一种自适应抗剪切大变形锚杆

本发明涉及一种边坡工程、隧道工程、采矿工程中的锚杆，具体说是一种自适应抗剪切大变形锚杆。

背景技术：

21世纪以来全球气候剧烈变化，极端天气频发，导致地质灾害剧增，而滑坡以其危害性大、分布最广泛而广受关注。滑坡灾害造成巨大的损失和影响已引起国家的高度重视和社会的广泛关注，滑坡有效防控及科学评价是保障社会经济和人民生命财产安全的迫切需求。锚固技术以其主动性、安全性、经济性而在世界边坡工程、隧道工程、采矿工程中得到广泛运用，但传统的压力型/张力型锚固技术无法适应复杂的地质环境。滑坡沿滑动面发生剪切大变形，造成防治结构发生剪切破坏，抗滑体系失效，滑坡失稳破坏。

现有的锚杆由锚头、拉杆和锚固体组成。锚头由锚具、承压板、横梁和台座组成；拉杆采用钢筋、钢绞线制成；锚固体是由水泥浆或水泥砂浆将拉杆与土体连结成一体的抗拔构件。锚杆的不同段在土层内起的锚固作用不同。自由段处在可能滑动的不稳定土层中，可以自由伸缩，其作用是将锚头所承受的荷载传递到主动滑动面外的锚固段；锚固段处在稳定土层中，与周围土层牢固结合，将荷载分散到稳定土体中去。

目前，学者主要对两段式锚杆的结构进行改进，如葛云峰等发明了一种包括锚固段杆体、自由段杆体、套筒、恒阻块和连接套的新型抗剪切大变形锚杆，通过连接套产生弹性变形抵抗岩土体的剪切变形，而恒阻块则为锚杆提供恒阻力；也有学者在锚头部位通过提供锯齿状套管来实现抗剪切大变形。

目前学者所提供的抗剪切大变形锚杆结构从材料及结构方面对锚杆进行改进，但是均未改变锚杆本身受剪切作用力的状态，锚杆产生一定变形后就会容易发生剪切破坏，有的对材料的弹性性能有较高的要求。本发明则提供了一种新型抗剪切大变形锚杆，改变了锚杆受力状态，将剪切力转化为锚杆轴力，适应地质体剪切大变形。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种自适应抗剪切大变形锚杆，采用三段式和铰接的方式，提高了锚杆对大变形的自适应性和抗剪切的性能。

本发明自适应抗剪切大变形锚杆，包括自由段、抗剪切大变形段、锚固段；

所述抗剪切大变形段由锚固端连接杆、自由端连接杆和套管构成，所述套管，其一端内壁为螺纹，另一端内部设置卡齿；所述卡齿呈前缓后陡型（以自由段为前），卡齿角度、厚度均可以改变，进而可以实现不同大小的恒阻力及不同吸能路径；

所述锚固端连接杆，其后部设叉形接头，前段部分设螺纹，锚固端连接杆前端与套管螺纹端连接，锚固端连接杆后端通过叉形接头与锚固段前端铰链连接；叉形接头可以沿竖向发生转动，可以将地质体的剪切力转化为锚杆的轴力；

所述自由端连接杆一端插入到套管的带有卡齿的一段中，在卡齿的最后部位沿自由端连接杆周向设若干钢珠，自由端连接杆端部设螺栓，所述螺栓挡住钢珠，钢珠不会从自由端连接杆脱落；钢珠的直径大于自由端连接杆与套管内壁的间距，钢珠等间距布设在自由端连接杆的周向上，改变钢珠的直径与颗数可实现不同阻力；自由端连接杆另一端设叉形接头，通过叉形接头与自由段的后端铰链连接。

所述叉形接头铰接方式，还可以是套环、万向轴铰接方式。

本发明将锚杆由传统的自由段、锚固段两段式改变为自由段、抗剪切大变形段、锚固段三段式，抗剪切大变形段与自由段、锚固段采用铰接相连接，用以将剪切力转变为轴力，提高了反抗变形抗剪切性能，抗弯剪切大变形段由带连续卡齿的套管、钢珠、两段连接杆组成，钢珠切割套管中的卡齿来提供恒阻力。本发明对材料没有其他要求，可在现有材料基础上，采用铰接结构使得作用在锚杆上的剪力转化为轴力，抗弯剪切大变形段则通过钢珠切割卡齿来提供阻力，同时适应剪切变形，提高锚杆与滑坡协同变形过程和滑坡的长期稳定性。

附图说明

图1是本发明自适应抗剪切大变形锚杆结构示意图。

图2是抗剪切大变形段在钢珠部位的截面图。

图3是滑坡运动过程中本发明锚杆适应剪切变形示意图。

图4是钢珠切割套管适应大变形示意图。

图5是钢珠切割卡齿后实物照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

实施例

本发明自适应抗剪切大变形锚杆，包括自由段1、抗剪切大变形段2、锚固段3。所述抗剪切大变形段2，由锚固端连接杆21、自由端连接杆22和套管23构成，所述套管23为钢套管，其一端内壁为螺纹，另一端内部设置卡齿24；所述卡齿24呈前缓后陡型（以自由段为前），卡齿角度、厚度均可以改变，进而可以实现不同大小的恒阻力及不同吸能路径。所述锚固端连接杆21，其后部设叉形接头25，前段部分设螺纹6，锚固端连接杆21前端与套管23螺纹端连接，锚固端连接杆21后端通过叉形接头25与锚固段3前端铰链连接。叉形接头可以沿竖向发生转动，可以将地质体的剪切力转化为锚杆的轴力。所述自由端连接杆22一端插入到套管23的带有卡齿24的一段中，在卡齿24的最后部位沿自由端连接杆22周向设若干钢珠4，自由端连接杆端部设螺栓5，所述螺栓5挡住钢珠4，钢珠4不会从自由端连接杆22脱落；钢珠的直径大于自由端连接杆与套管内壁的间距，钢珠等间距布设在自由端连接杆22的周向上，改变钢珠的直径与颗数可实现不同阻力。自由端连接杆22另一端设叉形接头26，通过叉形接头与自由段的后端铰链连接。

试验过程（锚杆工作过程）：滑坡运动过程中，滑床不运动，滑带为剪切带，滑体沿运动方向运动。滑体运动带动锚杆自由段1沿运动方向运动，并带动锚杆抗剪切大变形段2运动，由于叉形接头可发生转动，作用在锚杆自由段1的剪切力转化为锚杆抗剪切大变形段2的轴力，拉动锚杆抗剪切大变形段2产生轴向运动；套管与锚固端连接杆21、自由端连接杆22发生偏转。在轴力作用下，锚杆自由端连接杆22带动螺栓5运动，螺栓5挤压钢珠4，将钢珠4压入卡齿24中，进而为自由端连接杆22提供阻力。随着滑体位移增大，叉形接头旋转，钢珠切割卡齿，位移逐渐增大。

本发明的关键点在于：将锚杆由传统的自由段、锚固段两段式改变为自由段、抗剪切大变形段、锚固段三段式，并且抗剪切大变形段与自由段、锚固段采用铰接相连接，用以将剪切力转变为轴力；抗弯剪切大变形段由带连续卡齿的套管、钢珠、内套管组成，钢珠切割套管中的卡齿来提供恒阻力。采用铰接结构使得作用在锚杆上的剪力转化为轴力，抗弯剪切大变形段则通过钢珠切割卡齿来提供阻力，同时适应剪切变形，提高锚杆与滑坡协同变形过程和滑坡的长期稳定性。

本发明中，叉形接头实现的铰接结构，可以还是套环、万向轴等其他可实现铰接的结构。抗剪切大变形段也可用负泊松比材料制作的恒阻块来提供恒阻力及大变形。

技术特征：

1.一种自适应抗剪切大变形锚杆，其特征是：包括自由段、抗剪切大变形段、锚固段；

所述抗剪切大变形段由锚固端连接杆、自由端连接杆和套管构成，所述套管，其一端内壁为螺纹，另一端内部设置卡齿；

所述锚固端连接杆，其后部设叉形接头，前段部分设螺纹，锚固端连接杆前端与套管螺纹端连接，锚固端连接杆后端通过叉形接头与锚固段前端铰链连接；

所述自由端连接杆一端插入到套管的带有卡齿的一段中，在卡齿的最后部位沿自由端连接杆周向设若干钢珠，自由端连接杆端部设螺栓，所述螺栓挡住钢珠，钢珠不会从自由端连接杆脱落；自由端连接杆另一端设叉形接头，通过叉形接头与自由段的后端铰链连接。

2.根据权利要求1所述的自适应抗剪切大变形锚杆，其特征是：所述卡齿呈前缓后陡型。

3.根据权利要求1所述的自适应抗剪切大变形锚杆，其特征是：所述钢珠的直径大于自由端连接杆与套管内壁的间距，钢珠等间距布设在自由端连接杆的周向上。

4.根据权利要求1所述的自适应抗剪切大变形锚杆，其特征是：所述叉形接头替换为套环、万向轴，用以实现铰接。

技术总结
本发明公开了一种自适应抗剪切大变形锚杆，包括自由段、抗剪切大变形段、锚固段。所述抗剪切大变形段由锚固端连接杆、自由端连接杆和套管构成。锚固端连接杆，前端与套管螺纹端连接，锚固端连接杆后端通过叉形接头与锚固段前端铰链连接。自由端连接杆一端插入到套管的带有卡齿的一段中，在卡齿的最后部位沿自由端连接杆周向设若干钢珠，自由端连接杆端部设螺栓，螺栓挡住钢珠并挤压钢珠切割卡齿提供阻力，适应大变形；自由端连接杆另一端通过叉形接头与自由段的后端铰链连接。本发明锚杆，抗剪切大变形段与自由段、锚固段采用铰接相连接，用以将剪切力转变为轴力，提高了抗变形抗剪切性能，通过钢珠切割套管中的卡齿来提供恒阻力。

技术研发人员：周昌;隋旺华;黄诚
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.06.02
技术公布日：2021.07.23