一种自适应大变形预应力锚杆

本发明属于锚杆，具体为一种自适应大变形预应力锚杆。

背景技术：

锚杆作为岩土体锚固的杆件体系结构，工程技术中常用于岩土边坡支护、基坑支护、隧道支护等加固工程中。岩土体由于抗拉能力较低，容易发生边坡破坏，而锚杆具有较好的纵向抗拉能力，与岩土体形成新的复合体后能够克服岩体抗拉能力弱的缺点。锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道稳定的目的使岩土体的承载能力大大增强。

锚杆虽然支护效果好，施工简单，但是传统的锚杆很容易在受到围岩变形、岩体深层破裂变形或冲击荷载时(如地震作用或者岩爆情况下)，由于锚杆自身的延伸率低而在极限应力下发生变形被拉断，致使锚杆支护体系失效。传统锚杆允许变形量一般是在200mm以下，随着地下施工深度的加大，地质环境变得愈发复杂，深基坑工程和隧道工程在施工过程中也经常发生因深层岩体破碎导致大变形的现象，各种由于岩体大变形破坏的安全事故时有发生，以普通锚杆为基础的支护技术已经不能适应围岩的大变形而导致支护体系失效。

针对现有锚杆已经不适应围岩大变形的问题，需要设计出一种新型锚杆支护方法，既要满足支护强度的要求，同时还要满足在围岩大变形情况下继续保证支护质量。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种提高锚杆延伸率、增大锚杆伸长量、保障支护环境安全的自适应大变形预应力锚杆。

技术方案：本发明所述的一种自适应大变形预应力锚杆，包括中空杆体一、挡板一、弹簧、挡板二和中空杆体二，中空杆体一、中空杆体二伸出套筒，挡板一、弹簧、挡板二设置在套筒内，弹簧的一端通过挡板一与中空杆体一相连，另一端通过挡板二与中空杆体二相连，弹簧内穿过管道，管道与中空杆体一、中空杆体二相联通，中空杆体二与气囊相联通。通过高强度弹簧的压缩而被拉长，锚杆能提供恒定的约束力，以适应围岩的变形或将深层冲击荷载所产生的能量转化为弹簧的弹性势能，确保锚杆不在极限应力状态下瞬间失效，增大了锚杆的延伸率，并有效地缓冲了围岩变形或冲击荷载产生的能量，能够长时间稳定围岩，具有良好的支护作用。

进一步地，套筒的两端设置封盖，封盖通过螺栓压紧。套筒、封盖、挡板一、挡板二、中空杆体一、中空杆体二围合而成的空间内填充树脂材料。树脂材料为环氧树脂，树脂材料可以保持吸能状态，使锚杆缓慢的变形，保持完整的传力区域，确保锚杆的高效性及安全性。

进一步地，中空杆体一与托盘相连，托盘通过螺母压紧。托盘紧贴围岩壁。

进一步地，弹簧的外径与套筒的内径相等。弹簧的弹性模量为200mpa以上，优选为65mn高强度弹簧。弹簧的外侧贴有用于测量应力值的应变片，应变片与控制器、报警器相连，当应变片测得应力值若大于设计值时，通过控制器将产生报警。

进一步地，中空杆体二的一端设置外螺纹，气囊上设置充气口，充气口内侧设置内螺纹，外螺纹与内螺纹相匹配，气囊部分为预制构件，方便现场组装和运输，构件或气囊损坏可进行更换。同时气囊表面设置若干球形凸起，注浆后可增大与接触岩体的接触面积，增大摩擦力，有利于增大锚杆的锚固力。

工作原理：完成钻孔注浆进行预应力张拉后，当围岩发生小变形时，套筒外壁螺纹、锚杆螺纹与浆体的咬合能分担锚杆拉力达到支护效果。锚杆端部设置的气囊部分能在注浆后体积膨大形成大头锚杆，表面设置的球形凸起能进一步增大锚杆的抗拔力。当围岩发生较大变形或支护结构深层发生岩爆等较大冲击荷载时，中空杆体一与中空杆体二发生远离运动。在拉力的作用下，高强度的弹簧将逐渐被拉开。在弹簧被拉开过程中，树脂材料一直保持吸能状态，保证锚杆缓慢的变形，继续保持完整的传力区域，确保锚杆支护体系的高效性及安全性。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、能够满足支护强度的要求，同时能满足在围岩大变形情况下继续保证支护质量，提高了锚杆延伸率，增大了锚杆伸长量，对隧道岩爆、煤矿冲击地压等突发灾害能够起到有效的缓冲和治理作用，能够保障支护环境安全；

2、当围岩发生较大冲击荷载时，在拉力的作用下，在弹簧将逐渐被拉开的过程中，树脂材料保持吸能，保证锚杆缓慢地变形，能够继续保持完整的传力区域，确保锚杆支护体系的高效性及安全性；

3、设置预制构件气囊，方便现场组装和运输，构件或气囊损坏可进行更换。在钻孔注浆后能够体积膨大形成大头锚杆，其表面设置的若干球形凸起能增大锚杆端部和岩体的接触面积，增大摩擦力，有利于进一步增大锚杆的抗拔力；

4、套筒内的高强度弹簧上贴有用于测量弹簧在拉伸时产生应变的应变片，应变片另一端与控制器和报警器相连接，控制器采用太阳能电池，控制器上设置有显示器，可查看由应变片测出的应变值计算出的弹簧实时应力值，当应变片测得应力值若大于设计值时，控制器产生电流，连接报警器产生预警，起到边坡防护预警作用，提高安全性。

附图说明

图1是本发明第一种工作状态的剖视图；

图2是本发明第二种工作状态的剖视图；

图3是本发明气囊8处的局部放大图；

图4是本发明应变片13处的局部放大图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1，自适应大变形预应力锚杆的中空杆体一1与托盘11通过螺纹固定连接，托盘11通过螺母12压紧，紧贴围岩壁。套筒6两端有封盖9，通过螺栓10分别与中空杆体一1、中空杆体二5固定连接。中空杆体一1、中空杆体二5相对平行设置。弹簧3的一端通过挡板一2与中空杆体一1固连，另一端通过挡板二4与中空杆体二5固连。中空杆体二5与气囊8螺纹固定连接。套筒6、封盖9、挡板一2、挡板二4、中空杆体一1、中空杆体二5围合而成的空间内填充有树脂材料15。树脂材料15为环氧树脂，树脂材料15可以保持吸能状态，使锚杆缓慢的变形，保持完整的传力区域，确保锚杆的高效性及安全性。当围岩发生小变形时，套筒6外壁螺纹、锚杆螺纹与浆体的咬合能分担锚杆拉力达到支护效果。

如图2，安装好套筒6以后，进行注浆和预应力张拉，通过中空杆体一1、管道7、中空杆体二5进行注浆，浆液填充至气囊8。随后气囊8由于具有弹性，体积逐渐膨大，形成扩大头锚杆，增加锚杆的抗拔力。气囊8由合成橡胶和高强度纤维布硫化而成，具有很好的抗胀强度，弹性、柔韧性，能满足在各种工作条件下的施工使用。气囊8的表面设置若干球形凸起，可增大与接触岩体的接触面积，增大摩擦力，进一步地增大锚头的锚固能力。当围岩发生较大变形或支护结构深层发生岩爆等较大冲击荷载时，中空杆体一1与中空杆体二5发生远离运动。在拉力的作用下，高强度的弹簧3将逐渐被拉开。在弹簧3被拉开过程中，树脂材料15一直保持吸能状态，保证锚杆缓慢的变形，继续保持完整的传力区域，确保锚杆支护体系的高效性及安全性。

如图3，中空杆体二5的一端有外螺纹，气囊8上设有充气口14，充气口14的内侧设有内螺纹，外螺纹与内螺纹相匹配，用于将中空杆体二5与气囊8螺纹固定连接，紧密连接不漏气。

如图4，弹簧3的内部中央有管道7，用于提供中空杆体一1与中空杆体二5的联通通道。弹簧3的外侧贴有用于测量弹簧3拉伸时产生的应变值的应变片13，应变片13与控制器、报警器相连，控制器采用太阳能电池，控制器上设置有显示器，可查看由应变片13测出的应变值计算出的弹簧3实时应力值。当通过应变片13测算出的应力值大于设计值时，控制器产生控制电流，连接报警器产生预警。起到边坡防护预警作用，提高安全性。弹簧3的外径与套筒6的内径相等。弹簧3的弹性模量为200mpa以上，优选为65mn高强度弹簧3。

上述自适应大变形预应力锚杆的具体施工方法，包括以下步骤：

a、安装锚杆时，先进行钻孔，锚孔大小要能保证套筒6正常进入岩体内部；

b、组合锚杆结构，将自然状态的气囊8与锚杆尾部连接，连接套筒6，添加树脂材料15，这样的结合方式给套筒6内提供了良好的封闭空间，便于安装的同时，还能防止施工注浆时浆液渗入套筒6内，影响高强度弹簧3的工作；

c、安装封板，通过螺栓10固定连接；

d、将应变片13通过预留再套筒6内的缝隙，接长线放置在托盘11上。根据公式σ＝ε×e，已知弹簧3的弹性模量，根据测出的应变，可以计算出弹簧3的应力，可以知道锚杆的状态。