一种变位移大变形锚杆

1.本发明属于地下工程防护设备，具体涉及一种变位移大变形锚杆。


背景技术：

2.随着国家资源向深地、深海、深空以及深蓝方向采取，高效利用和开发深部资源，为地球科学的发展带来了巨大的机遇和挑战。有研究表明，如果我国矿产开发的深度达到2000米以上，我国的矿产资源探明储量可以在现有基础上实现较大增长。另外，我国城市地下空间的开发水平和国外相比还存在较大差距。但是，深部资源的开采以及深部地下工程的建设，往往受到高地应力、高渗透压力、高地温以及强烈开采扰动的影响，因此围岩大变形问题是困扰深部岩石工程施工的主要难题。采用锚杆支护来解决围岩大变形问题是当前深部岩石工程中较为广泛的方法。但是，传统锚杆的延伸率低，不能很好地解决深部岩石工程中的大变形问题在中国专利文献cn114542142a公开了一种自锁式大变形吸能锚杆及锚杆装置，包括套管预留孔和弧形自锁卡扣，该专利采用锚杆杆体、卡扣和套管预留孔配合来实现锚杆的大变形，吸收围岩变形产生的能量。但是该型锚杆存在两个缺点：1、锚杆杆体为变截面，（第[0014]记载：锚杆杆体7设有凸凹起伏的压剪段6；第[0015]记载：收口套管1前端的收口内径比锚杆杆体7的直径大0.5mm，压剪段6最大外径比收口套管1的收口内径大2.5~4 .5mm），根据该发明的工作原理，（第[0019]段记载：收口套管1移动的过程中会不断的剪断压剪段6的凸起部分）锚杆产生位移过程中会剪断压剪段的凸起部分，因为该发明的套筒内存在较多的弧形卡扣，这些被破坏的凸起部分会残留在套筒内卡住弧形卡扣，使得锚杆杆体难以再产生更多的位移。
[0003]
2、该锚杆在产生位移过程中会剪断压剪段，（第[0019]记载：收口套管1移动的过程中会不断的剪断压剪段6的凸起部分）而该压剪段是锚杆杆体的一部分，收口套管在破坏压剪段过程中会导致杆体局部的损伤，在杆体局部引起应力集中，导致锚杆杆体破坏，这将大大地减弱该型锚杆的锚固效果。
[0004]
大变形是指：与锚杆的几何尺寸相比，变形量不可忽略的变形，且锚杆在发生变形后，变形不能恢复，锚固力随着锚杆变形而变化。
[0005]
与现有锚杆单一受拉产生变形相比，本发明的锚杆杆体除受拉产生变形外，杆体会造成套筒破坏，使锚杆杆体产生滑移，本发明中的锚杆位移包含杆体受拉变形位移和锚杆杆体滑移位移两部分，属于大变形锚杆。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种变位移大变形锚杆，它能够实现锚杆装置的大位移变形，且能够提供可靠的支护力，保证地下工程围岩的安全与稳定。
[0007]
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括锚杆杆体、套
筒、钢板托盘、螺母和限位卡扣；套筒尾段沿轴向开有至少两列对称的预留孔，锚杆杆体尾部固定有限位卡扣，锚杆杆体穿过套筒，套筒套在锚杆杆体后段外围，限位卡扣卡止在套筒的预留孔中，螺母与套筒外壁螺纹配合压住钢板托盘以加固围岩。
[0008]
套筒按一定规则对称布设了系列预留孔，当锚杆杆体通过限位卡扣作用于套筒时，套筒抵压限位卡扣，从而在围岩中产生锚固力。当围岩发生大变形时，限位卡扣会破坏套筒局部的预留孔，进而使得套筒产生位移，随着围岩变形的发展，套筒两侧的预留孔会逐渐被限位卡扣破坏，就实现了锚杆装置的大位移。
[0009]
限位卡扣会引起套筒中预留孔破坏，从而使得锚杆装置产生大位移，并通过合理设置套管中预留孔间距，使得锚杆在大位移过程中还能提供足够的锚固力。
[0010]
与现有技术相比，本发明技术效果是：1、本发明结构简单，适用性高，在保证锚杆支护力稳定可靠的同时也能产生较大的位移；2、本发明产生的大位移是可控的；3、本发明的套管中布设有系列的预留孔，锚杆产生大位移的过程是预留孔的逐个破坏导致的，因此在动荷载作用下，本发明的锚杆能有较长的响应时间，避免锚杆产生瞬时的破坏，能在一定程度上抵御爆炸冲击荷载。
附图说明
[0011]
本发明的附图说明如下：图1为本发明的结构示意图；(a)、轴向剖视图；（b）、径向截面图；图2为图1中套筒的结构细节展示图；(a)、径向截面图；(b)、周面展开图；(c)、预留孔局部放大图；图3 为图2中套筒上的预留孔形状图； (a)、第i预留孔；(b)、第ii预留孔；(c)、第iii预留孔；图4为图1中限位卡扣的结构示意图；(a)、立体图；(b)、正视图；(c) 俯视图；图5(a) 为本发明的套筒在预留孔处承受限位卡扣的受力示意图；图5(b) 为本发明的限位卡扣造成预留孔破坏的示意图。
[0012]
图中：1、锚杆杆体；2、套筒； 3、钢板托盘； 4、螺母；5、限位卡扣； 6、围岩； 7、第i预留孔；8、第ii预留孔；9、第iii预留孔；10、圆形钢筒；11、钢板。
实施方式
[0013]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“前端”、“尾部”进行区分，所述“前端”、“尾部”是依据附图1的安放方式，锚杆插入围岩的一端称为“前端”，靠近注浆口的部分称为锚杆“尾部”，方位名称不能视为对专利保护范围的限制。
14.如图1所示，本发明包括锚杆杆体1、套筒2、钢板托盘3、螺母4和限位卡扣5；套筒2尾段沿轴向开有至少两列对称的预留孔，锚杆杆体1尾部固定有限位卡扣5，锚杆杆体1穿过
套筒，套筒2套在锚杆杆体1后段外围，限位卡扣5卡止在套筒2尾端的第一个预留孔中，螺母4与套筒外壁螺纹配合压住钢板托盘3以加固围岩。
[0015]
如图2所示，套筒2壁沿轴向开有上、下两列对称的预留孔；从套筒尾部边口依次排列第i预留孔7、第ii预留孔8、第iii预留孔9，各预留孔之间留有间距d。
[0016]
套筒的预留孔的布置考虑了限位卡扣对套筒的破坏方式，还考虑了锚杆设计的最大支护力。套筒2上有三种预留孔分别是：第i预留孔7、第ii预留孔8和第iii预留孔9，第i预留孔7位于套筒的边口，第iii预留孔9位于预留孔队列的最末端，第ii预留孔8等间距布置在第i预留孔7和第iii预留孔9之间。此外，第i预留孔7的宽度和深度应使得限位卡扣5的钢板11能放入其中，第ii预留孔8为菱形，选择孔与孔之间的距离d应该使得锚杆在达到设计的支护力之前不破坏。此外，为了使得本发明的锚杆在产生大位移时提供比较恒定的支护力，如图2（c）所示，所有预留孔之间的距离d相等。
[0017]
如图3所示，图3（a）示出了第i预留孔7为带尖嘴的平直口；图3（b）示出了第ii预留孔8为菱形开口，图3（c）示出了第iii预留孔9为三角形开口。图3中，β表示v形口的角度，l表示v形口的边长。为了使得限位卡扣5在破坏预留孔时，锚杆杆体1中的力近似相同，图3中预留孔v形口角度β相同，预留孔v形口边长l相同。
[0018]
第i预留孔7用于形成初始的锚杆支护力；第ii预留孔8采用菱形孔，用于控制锚杆在大位移过程中限位卡扣造成套筒破坏的方式，同时菱形孔之间的距离用于控制锚杆产生大位移过程中所能提供的恒定支护力；第iii预留孔9用于限制大变形锚杆装置的最大位移，并为大位移后的锚杆装置提供最终的支护力。
[0019]
如图4所示，限位卡扣5由圆形钢筒10和钢板11组成，本实施例中，两块钢板11对称地固定在圆形钢筒10外侧壁。限位卡扣5通过螺纹与锚杆杆体1相连，两块钢板11卡进套筒2两列对称的预留孔内。
[0020]
锚杆组装时，首先，把限位卡扣5通过圆形钢筒10与锚杆杆体1采用螺纹连接的方式牢固地连在一起，接着，把组装后的锚杆杆体穿过套筒2通过限位卡扣5上的钢板11压住套筒上的第i预留孔7，然后，把组装后的锚杆嵌入需要被加固围岩6，并进行锚杆灌浆处理，最后，从套筒2尾端旋进螺母4，螺母4压住钢板托盘3以加固围岩。
[0021]
本发明中锚杆产生大位移的原理是：限位卡扣引起套筒中预留孔的逐个破坏，使得套筒产生滑动。随着锚杆支护力的增大，超过锚杆的设计支护力时，限位卡扣5会引起套筒2上预留孔破坏，进而，套筒2就会沿着预留孔的破坏方向滑动，使得套筒2产生位移；由于套筒2中可以设置多个预留孔，随着预留孔的逐个破坏，套筒2就能够产生大位移。
[0022]
限位卡扣5作用于套筒2上时，套筒2将受到力的作用，如图5（a）所示，铁块11对预留孔的作用可以简化为两个集中力；然后，当预留孔发生破坏时，根据文献”brittle fracture assessment of engineering components in the presence of notches: a review”, ayatollahi, m. r., torabi, a. r., rahimi, a. s., fatigue&fracture of engineering materials&structures, 2016, 39(3), 267
–ꢀ
291, (“存在缺口情况下的工程构件脆性断裂评估：综述”, ayatollahi, m. r., torabi, a. r., rahimi, a. s., 工程材料与结构的疲劳与断裂,2016,39卷3期,267-291页)的记载，限位卡扣5引起的套筒局部破坏如图5（b）所示；接着，限位卡扣5将滑动到下一个预留孔。由于预留孔的这种v形口设置，套筒2将沿着预留孔的方向滑动，使得锚杆装置产生大位移，并使得套筒不会发生整体
的破坏。
[0023]
第iii预留孔9的设置由锚杆的设计最大变形量决定。其次，由图3（a）、图3（b）和图3（c）可知，限位卡扣5在第iii预留孔9 中的受力，不同于第i预留孔7和第ii预留孔8。限位卡扣5作用在第iii预留孔9中的力，不得破坏套筒，使得套筒不再产生滑动位移。因此，必要时，可以对第iii预留孔9进行必要的加固措施，比如对第iii预留孔9进行倒角处理，以避免应力集中现象的出现。
[0024]
所以套筒预留孔的布置考虑了限位卡扣对套筒的破坏方式，还考虑了锚杆设计的最大支护力。限位卡扣5在实际使用时，圆筒10与铁块11组合后的宽度可以稍微大于套筒2的直径，避免限位卡扣5与套筒2配合作用时，限位卡扣5滑入套筒2中。

技术特征：
1.一种变位移大变形锚杆，包括锚杆杆体（1）、套筒（2）、钢板托盘（3）和螺母（4），其特征是：还包括限位卡扣（5），套筒（2）尾段沿轴向开有至少两列对称的预留孔，锚杆杆体（1）尾部固定有限位卡扣（5），锚杆杆体（1）穿过套筒，套筒（2）套在锚杆杆体（1）后段外围，限位卡扣（5）卡止在套筒（2）尾段的预留孔中，螺母（4）与套筒外壁螺纹配合压住钢板托盘（3）以加固围岩。2.根据权利要求1所述的变位移大变形锚杆，其特征是：套筒（2）从尾部边口沿轴向依次排列第i预留孔（7）、第ii预留孔（8）、第iii预留孔（9），各预留孔之间留有间距d。3.根据权利要求2所述的变位移大变形锚杆，其特征是：所述第i预留孔（7）为带尖嘴的平直口；所述第ii预留孔（8）为菱形开口，所述第iii预留孔（9）为三角形开口。4.根据权利要求3所述的变位移大变形锚杆，其特征是：所述第i预留孔（7）、第ii预留孔（8）和第iii预留孔（9）的v形口角度β均相同，预留孔v形口边长l均相同。5.根据权利要求1至4任一所述的变位移大变形锚杆，其特征是：所述限位卡扣（5）由圆形钢筒（10）和钢板（11）组成，钢板（11）对称地固定在圆形钢筒（10）外侧壁。6.根据权利要求5所述的变位移大变形锚杆，其特征是：限位卡扣（5）通过螺纹与锚杆杆体（1）相连，两块钢板（11）卡进套筒（2）两列对称的预留孔。7.根据权利要求5所述的变位移大变形锚杆，其特征是：所述圆筒（10）与铁板（11）组合后的宽度大于套筒（2）的直径。

技术总结
本发明公开了一种变位移大变形锚杆，属于地下工程防护设备。本发明包括锚杆杆体（1）、套筒（2）、钢板托盘（3）、螺母（4）和限位卡扣（5），套筒（2）尾段沿轴向开有至少两列对称的预留孔，锚杆杆体（1）尾部固定有限位卡扣（5），锚杆杆体（1）穿过套筒，套筒（2）套在锚杆杆体（1）后段外围，限位卡扣（5）卡止在套筒（2）尾段的预留孔中，螺母（4）与套筒外壁螺纹配合压住钢板托盘（3）以加固围岩。本发明的技术效果是：该锚杆能够提供可靠和稳定的支护力，同时能够实现锚杆装置的大位移变形，保证地下工程围岩的安全与稳定，能够满足工程围岩大变形的防护要求。能够满足工程围岩大变形的防护要求。能够满足工程围岩大变形的防护要求。


技术研发人员：周小平 陈俊伟 赵智 程浩 寿云东
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/12