一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件

1.本发明属于地下工程支护安全技术领域，特别是涉及一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件。


背景技术：

2.随着科技的进步，地下空间工程逐步向地质条件更复杂、环境更恶劣、埋深更深的方向发展。与此同时，隧道(巷道)围岩的控制也越来越复杂，容易造成顶板垮落、底鼓、围岩大变形、冲击地压等问题。因此，如何保证隧道(巷道)安全经济快速的掘进，成为亟待解决的问题。
3.锚杆支护是隧道工程、井巷工程、边坡工程最常见的支护手段之一，具有经济、可靠、高效的优势，在诸多工程中被广泛应用。锚杆支护是将锚杆穿过软弱岩层，将支护后的破碎岩层以悬吊、某种结构(梁、拱、壳等)或改善岩石力学状态的形式整体赋存于围岩岩体中，构成控制围岩稳定的一个关键层，以达到防治围岩大变形、垮落的效果。
4.近年来，伴随着材料领域的快速发展，适用于不同环境、不同材质的新型锚杆被相继提出，但是对锚杆支护的辅助构件的创新还比较欠缺。目前，比较常见的锚杆支护构件通常由刚性材料制成的球形垫圈、托盘、垫块等组合而成，在围岩产生较大应力释放时，这些支护构件很容易发生永久破坏，从而降低了锚杆的支护效果。
5.例如，申请号为202220637197.x的中国专利申请，公开了一种用于弱胶结软岩巷道支护构件，其虽然在一定程度上提高了支护构件的力学强度，但当巷道围岩产生大变形或冲击地压时，卡盘很容易因围岩卸载应力过大随即发生破坏，导致锚杆自由端失效。
6.再例如，申请号为201810669570.8的中国专利申请，公开了一种减震吸能锚杆托盘，其虽然具备了一定的减震吸能效果，但当围岩释放较大的冲击荷载时，泡沫铝托盘外部因没有高强度材料保护会发生失稳。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，在遇到较大的冲击荷载时，能够依靠具有负泊松比效应的椭球形垫圈抵抗岩体中释放的冲击，在遇到大变形围岩时，能够依靠高强度的托盘抵抗围岩的变形，进而使本发明的支护构件同时具备了吸能能力强、强度高、对抗能力强的优势。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，包括具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘、第一泡沫铝垫片及第二泡沫铝垫片；所述刚性托盘包覆在具有负泊松比效应的椭球形垫圈外侧，包覆有刚性托盘的具有负泊松比效应的椭球形垫圈夹在第一泡沫铝垫片与第二泡沫铝垫片之间；所述第二泡沫铝垫片、具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘及第一泡沫铝垫片由内至外依次套装在锚杆的自由端，在第一泡沫铝垫片外侧的锚杆自由端上设置有预应力螺母。
9.所述刚性托盘的强度大于锚杆的强度。
10.所述刚性托盘的厚度大于锚杆的杆体半径。
11.所述具有负泊松比效应的椭球形垫圈的厚度大于锚杆的杆体直径。
12.所述第一泡沫铝垫片和第二泡沫铝垫片的厚度大于10mm。
13.本发明的有益效果：
14.本发明的基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，在遇到较大的冲击荷载时，具有负泊松比效应的椭球形垫圈可以吸收岩体中的冲击荷载，当冲击能降低以后，椭球形垫圈的弹塑性形变可以恢复，从而避免刚性托盘产生破坏，进而避免锚杆自由端支护失效，降低了二次支护的频率，具备了安全经济可靠的优点。
15.本发明的基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，在遇到软岩大变形巷道时，锚杆支护由柔性支护向刚性支护转换，具有负泊松比效应的椭球形垫圈由弹性变形向塑性变形转化，此时的椭球形垫圈外侧包覆的刚性托盘可以有效的抵抗围岩表面的大变形，从而避免围岩因大变形而失稳。
16.本发明的基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，在遇到较小的冲击荷载或围岩表面位移不大的隧洞(巷道)时，支护构件两端的泡沫铝垫片可以吸收一部分围岩应力释放的能量，不但可以减少围岩变形，而且可以避免支护构件受力不均匀的情况发生。
附图说明
17.图1为本发明的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件的结构示意图(初始状态)；
18.图2为本发明的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件的结构示意图(吸收围岩冲击载荷或对抗围岩大变形时)；
19.图中，1—具有负泊松比效应的椭球形垫圈，2—刚性托盘，3—第一泡沫铝垫片，4—第二泡沫铝垫片，5—锚杆，6—预应力螺母。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
21.如图1、2所示，一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，包括具有负泊松比效应的椭球形垫圈1、刚性托盘2、第一泡沫铝垫片3及第二泡沫铝垫片4；所述刚性托盘2包覆在具有负泊松比效应的椭球形垫圈1外侧，包覆有刚性托盘2的具有负泊松比效应的椭球形垫圈1夹在第一泡沫铝垫片3与第二泡沫铝垫片4之间；所述第二泡沫铝垫片4、具有负泊松比效应的椭球形垫圈1、刚性托盘2及第一泡沫铝垫片3由内至外依次套装在锚杆5的自由端，在第一泡沫铝垫片3外侧的锚杆5自由端上设置有预应力螺母6。
22.在实际应用过程中，当围岩发生挤压变形或冲击载荷时，具有负泊松比效应的椭球形垫圈1受到轴向应力，会使其产生塑性变形，用以吸收岩体中释放的能量，刚性托盘2用以防止椭球形垫圈失稳破坏，同时作为外层刚性支护；第一泡沫铝垫片3用以防止支护构件受力不均匀导致的螺母损毁或锚杆5被剪断的情况发生，第二泡沫铝垫片4用以提高支护构件与围岩表面的接触面积，使支护构件发挥最大作用。
23.所述刚性托盘2的强度大于锚杆5的强度。
24.所述刚性托盘2的厚度大于锚杆5的杆体半径。
25.在实际应用过程中，刚性托盘2即可对内部包裹的具有负泊松比效应的椭球形垫圈1产生保护作用，又可以利用其强度高、力学性能好的特点来抵抗围岩变形。
26.所述具有负泊松比效应的椭球形垫圈1的厚度大于锚杆5的杆体直径。
27.在实际应用过程中，具有负泊松比效应的椭球形垫圈1可以通过自身的形变吸收大量的能量，同时在弹塑性方面具有性能强的特点。
28.所述第一泡沫铝垫片3和第二泡沫铝垫片4的厚度大于10mm。
29.在实际应用过程中，通过支护构件两端加装的泡沫铝垫片，一方面可以吸收围岩释放的荷载，另一方面可以避免支护构件和预应力螺母因受力不均匀而造成的性能降低。
30.当本发明的基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件完成安装后，可立即进入支护状态。当岩体中释放较大的荷载或产生大变形时，第一泡沫铝垫片3与第二泡沫铝垫片4通过弹性形变最先吸收一部分能量，之后通过具有负泊松比效应的椭球形垫圈1自身受压产生的横向收缩和纵向拉伸，再吸收一部分能量。当岩体中释放的荷载大于具有负泊松比效应的椭球形垫圈1的极限后，椭球形垫圈产生塑性变形，刚性托盘2开始发挥作用，此时本发明由柔性支护转变为刚性支护，利用高强度的刚性托盘2对抗岩体的大变形和冲击荷载。
31.实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

技术特征：
1.一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，其特征在于：包括具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘、第一泡沫铝垫片及第二泡沫铝垫片；所述刚性托盘包覆在具有负泊松比效应的椭球形垫圈外侧，包覆有刚性托盘的具有负泊松比效应的椭球形垫圈夹在第一泡沫铝垫片与第二泡沫铝垫片之间；所述第二泡沫铝垫片、具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘及第一泡沫铝垫片由内至外依次套装在锚杆的自由端，在第一泡沫铝垫片外侧的锚杆自由端上设置有预应力螺母。2.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，其特征在于：所述刚性托盘的强度大于锚杆的强度。3.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，其特征在于：所述刚性托盘的厚度大于锚杆的杆体半径。4.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，其特征在于：所述具有负泊松比效应的椭球形垫圈的厚度大于锚杆的杆体直径。5.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，其特征在于：所述第一泡沫铝垫片和第二泡沫铝垫片的厚度大于10mm。

技术总结
一种基于负泊松比效应的高强度吸能锚杆支护构件，包括具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘、第一泡沫铝垫片及第二泡沫铝垫片；刚性托盘包覆在具有负泊松比效应的椭球形垫圈外侧，包覆有刚性托盘的椭球形垫圈夹在第一泡沫铝垫片与第二泡沫铝垫片之间；第二泡沫铝垫片、具有负泊松比效应的椭球形垫圈、刚性托盘及第一泡沫铝垫片由内至外依次套装在锚杆自由端，在第一泡沫铝垫片外侧的锚杆自由端上设有预应力螺母。本发明在遇到较大的冲击荷载时，能够依靠具有负泊松比效应的椭球形垫圈抵抗岩体中释放的冲击，在遇到大变形围岩时，能够依靠高强度的托盘抵抗围岩的变形，进而使本发明的支护构件同时具备了吸能能力强、强度高、对抗能力强的优势。对抗能力强的优势。对抗能力强的优势。


技术研发人员：许自文 卢高明 周建军 罗来马 姚华彦 蔺尚旭 张理蒙 刘超尹 范文超 李帅远
受保护的技术使用者：中铁隧道局集团有限公司 合肥工业大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/26