一种带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆的制作方法

本发明涉及岩土工程锚杆锚固技术领域，尤其是涉及一种带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆。

背景技术：

在岩土工程领域，预应力锚杆锚固作为一种柔性支护的岩土体结构加固技术，广泛应用于建筑基坑、边坡、矿井隧道以及库坝等工程中。现代支护理论认为应将岩土体与支护结构视作由两种材料组成的复合体系而共同发挥承载作用，容许支护－围岩体系产生有限制的协调变形，以最大限度发挥围岩的自承能力而减少支护结构的承载力，即认为预应力锚杆具有“柔性支护”特征。预应力锚杆发挥柔性支护的关键在于如何正确处理支护－围岩体系所构成复合系统的“支护强度”和“支护刚度”问题。

目前工程上常见预应力锚杆有机械胀壳预应力锚杆、树脂预应力锚杆和水泥药卷预应力锚杆等。

机械胀壳锚杆适用于坚硬围岩，依靠胀壳与洞壁围岩间的机械嵌固力提供预应力，而一旦与楔形体胀壳刚性接触的、有限面积的围岩发生变形或破坏时，极易导致锚杆发生松弛，造成预应力短时间内严重丧失，复合系统的“支护刚度”不够而造成了预应力损失，后期对锚杆的补拉作业不仅费时费力，且早已错过了最优支护时机，其支护效果及经济效益均大大降低。

树脂预应力锚杆和水泥药卷预应力锚杆主要通过浆体充填复合系统存在的缝隙，以加大锚固端与锚固基体洞壁间接触面积，变相增加了复合系统的“支护刚度”，该类型锚杆锚固一定意义上已经不属于柔性支护的范畴，因为柔性支护强调“容许支护－围岩体系产生有限制的协调变形”，但无论将树脂材料还是水泥材料作为凝固浆液，其凝固后整体刚度较大，一旦外部环境变化使围岩应力场发生变化而造成一定范围内浆、岩或浆－岩接触面发生破裂时，外加预应力的拉拔作用极易导致整个复合系统发生连锁性开裂破坏，锚杆锚固力也会逐渐降低甚至失锚，类似锚杆难以满足柔性支护所遵循的“容许支护－围岩体系产生有限制协调变形”的要求，支护－围岩体系存在因“支护刚度”过高而导致“支护强度”不足的问题；进一步的，浆液本身具有的凝固期会导致施工周期较长，而现代支护理论已经越来越重视到岩土体结构的支护时机问题，对于需要考虑支护时机的工程，类似注浆锚杆有可能使我们失去最优支护时机，并且对于某些需要提供瞬时支护力的滑坡、围岩塌陷等抢险工程，此类注浆锚杆更是无法应用。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆，优化解决了支护－围岩复合体系存在的“支护强度”和“支护刚度”问题，使外加预应力能够同步、均匀地承担于锚固端，有效提高了预应力锚杆设计强度。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆，包括顶端螺接有套筒的杆体，所述套筒内设置有活动底座，所述活动底座下表面固连有弹性元件，活动底座上表面固连有一组反钩爪，所述反钩爪的爪头延伸至套筒外，反钩爪的钩柄与设置在套筒顶端的承载环通过锯齿状卡槽配合连接。

所述杆体螺接在套筒内，且杆体顶部设置有与所述弹性元件相配合的凹槽。

所述反钩爪为高弹性不锈钢制成的外扩形钩状结构，其沿承载环周向均匀设置。

所述锯齿状卡槽为单向锁定式结构，所述反钩爪相对于承载环向上单向运动。

本发明提供的带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆，结构简单，设计巧妙，充分发挥了预应力锚杆柔性支护的特性，优化了支护－围岩体系的“支护刚度”和“支护强度”配置，通过锚固端与锚固基体孔壁间的机械嵌固力提供预应力，配合锚固端巧妙构造使预应力均匀、同步承担于锚固端装置上，增加了锚杆预应力：一方面使杆体能够牢牢锚固于洞壁围岩内，并能够随洞壁围岩的变形或应力场的变化进行自锚式锚固，有效保护了整个支护－围岩复合体系的稳固性；另一方面装置安装后即可立即进行预应力张拉以提供瞬时锚固力，充分体现了现代支护理论对“支护时机”的要求，非常适用于边坡、坝体及地下硐室等工程瞬时或永久性锚固支护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中反钩爪和活动底座的结构示意图。

图3是图1中承载环的结构示意图。

图4是图1中承载环和反钩爪通过锯齿状卡槽配合连接的结构示意图。

图5是本发明处于锚固状态的结构示意图。.

图中：1—套筒；2—杆体；3—活动底座；4—弹性元件；5—反钩爪；6—承载环；7—锯齿状卡槽；8—外锚固件。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明所述的带反钩爪的柔性自锚式预应力锚杆，包括套筒1和杆体2，杆体2顶端螺接在套筒1内，并通过旋拧顶进或退出，杆体2尾部则延伸至岩土体外侧，并与外锚固件8相连。套筒1内安装有活动底座3，活动底座3下表面固连有作为弹性元件4的压缩弹簧。该压缩弹簧可与杆体2顶部自由接触，通过杆体2的顶进或退出，可控制压缩弹簧在套筒1内的位置及压缩量，并可以推动活动底座3的上移。为了确保压缩弹簧位于中心轴线处，在杆体2顶部开设有与压缩弹簧外径相配合的凹槽。

活动底座3的上表面焊接有三个沿周向均匀分布的反钩爪5，反钩爪5为外扩形钩状结构，每个钩状爪头均延伸至套筒1外，钩柄则与螺接在套筒1顶部的承载环6通过锯齿状卡槽7配合连接。承载环6优选高度大于40mm、厚度大于15mm的不锈钢圆环。进行锚固前，钩柄缩入套筒1内并具有较强的外弹趋势，进行锚固操作时，随着活动底座3的上移，钩柄伸出套筒1并向外弹出，使钩柄外侧的锯齿状卡槽7.1与承载环6内边缘处的锯齿状卡槽7.2紧密贴合，同时，爪头向外伸展开并嵌入到洞壁围岩当中。具体设计时，由于锚杆主要依靠爪头与洞壁围岩间的机械锚固力来提供预应力，因此当预应力需求较大时，对爪头的刚度要求较高；同时，由于爪头在洞壁围岩当中的锚固稳定程度以及锚固力一定程度上依赖于其在洞壁围岩当中的展开程度，因此具体设计时对钩柄的弹性要求较高，反钩爪5由高弹性不锈钢（可优先选用刚度及强度较高的sus301不锈钢材料）制成。为了使反钩爪5相对于承载环6做单向的向上运动，锯齿状卡槽7采用单向锁定式结构。具体地，钩柄外侧的锯齿状卡槽7.1的钩齿均倾斜向下设置，承载环6内边缘处锯齿状卡槽7.2均倾斜向上设置，当反钩爪5向上运动时，钩柄外侧的锯齿状卡槽7.1和承载环6内边缘处锯齿状卡槽7.2相互配合形成锁定，可以充分阻止反钩爪5向下运动。

使用时，首先将本发明装置植入已经打好的钻孔内，然后通过转动外锚固件8带动杆体2旋转顶进，推动压缩弹簧上移并增加其压缩量，活动底座3随之上移，反钩爪5的爪头沿承载环6内边缘处的锯齿状卡槽7.2不断外伸、展开并嵌入到洞壁围岩当中以提供预应力；随着杆体2的不断旋转上移反钩爪5爪头与洞壁围岩间嵌固力逐渐增大，实际应用时可根据锚杆预应力设计强度调整杆体2的旋转量。

施加预应力时，杆体2将预应力通过套筒1传递于承载环6上，承载环6受到锯齿状卡槽7所传递的反钩爪5上的嵌固力将该预应力进行了平衡，以此来进行预应力锚固；承载环6一方面完成了锚固端嵌固力与预应力的平衡，另一方面承载环6还可以使三个反钩爪5受力同步、均匀，并将爪头在洞壁围岩中的嵌固力均匀传递于承载环6上；爪头和承载环6内边缘处的锯齿状卡槽7.2紧密卡接有效防止了爪头在受拉时被重新拉入套筒1内部；钩柄的高弹特性能够保证钩柄外侧的锯齿状卡槽7.1能够一直紧贴于承载环6上，以保证爪头能够稳定嵌固于洞壁围岩当中；杆体2与压缩弹簧在凹槽内自由接触，并保证压缩弹簧不会随杆体2的旋转而旋转，防止压缩弹簧因过分旋转而破坏。

进一步地，预应力施加完成后，当外界应力场发生变化致使洞壁围岩或者整个支护－围岩体系应力状态发生改变时，压缩弹簧所具有的高弹性能可使其自身压缩量发生变化，进而控制反钩爪5的爪头在洞壁围岩当中的嵌入程度以进行自锚式锚固，改变复合体系所处应力状态以适应外部应力场的变化，进而保护整个支护－围岩体系不被破坏，一定程度上降低了“支护刚度”而增加了“支护强度”，并且整个装置进行自锚式锚固可有效防止预应力短时间内发生严重损失。

进一步地，当实际工程需要对锚杆进行回收时，只需逆时针转动杆体2，就可以使杆体2与套筒1脱离，进而拔出杆体2，可对部分装置进行回收，减少了地下垃圾形成，大大降低了锚固支护工程对相邻地块的施工和城市的长远规划及可持续发展的不利影响，大大提高了经济效益及社会效益。