拉压耦合型高强大变形锚杆及其使用方法

摘要

本发明公开了一种拉压耦合型高强大变形锚杆及其使用方法，它主要由锚杆体、托盘和螺母组成，孔外用螺母固紧后作为外锚固段，孔内灌锚固剂后与锚杆体粘结作为内锚固段；内锚固段的锚杆体表面为两种状态，靠近孔口的那一段为光圆状，靠近孔底的那一段为粗糙状；光圆状杆体构成临时内锚固段，亦称为准自由段，粗糙状杆体构成永久内锚固段；在永久内锚固段和临时内锚固段两段交界的杆体上设置有承力台。本发明明显优化了锚杆在现场应用时的受力状态，结构简单，可以在不影响施工效率，成本增加不多的情况下，显著提高锚杆的可靠性及支护效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水利水电、边坡、隧道和矿山等工程中支护用的锚杆，尤其 涉及一种高强预应力可变形锚杆及其使用方法。

背景技术

在矿山、水利水电、边坡和隧道等工程支护过程中，锚杆是应用很多的一种 支护装备。随着开采深度不断增大以及大规模地下工程的建设，面临的地质条 件越来越复杂，围岩经常表现出高应力、大变形的特点。这种情况要求锚杆既 有较高的锚固力，又具有良好的变形性能。

锚杆根据灌浆体所处的应力状态，可分为两类，一类是拉力型锚杆，另一类 是压力型锚杆。

拉力型锚杆如图1所示，主要由锚杆体1、托盘2和螺母3组成，锚杆体1 一般采用全长带有螺纹的钢筋制作，孔外用螺母3固紧后为外锚固段c，孔内灌 锚固剂5后与锚杆体1粘结为拉力型内锚固段e，属于全长锚固式锚杆；有的为 了施加预应力，孔内有一段不灌锚固剂作为自由段。拉力型锚杆受力特点在于 其荷载是依赖内锚固段杆体与灌浆体接触的界面上的剪应力由外端向底端传递 的。这种拉力型锚杆在高应力条件下工作时，杆体-浆体-孔壁之间的剪应力沿 轴向分布十分不均匀，内锚固段外端存在严重的应力集中现象，从而易导致外 端锚固体拉裂、有效锚固段持续内移，引起锚固体渐进式破坏，最终导致锚杆 失效破坏，因此单纯的拉力型锚杆所能提供的锚固力有限。另外，由于内锚固 段杆体表面粗糙，与锚固剂紧密结合而不易分离，当围岩产生裂隙时，能与锚 固剂分离以发挥变形性能的杆体长度有限，变形量达到30mm左右时即发生断裂 破坏，不能适应围岩大变形的要求。

压力型锚杆如图2所示，主要由锚杆体1、托盘2、螺母3和底端的承载体 8组成，孔外用螺母3固紧后为外锚固段c，孔内灌锚固剂5，锚杆体1表面覆 有塑料隔层9，因而与锚固剂5无粘结，所以作为自由段d，锚杆体1底端设有 承载体8，承载体8用锚固剂锚固，因此属于端锚式；如中国专利CN 101586466 B，锚杆体受力时，拉力直接由无粘结锚杆体1传至底端承载体8，通过承载体 对注浆体施加压应力，依靠灌浆体与周围岩土体间的剪切抗力提供锚杆所需的 承载力。这种锚杆受荷时，内锚固段受压，不易开裂，克服了拉力型锚杆的缺 点。但是，内锚固段的承载力受到锚固剂本身抗压强度以及锚固剂与孔壁间抗 剪强度的限制，难以达到较高的承载力。

为了使锚杆具有大变形性质，目前的大变形锚杆一般是通过设置摩擦套管等 机械结构，通过杆体和这些结构元件之间的滑动来实现锚杆变形，如中国专利 CN 101858225A、201110061303.0、201210020742.1、201110187361.8等，这 些大变形锚杆结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于将拉力型和压力型锚杆的锚固单元结合到一起，以提高锚 杆锚固力，并且使其具有大变形性质，提供一种拉压耦合型高强大变形锚杆及 其使用方法。

其技术解决方案是：

一种拉压耦合型高强大变形锚杆，主要由锚杆体、托盘和螺母组成，孔外用 螺母固紧后作为外锚固段，孔内灌锚固剂后与锚杆体粘结作为内锚固段；其特 征是：内锚固段的锚杆体表面为两种状态，靠近孔口的那一段为光圆状，靠近 孔底的那一段为粗糙状；光圆状杆体构成临时内锚固段，亦称为“准自由段”， 粗糙状杆体构成永久内锚固段；在永久内锚固段和临时内锚固段两段交界的杆 体上设置有承力台。

所述的粗糙状优选指杆体表面带有螺纹或杆体呈麻花状，它可与锚固剂牢固 结合，不易分离。

为了便于锚杆的安装，所述承力台是一个连接在锚杆体上的构件。承力台构 造有多种形式，以下仅列举两种：

1)承力台是焊接在锚杆体周围的几个断面为梯形的锥形块，锥形块均衡分 布，相邻一对锥形块之间留有注浆通道。

2)承力台是焊接在锚杆体上的断面为半环形的锥形块。

为防止外锚固段杆体在“准自由段”开始伸长前发生屈服，外锚固段锚杆体 强度应大于内锚固段锚杆体强度，可采取以下措施之一：

1)在加工锚杆时对外锚固段的杆体进行热处理。

2)选用两种不同强度的杆体材料连接在一起。

3)锚杆体外锚固段杆体直径大于准自由段杆体直径。

为防止外锚固段杆体在“准自由段”开始伸长前发生屈服，还可以在孔口处 光圆状的杆体上设置承力台，以降低外锚固段受力。

为协调分配给承力台和内锚固段杆体的力的大小，防止其中一个过早破坏， 在杆体上承力台靠近锚孔一侧设置弹性垫块；根据垫块的弹性模量适当调整其 厚度以达到杆体在承力台前后耦合变形、应力均匀分布的目的；弹性垫块与承 力台相连。

本发明的使用方法之一是：

1)首先在待支护岩体中打锚孔，锚孔直径应大于本发明所述承力台的外径；

2)在锚孔中依次放入速凝树脂锚固药卷和缓凝锚固药卷，使锚杆插入后承 力台内侧的为速凝锚固剂，承力台外侧的为缓凝锚固剂；

3)通过锚杆安装机将锚杆旋转压入锚孔，锚固药卷受挤压破裂并均匀拌合， 待孔底速凝锚固剂凝固后，对锚杆施加一定的预应力，并拧紧螺母固定外锚固 段；之后外侧缓凝锚固剂慢慢凝固，对锚杆起到二次加固作用。

本发明的使用方法之二是：

1)首先在待支护岩体中打锚孔，锚孔直径应大于本发明所述承力台的外径；

2)将锚杆插入锚孔，然后将砂浆注入锚孔，待砂浆凝固后，对锚杆施加一 定的预应力，并拧紧螺母固定外锚固段。

本发明工作原理是：在围岩发生大变形时，会对锚杆体产生拉力，由于靠近 孔口的那一段为光圆状，在拉力作用下与锚固剂分离，变为“自由段”，在保持 较高的工作阻力状态下受拉伸长，适应了围岩大变形的特点，并吸收大量的围 岩变形能；当拉力传递到承力台时，承力台将一部分力传递到围岩，另一部分 力则传递到永久内锚固段，承力台起到应力分散作用，防止了永久内锚固段先 于“准自由段”发生屈服，保证了自由段变形性质的发挥。承力台还限制了内 锚固段杆体的位移，防止了剪应力集中引起的锚固体渐进式破坏，使锚固体所 受剪力得到了更合理的分布，提高了锚杆所能提供的最大支护阻力。

本发明的拉压耦合型高强大变形锚杆的优点还在于：

1)本发明将拉力型锚杆和压力型锚杆耦合在一起，共同分担锚杆受力，提 高了锚杆的极限锚固力，实现了锚杆“高强”的目的。

2)本发明可以通过张拉施加一定量的预应力，这样锚杆对围岩产生压力对 与抵抗岩体剪切变形具有积极作用。

3)本发明明显优化了锚杆在现场应用时的受力状态，结构简单，可以在不 影响施工效率，成本增加不多的情况下，显著提高锚杆的可靠性及支护效果。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为现有拉力型锚杆示意图；

图2为现有压力型锚杆示意图；

图3为本发明的拉压耦合型高强大变形锚杆示意图；

图4为本发明的拉压耦合型高强大变形锚杆在孔口设置承力台示意图；

图5为本发明的拉压耦合型高强大变形锚杆在承力台外侧设置弹性垫块示 意图；

图6为本发明承力台的一种实施方式的立体图；

图7为本发明承力台的另一种实施方式的立体图。

图例说明，1-锚杆体，2-托盘，3-螺母，4-承力台，5-锚固剂，6-梯形的锥 形块，7-半环形的锥形块，8-低端承载体，9-塑料隔层，10-孔口承力台，11- 弹性垫块，12-注浆通道，a-永久内锚固段，b-临时内锚固段，c-外锚固段， d-自由段，e-拉力型内锚固段。

具体实施方式

图1和图2分别是现有拉力型锚杆和压力型锚杆的示意图，其结构不再详述。

下面结合图3-图7说明本发明的技术方案。

如图3所示，一种拉压耦合型高强大变形锚杆，主要由锚杆体1、托盘2和 螺母3组成，孔外用螺母3固紧后作为外锚固段c，孔内灌锚固剂5后与锚杆体 1粘结作为内锚固段；其中内锚固段的锚杆体1表面为两种状态，靠近孔口的那 一段为光圆状，靠近孔底的那一段为粗糙状；光圆状杆体构成临时内锚固段b， 亦称为“准自由段”，粗糙状杆体构成永久内锚固段a；并且在两段交界的杆体 上设置承力台4。

上述粗糙状优选指杆体表面带有螺纹或杆体呈麻花状，它可与锚固剂牢固结 合，不易分离。

所述承力台4是一个连接在锚杆体1上且设有注浆通道的构件。如图6所示， 承力台4是焊接在锚杆体1周围的几个断面为梯形的锥形块6，锥形块6均衡分 布，相邻一对锥形块之间留有注浆通道12；如图7所示承力台4是焊接在锚杆 体1上的断面为半环形的锥形块7。承力台4构造有多种形式，不仅限于上述两 种。

为防止外锚固段c锚杆体在临时内锚固段b开始伸长前发生屈服，外锚固段 c锚杆体强度应大于临时内锚固段b杆体强度，可采取以下措施之一：

1)在加工锚杆时对外锚固段c的杆体进行热处理。

2)选用两种不同强度的杆体材料连接在一起。

3)外锚固段c杆体直径大于杆体直径。

为防止外锚固段c在临时内锚固段b开始伸长前发生屈服，还可以在孔口处 光圆状的杆体上设置如图6、图7所示的承力台，以降低外锚固段c受力。

为协调分配给承力台和内锚固段杆体的力的大小，防止其中一个过早破坏， 在承力台靠近锚孔一侧设置弹性垫块11；根据垫块的弹性模量适当调整其厚度 以达到杆体在承力台前后耦合变形、应力均匀分布的目的；弹性垫块与承力台 相连。

当所述锚固剂采用树脂锚固剂时，本发明的一种优选使用方法是：

1)首先在待支护岩体中打锚孔，锚孔直径应大于本发明所述承力台4的外 径；

2)在锚孔中依次放入速凝树脂锚固药卷和缓凝锚固药卷，使锚杆插入后承 力台内侧的为速凝锚固剂，承力台外侧的为缓凝锚固剂；

3)通过锚杆安装机将锚杆旋转压入锚孔，锚固药卷受挤压破裂并均匀拌合， 充满锚孔，孔底速凝锚固剂凝固较快，待其凝固后，对锚杆施加一定的预应力， 拧紧螺母固定外锚固段；之后承力台外侧缓凝锚固剂慢慢凝固，对锚杆起到二 次加固作用。

当所述锚固剂采用砂浆时，本发明的一种优选使用方法是：

1)首先在待支护岩体中打锚孔，锚孔直径应大于本发明所述承力台的外径；

2)将锚杆插入锚孔，然后将砂浆注入锚孔，待砂浆凝固后，对锚杆施加一 定的预应力，并拧紧螺母固定外锚固段。