一种胀壳式内锚头预应力锚杆及其安装使用方法

摘要

本发明公开了一种胀壳式内锚头预应力锚杆及其安装使用方法，属于岩土锚固工程技术领域。预应力锚杆包括胀壳、锥芯、安装螺母、杆体、安装套管、垫板、锁紧螺母。本发明不仅可以显著提高预应力锚杆的预应力值大小，进而充分发挥杆体强度，而且能够有效缩短预应力锚杆内锚固段长度，扩大锚杆的有效锚固范围；本发明还公开了该预应力锚杆的安装使用方法，该预应力锚杆的安装可采用机械化安装或人工安装。应用该胀壳式内锚头预应力锚杆进行锚固支护时，可根据实际围岩条件，进行锥芯和胀壳的尺寸设计，该设计方法为设计满足实际支护要求的内锚固段各部分的尺寸提供了经济、安全的科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土锚固工程技术领域，具体涉及一种胀壳式内锚头预应力锚杆 及其安装使用方法。

背景技术

预应力锚杆支护是边坡、岩土深基坑等地面工程及隧道、采场等地下硐室施 工中常见的一种围岩加固支护方式。通过施加主动的预应力，预应力锚杆能及时 控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开，使围岩处于受压状态，抑制围岩的变 形与破坏。目前，我国资源开发正逐步向深部岩体发展，深部岩体具有埋深大、 地应力高的特点，岩体开挖卸荷后容易出现围岩片帮、板裂化破坏严重的现象， 有时甚至发生岩爆等破坏力极强的灾害。工程实践表明，现有普通的预应力锚杆 在高地应力条件下，难以抑制围岩裂隙的扩展、控制岩体变形效果差，不能满足 高地应力条件下岩体开挖支护的要求。

中国专利公开号CN201802429U，公告日期2011年4月20日，发明名称“胀 壳式中孔排气注浆预应力锚杆”，该申请案公开了一种胀壳式中孔排气注浆预应 力锚杆，该锚杆的前端是内锚固段，后端是外锚固段，锚杆体的中心开有灌浆孔， 在灌浆孔壁上设有排气孔，在内锚固段的外壁粘贴有胀壳，在锚杆体上位于胀壳 的后端套装弹簧和托环。这种预应力锚杆内锚固段上的胀壳与钻孔内壁有效接触 面积小，可施加的预应力小，并且当岩体受到震动冲击时，锚杆锚固力稳定性不 足。

中国专利公开号CN102094421A，公开日期2011年6月15日，发明名称“一种 预应力锚杆和使用该预应力锚杆的施工方法”，该申请案公开了一种预应力锚杆 和使用该预应力锚杆的施工方法，该预应力锚杆包括一端具有圆锥状的扩大头的 圆柱状圆管，以及沿该圆管轴向扩展的杆体，该杆体在圆管被灌入水泥浆之后插 入到圆管中，杆体分为自由段和非自由段，杆体非自由锻与水泥浆直接接触以形 成所述杆体的锚固段，而杆体自由段不与水泥浆直接接触以便通过杆体进行张拉 来施加预应力。这种预应力锚杆的杆体自由段长度为杆体总长度的1/3到1/2，锚 杆内锚固段长度过大，锚固结构设计不合理。

中国专利公开号CN100370081C，公开日期2008年2月20日，发明名称“一种 胀壳锚固头及锚杆”，该申请案公开了一种胀壳锚固头及锚杆，由胀壳内楔和胀 壳外楔组成，外楔套在内楔上，胀壳内楔为底面大而顶面小的、带空腔的中空圆 台体，空腔与顶面、底面连通；胀壳外楔为带空腔的中空圆柱体，空腔与顶面、 底面连通，胀壳外楔上的开口槽在外楔表面上相互垂直，方向相反的将外楔分为 若干个瓣片。利用这种胀壳锚固头及锚杆进行锚固支护时，不能根据实际支护要 求进行内锚固段的锚固设计，容易给锚固工程造成浪费或产生潜在的危险。

工程实践表明，现有普通的预应力锚杆难以满足高地应力条件下，岩体开挖 支护的要求，主要存在以下不足：

(1)现有普通的预应力锚杆可提供的锚固力不足，可施加的预应力值偏低， 锚杆杆体强度不能得到有效利用；在低预应力条件下，预应力锚杆支护产生的围 岩内部有效压应力区范围小，而且孤立分布，没有连成整体，预应力锚杆的主动 支护作用不能充分体现。

(2)采用粘结式内锚头预应力锚杆(如：树脂内锚头锚杆，水泥砂浆内锚 头锚杆等)进行锚固支护时，锚杆内锚固段长度过大，锚杆内锚固段长度占锚杆 杆体总长比例过大，因而锚杆可施加预应力的自由段长度较小，造成锚杆实际有 效锚固的岩体范围较小，锚固结构不合理。

(3)采用机械式内锚头预应力锚杆(如：楔头式锚杆，楔缝式锚杆，胀壳 式锚杆等)进行锚固支护时，锚杆内锚固段尺寸设计过多依赖于经验或者工程类 比的方法，锚固设计方法不完善，容易给锚固工程造成浪费或产生潜在的危险。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种高预应力、锚固结构合理、安装方便 的胀壳式内锚头预应力锚杆。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种胀壳式内锚头预应力锚杆， 包括锚杆的内锚头、杆体和活动安装在杆体尾端的垫板及锁紧螺母，所述的内锚 头由胀壳和锥芯构成，所述的胀壳的轴向方向开有通孔，通孔的下段呈上小下大 的锥形状，锥角为θ₂，胀壳的锥形段壁面上对称开有四个或六个通槽，胀壳的锥 形段外壁面呈浅凹花纹状，胀壳上端的外壁上开有圆环状凹槽，所述的锥芯的上 段为上小下大的锥形状，锥角为θ₁，锥芯下端呈环形锯齿状，锥芯的内壁面设置 有内螺纹，锥芯活动的插入在胀壳的锥形孔中，所述的杆体内锚固端上设置外螺 纹，杆体内锚固段下端与锥芯螺纹连接，杆体内锚固段上端旋装安装螺母。

所述的锥角θ₂等于锥角θ₁，锥角θ₂、锥角θ₁的角度为3°～5°。

胀壳式内锚头预应力锚杆的安装使用方法按以下步骤进行：

a将安装螺母旋装在锚杆杆体内锚固段上端定位；

b将胀壳套装在锥芯上，锚杆杆体内锚固段下端旋入锥芯，安装螺母的下端 面与胀壳的上端面平面接触；

c将锚杆杆体外锚固端与锚杆安装机连接，锚杆安装机将锚杆送入锚杆钻孔， 锚杆安装机将锥芯尖齿嵌入钻孔底部中，锚杆安装机旋转锚杆杆体，带动安装螺 母向锚杆钻孔底部旋进，将胀壳撑开，胀壳与锚杆钻孔的孔壁紧密挤压；

d清理、整平锚杆钻孔岩面后，安装垫板，拧上锁紧螺母，并用扭矩扳手或 者测力扳手拧紧锁紧螺母至预定的预应力大小。

由于采用了以上技术方案，本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆，内锚头包 括锥芯和胀壳，锥芯和胀壳的锥角相同，能够使得胀壳均匀膨胀，并且锥芯和胀 壳的接触面积增大，这有利于稳固锚固力；胀壳上端圆环状凹槽的设置和胀壳中 下端切缝的设置有利于胀壳的充分张开，增加胀壳的膨胀量，胀壳中下端外表面 的压花处理，能有效增大胀壳与钻孔内壁之间的摩擦系数，进而显著地提高锚杆 锚固力和锚杆可施加的预应力，进而充分利用杆体强度。并且与传统预应力锚杆 相比，本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆有效缩短了预应力锚杆内锚固段长 度，增大了锚杆可施加预应力的自由段长度，进而扩大锚杆了的有效锚固范围， 使得围岩内形成的有效压应力区范围广，锚杆的主动支护作用得到充分发挥。

应用本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆进行锚固支护时，可根据实际围岩 条件，进行锥芯和胀壳的尺寸设计，克服了传统的锚杆内锚固段尺寸设计依赖于 经验或者工程类比、容易给锚固工程造成浪费或产生潜在危险等缺陷与不足，为 设计满足实际支护要求的内锚固段各部分的尺寸提供了经济、安全的科学依据。

附图说明

图1为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆结构设计示意图

图2为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆机械式安装使用状态示意图

图3为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆人工安装使用状态示意图

图4为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆的胀壳结构设计示意图

图5为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆的锥芯结构设计示意图

图6为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆机械安装过程示意图

图7为本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆人工安装过程示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述

见附图

本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆，包括锚杆的内锚头、杆体4和活动安 装在杆体4尾端的垫板6及锁紧螺母5，内锚头由胀壳2和锥芯1构成，胀壳2的轴向 方向开有通孔，通孔的上段呈圆柱状，通孔的下段呈上小下大的锥形状，锥角为 θ₂，胀壳2的锥形段壁面上对称开有四个或六个通槽，通槽宽度为2mm左右，通槽 将胀壳2对称分为四瓣或六瓣，胀壳2的锥形段外表面经过压花处理后，呈浅凹花 纹状，胀壳2上端的外壁上开有圆环状凹槽，凹槽深度h为2～5mm，凹槽长度Lh为 25mm左右，锥芯1的上段为上小下大的锥形状，锥角为θ₁，锥芯1下端呈环形锯齿 状，尖齿数目为6～10个，尖齿高度为15mm左右，锥芯1的内壁面设置有内螺纹， 锥芯1活动的插入在胀壳2的锥形孔中，杆体4内锚固端上设置外螺纹，杆体4内锚 固端与锥芯1螺纹连接。

其中，锥芯锥角θ₂等于胀壳锥角θ₁，锥角θ₂、锥角θ₁的角度为3°～5°。

杆体4内锚固端与外锚固端均有螺纹，内锚固端通过螺纹同时与安装螺母3 和锥芯1连接，外锚固端通过螺纹与锁紧螺母5连接，为方便与锚杆安装机8连接， 杆体4外锚固端的端头呈方形。

本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆，锚固支护应用时，内锚固段可根据实 际围岩条件，进行锥芯1和胀壳2的尺寸设计，见附图4、附图5，具体方法步 骤为：

1)锥芯1的上外径φ₄的设计。由支护围岩的性质及支护要求，决定支护采用的 锚杆锚杆4的直径d和锚杆钻孔直径D，进而由下式确定锥芯1的上外径φ₄：

φ₄＝d+2δ₂

d——锚杆直径，单位：mm；

δ₂——锥芯上端壁厚，取值范围1-3mm；具体大小，由锥芯内螺纹参数决定。

2)胀壳2的锥形段长度l₁的设计。预应力的施加以及支护围岩的变形都会使锚杆 杆体4产生拉力。因此，在胀壳2与锚杆钻孔内壁静摩擦系数一定的条件下， 胀壳2应该具有足够的长度来提供静摩擦力；在锚杆杆体4拉断之前，胀壳2 与锚杆钻孔之间不应出现滑动现象；由力的平衡关系可知：

${\sigma }_b·\frac{\pi }{4}{d}^2={\sigma }_c·\mathrm{\pi D}\left[l_1\right]·\mu ·\eta$

由上式可得：

$\left[l_1\right]=\frac{{\sigma }_b·d^2}{4{\sigma }_c·D·\mu ·\eta }$

σ_b——锚杆杆体抗拉强度，单位：MPa；取值大小由制作锚杆杆体的钢材 性质决定；

D——锚杆钻孔直径，单位：mm；

σ_c——钻孔孔底位置处的孔壁压裂应力，单位：MPa；取值大小由现场实 验(如水压致裂法)确定；

[l₁]——胀壳锥形段长度理论值，单位：mm；

μ——胀壳外壁与锚杆钻孔内壁间的静摩擦系数，取值大小由实验测定；

η——有效面积接触系数，取值范围0.7-0.9。

安全起见，在计算得到的胀壳2锥形段长度的理论值[l₁]基础上，乘以一定的 安全系数得到设计值：

l₁＝F_s·[l₁]

F_s——安全系数，取值范围：1.1-1.2。

3)锥芯1的下外径φ₃的设计

由三角几何知识可知：即：

φ₃＝2l₂·tanθ₂+φ₄

θ₂——锥芯锥角，取值范围：3°-5°，硬岩取较小值，中硬岩体取较大值。 l₂——锥芯锥形段长度，单位：mm，其大小等于胀壳锥形段长度l₁。

4)胀壳2锥形段最小厚度δ₁的设计。胀壳2在锥芯作用下产生足够的膨胀量，胀 壳紧贴钻孔内壁才能发挥其锚固作用，即：

φ₄-φ₂≥D-φ₁

由几何关系：φ₁-φ₂＝2l₁·tanθ₁+2δ₁

因而：$\left[{\delta }_1\right]=\frac{D-{\phi }_4-2l_1·\tan {\theta }_1}{2}$

[δ₁]——胀壳锥形段最小厚度的计算值，单位：mm；

胀壳锥形段最小厚度的设计值

5)胀壳2的内径φ₂和外径φ₁的设计。由几何关系：

d＜φ₂＜φ₄＝d+2δ₂

因此，取φ₂＝d+δ₂则：

6)锥芯1内螺纹长度l₃的设计。锚杆杆体4与锥芯1的螺纹连接要保证足够的连接 强度，即满足：

锚杆杆体螺纹的剪应力

锥芯螺纹的剪应力${\tau }_2=\frac{\frac{\pi }{4}{d}^2·{\sigma }_b}{k·\pi d_2·\mathrm{bz}}\le \left[{\tau }_2\right]$

k——受力不均匀系数，取值范围：0.6-0.7；

d₁、d₂——分别为螺纹小径和螺纹大径，单位：mm；

[τ₁]、[τ₂]——分别为杆体螺纹和锥芯螺纹抗剪强度，单位：MPa；对于钢材而言， [τ]＝0.6[σ]，[σ]为许用拉应力；σ_s为屈服强度，单位：MPa，S为安 全系数，取值范围：2-4；

b——螺纹牙底宽度，对于普通螺纹b＝0.75p，p为螺纹牙距；

z——螺纹圈数。

因此，锥芯内螺纹长度的计算

值：$\left[l_3\right]=p·z=\frac{4}{3}b·z=\max \{\frac{d^2{\sigma }_b}{3k{d}_1\left[{\tau }_1\right]},\frac{d^2{\sigma }_b}{3k{d}_2\left[{\tau }_2\right]}\}$

则，锥芯内螺纹长度的设计值l₃＝F_s·[l₃]

F_s——安全系数，取值范围：1.1-1.2。

根据以上该预应力锚杆的设计方法，给出一个具体的计算实例：

1)假定锚杆杆体4的直径d＝28mm、钻孔直径D＝60mm，δ₂＝2mm，则：锥芯1 上外径φ₄＝32mm

2)锚杆杆体4的抗拉强度σ_b＝600MPa，钻孔孔底位置处的孔壁压裂应力σ_c＝55 MPa，胀壳2外壁与锚杆钻孔内壁间的静摩擦系数μ＝0.3，有效面积接触系数 η＝0.8，胀壳2锥形段长度的安全系数F_s＝1.15，则：胀壳锥形段长度l₁＝177mm

3)胀壳2锥角θ₁＝4°，锥芯1锥角θ₂＝4°，则：锥芯1的下外径φ₃＝57mm

4)胀壳2的锥形段最小厚度δ₁＝1.5mm

5)胀壳2的内径φ₂＝30mm，胀壳2的外径φ₁＝58mm

6)取受力不均匀系数k＝0.65，螺纹小径d₁＝26.376mm和螺纹大径d₂＝28mm，杆 体4和锥芯1屈服强度分别为500MPa和400MPa，安全系数S＝3，则：锥芯1内 螺纹长度的设计值l₃＝132mm。

本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆安装使用方法按以下步骤进行，见附图 6，该安装方法为机械式安装：

a将安装螺母3旋装在锚杆杆体4内锚固段上端定位；

b将胀壳2套装在锥芯1上，锚杆杆体4内锚固段下端旋入锥芯1，安装螺母3 的下端面与胀壳2的上端面平面接触；

c将锚杆杆体4外锚固端与锚杆安装机连接，锚杆安装机8将锚杆送入锚杆钻 孔，锚杆安装机8将锥芯1尖齿嵌入钻孔底部中，锚杆安装机8旋转锚杆杆体4，带 动安装螺母3向锚杆钻孔底部旋进，将胀壳2撑开，胀壳2与锚杆钻孔的孔壁紧密 挤压；

d清理、整平锚杆钻孔岩面后，安装垫板6，拧上锁紧螺母5，并用扭矩扳手 或者测力扳手拧紧锁紧螺母5至预定的预应力大小。

另外，本发明一种胀壳式内锚头预应力锚杆也可以按以下步骤进行人工安 装，见附图7：

a将胀壳2套在锥芯1上，锚杆杆体4内锚固段穿过胀壳2后，旋入锥芯1；继续旋 紧锥芯1，使锚杆内锚固端旋至锥芯1内螺纹尽头。

b将安装套管7通过锚杆外锚固端套入锚杆杆体4，使得安装套管7顶紧胀壳2，并 将锚杆缓缓送入锚杆钻孔至锥芯尖齿接触钻孔孔底。

c套上平垫圈9，拧上锁紧螺母5，一支手用扳手拧紧锁紧螺母5，在安装套管7 挤推作用下，胀壳2被锥芯1均匀撑开，与钻孔孔壁紧密挤压；另外一支手，用扳 手拧在锚杆杆体4外锚固端的方形段，以固定杆体4，避免杆体4随着锁紧螺母5 一起旋转。

d拧下锁紧螺母5和平垫圈9，抽出安装套管7。

e清理、整平锚杆钻孔岩面后，安装垫板6，拧上锁紧螺母5，并用扭矩扳手或者 测力扳手拧紧锁紧螺母5至预定的预应力大小。