杆锥头结构4.3；

第一内杆锥头结构4.1的径向尺寸与内杆体7的径向尺寸相等，第一内杆锥头结构4.1连接在内杆体7远离托盘9的一端；

第二内杆锥头结构4.2位于第一内杆锥头结构4.1与第三内杆锥头结构4.3之间；第二内杆锥头结构4.2的尺寸小于第一内杆锥头结构4.1的径向尺寸、且小于第三内杆锥头结构4.3的径向尺寸；第二内杆锥头结构4.2可在凹槽结构5.1和水力膨胀内壳5的其它管径内自由移动，保证第三内杆锥头结构4.3和锥头胀壳3对凹槽结构5.1的径向膨胀作用；

第三内杆锥头结构4.3呈锥形结构；第三内杆锥头结构4.3的锥形底部的径向尺寸大于内杆体7的径向尺寸，当围岩发生变形时，内杆锥头4与凹槽结构5.1的发生相对摩擦滑动，第三内杆锥头结构4.3和锥头胀壳3迫使凹槽结构5.1发生径向膨胀，提供锚杆轴向的支护阻力。

进一步地，锥头胀壳3呈六边形结构；锥头胀壳3包括第一水平边3.1、第二水平边3.2、第一倾斜边3.3、第二倾斜边3.4、第一垂向边3.5和第二垂向边3.6；

其中，第一水平边3.1与第二水平边3.2呈平行设置；

第一垂向边3.5与第二垂向边3.6呈平行设置；

第一倾斜边3.3的倾角大于第二倾斜边3.4的倾角；

第一水平边3.1上设置锥头胀壳凹槽3.11，锥头胀壳凹槽3.11的作用类似于弹簧片，方便水力膨胀内壳5向外侧胀开，扩大水力膨胀内壳5的膨胀范围；

第一水平边3.1和第二倾斜边3.4均设置在凹槽结构5.1的内壁上，锥头胀壳3通过其整体结构，设置在凹槽结构5.1的内壁上、且位于内杆锥头4与凹槽结构5.1之间，通过第二内杆锥头结构4.2、第三内杆锥头结构4.3和锥头胀壳3的运动，迫使凹槽结构5.1发生径向膨胀，提供锚杆轴向的支护阻力。

进一步地，在围岩发生变形前，第二内杆锥头结构4.2和第三内杆锥头结构4.3均位于凹槽结构5.1内；第二水平边3.2位于第二内杆锥头结构4.2上，第二垂向边3.6位于第一内杆锥头结构4.1端部、且位于第一内杆锥头结构4.1与第二内杆锥头结构4.2之间，第一倾斜边3.3位于第二内杆锥头结构4.2与第三内杆锥头结构4.3之间，第一垂向边3.5位于第三内杆锥头结构4.3与凹槽结构5.1的内壁之间；通过注水口8进行注水，使水力膨胀外壳6紧贴钻孔壁和水力膨胀内壳5紧贴内杆结构，由于水力膨胀外壳6的径向膨胀，对钻孔提供杆体径向预应力的施加，且通过托盘9和螺母10将锚杆固定在钻孔2中、且通过托盘9和螺母10完成杆体轴向预应力的施加，同时实现锚杆杆体轴向和径向的预应力施加；

在围岩发生变形后，凹槽结构5.1径向膨胀，第三内杆锥头结构4.3位于凹槽结构5.1内，第一倾斜边3.3与第三内杆锥头结构4.3的锥形外壁接触，当围岩发生变形时，内杆锥头4与水力膨胀内壳5的发生相对摩擦滑动，实现锚杆结构大变形，通过内杆锥头4和锥头胀壳3迫使水力膨胀内壳5发生径向膨胀，提供锚杆轴向的支护阻力。

更进一步地，水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6的端部通过高强度粘结剂11密封连接，高强度粘结剂11为各种能满足强度要求的胶，为有市售产品，保证水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6的密封性，通过注水口8进行注水，使水力膨胀外壳6紧贴钻孔壁和水力膨胀内壳5紧贴内杆结构，对钻孔提供杆体径向预应力的施加。

更进一步地，在步骤三中，内杆锥头4与凹槽结构5.1发生相对摩擦滑动，在内杆锥头4和锥头胀壳3的作用力下，凹槽结构5.1发生径向膨胀、且增加轴向尺寸，通过变形后的大变形预应力水力膨胀锚杆、维持对钻孔2施加径向预应力，且通过托盘9和螺母10完成对钻孔2施加轴向预应力，当围岩发生变形时，内杆锥头4与水力膨胀内壳5的发生相对摩擦滑动，实现锚杆结构大变形，通过内杆锥头4和锥头胀壳3迫使水力膨胀内壳5发生径向膨胀，对钻孔周围岩体施加三向应力，提供锚杆轴向的支护阻力。

本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆的使用方法，包括如下步骤，

步骤一：在围岩1上形成钻孔2；

步骤二：将所述大变形预应力水力膨胀锚杆放入钻孔2中，通过注水口8向水力膨胀内壳5与水力膨胀外壳6之间的间隙注水，使水力膨胀外壳6紧贴钻孔2孔壁、且水力膨胀内壳5紧贴内杆结构12，通过托盘9和螺母10将内杆结构12固定在钻孔2中，以完成所述大变形预应力水力膨胀锚杆的安装；

安装完毕后，由于水力膨胀外壳6的径向膨胀，对钻孔2提供了锚杆杆体径向预应力的施加，通过托盘9和螺母10完成锚杆杆体轴向预应力的施加，同时实现了锚杆杆体轴向和径向的预应力施加；

步骤三：当围岩发生变形时，内杆锥头4与水力膨胀内壳5发生相对摩擦滑动，通过内杆锥头4和锥头胀壳3迫使水力膨胀内壳6发生径向膨胀，实现锚杆结构大变形，通过托盘9和螺母10完成锚杆杆体轴向预应力的施加，实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，提供所述大变形预应力水力膨胀锚杆轴向的支护阻力；本发明所述锚杆径向的应力通过水力膨胀外壳膨胀后对钻孔壁紧密贴合来实现，本发明对钻孔周围岩体同时施加杆体轴向和径向预应力(对钻孔周围岩体同时施加杆体轴向和径向预应力是提高围岩稳定性的支护手段，最终是为了用在深部岩体工程支护中)；克服了现有锚杆对钻孔壁无径向支撑，无法使锚杆孔周围岩恢复真正的三向应力状态，无法满足深部岩体工程的支护要求的缺点。

本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆的使用方法，使用方便，以注水膨胀后紧贴钻孔壁提供锚固力，通过托盘和螺母提供杆体轴向预紧力，实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，通过内杆锥头与水力膨胀内壳的相对摩擦滑动、实现试样锚杆结构大变形的功能。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的大变形预应力水力膨胀锚杆与现有技术相比，当围岩发生变形前后，水力膨胀锚杆均能对钻孔提供三向应力，水力膨胀锚杆的可变形程度大，适用范围广。

其它未说明的部分均属于现有技术。