一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆及方法与流程

本发明属于变形锚杆，尤其涉及一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆及方法。

背景技术：

1、目前隧道、煤矿巷道工程支护结构施工中，预应力锚固支护技术是用量最多的支护技术，预应力锚固支护技术中使用的预应力筋可以是锚索或锚杆。随着采矿深度不断加深、高原地区隧道开挖工程发展，其工程岩体常常表现出变形量大的特点，如：高应力大变形、软岩大变形、岩爆大变形。传统预应力锚固支护技术使用的预应力筋延伸率远低于工程岩体，难以与锚固区域内的工程岩体协调变形，在受到动荷载作用下或岩石自身应力释放下，易出现预应力筋达到屈服强度破断失效或岩石碎裂锚固失效，失去锚固支护防护能力，从而造成支护工程多次返修、隧道、巷道主体变形等破坏现象。

2、为使锚杆能够在大变形岩层工况中使用，研发出一系列恒组大变形锚杆并投入使用，其中使用最为广泛的是涨壳式结构大变形锚杆这一系列锚杆。该系列锚杆相较于其他如材料大变形锚杆，有着成本低等优势。

3、公开号为cn105931536a的专利文件公开了一种可调节式恒组大变形锚杆。该锚杆可通过调节器调节锚杆的恒阻力，但是当岩层出现不沿锚杆轴线方向的变形所导致的内衬变形时，会出现调节器无法沿预设方向(锚杆轴线方向)破坏内衬，大变形能力失效等问题。

4、公开号为cn115217503a的专利文件公开了一种多段恒阻锚索及安装方法。该锚索所提到的套筒与孔道内混凝土粘结处设置了尖齿装圆环以增大套筒与混凝土粘结力，但当岩层变形或锚杆应力过大时，会出现齿尖处应力集中导致的附近混凝土破碎，失去粘结的情况。

5、公开号为cn117328916a的专利文件公开了一种杆索组合增强型吸能锚杆装置。该装置通过收口套管剪断压剪段的凸起部分所产生的力为锚杆提供支护反力，吸收围岩产生的能量。本技术中通过设置球头螺母与套筒接触，并使套筒形变实现预应力锚固支护。但其未设置多级恒阻变形锚杆结构。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆及方法，该锚杆可在岩层产生较大应力时与岩层协调变形，并且在变形过程中对岩层产生持续、稳定的约束阻力，解决了锚杆在岩层大变形情况下突然失效的问题。

2、本发明通过以下技术方案得以实现。

3、本发明提供的一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆，包括承载段、自由段和锚杆，所述自由段一侧和锚杆连接，自由段另一侧和承载段连接。

4、优选地，所述自由段包括连接杆、螺母a、套筒和止位环，所述套筒一端与连接杆连接，套筒另一端与止位环连接，所述锚杆的一端贯穿止位环后与螺母a连接，所述螺母a设置在套筒内。

5、优选地，所述套筒外壁设置环状体，套筒一端设置连接部，所述连接部内设置腔体和凸台，套筒内壁设置凹槽，连接部直径大于套筒直径，螺母a设置在腔体内。

6、优选地，所述套筒通过连接部与连接杆连接，所述凸台上设置密封垫，密封垫一侧与连接杆连接。

7、优选地，所述承载段包括螺母b和垫板，所述螺母b与连接杆连接，连接杆贯穿垫板设置。

8、优选地，所述连接部可通过螺母c与锚杆连接，所述腔体一端呈圆锥形。

9、优选地，所述螺母a一端为球面端。

10、优选地，所述垫板材质为钢材。

11、一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆的安装方法，包括以下步骤：

12、s1：将止位环与套筒连接，将锚杆与螺母a旋紧，将锚杆未与螺母a连接的一端沿连接部一端穿入套筒，至螺母a球面端与腔体圆锥端相接触，此时锚杆未与螺母a连接的一端应从止位环伸出一段，

13、s2：向止位环远离套筒的一端与锚杆连接的空腔处注入防水材料，并防止注浆时浆体倒灌入套筒空腔内，

14、s3：向连接部内放入密封垫，密封垫放置以接触凸台面为准，将螺母b与连接部旋紧连接，以旋紧至螺母b大端压紧密封垫为准，

15、s4：将步骤s1-s3组装好的部分放入预应力孔道中，放入长度以连接杆伸出张拉基准面长度等于张拉预留长度为准，将垫板安装至张拉基准面，连接杆从垫板中心孔中穿过，将螺母b从连接杆一端旋入连接，然后进行孔道注浆、混凝土浇筑工作，待到混凝土强度达到设计张拉强度后进行张拉工作，张拉时以垫板作为张拉承载面，对连接杆一端进行张拉，预应力通过连接杆向套筒、锚杆传递，张拉锁定后将螺母b旋紧完成安装。

16、一种咬合抗剪型恒阻大变形锚杆的使用方法，包括以下步骤：

17、螺母a与套筒呈夹角α，当出现螺母a挤压套筒变形时，设挤压变形的接触面力为f，则提供的恒阻力为f*sinα，可通过调整夹角α实现控制恒组力，确定最大恒阻力后，选取合适的安全系数以进行套筒外部的摩擦抗剪力校核，设最大恒阻力为f*sinα，选取安全系数为k，则所有抗剪环总底面积s应有关系：可取抗拉强度的一半为设计抗剪强度，即0.5rm，需0.5rm*s≥k*f*sinα，以保证在装置产生恒组大变形的过程中，套筒不与围岩分离。

18、本发明的有益效果在于：

19、1、岩石变形存在不确定性、不对称性，现有楔形变形装置(相当于本技术的球头螺母和套筒)易受此影响而出现变形路径与设计路径出现偏差，从而影响变形效果。本发明的恒阻大变形锚杆采用球形螺母a连接头将预应力筋与套筒连接成一个整体，使得预应力筋带动球头螺母下滑过程中，通过螺母a的球面达到自动对中的作用，保证实际变形路径与设计变形路径一致。

20、2、现有恒阻大变形锚杆所使用的变形套筒为光面形式，在实际使用过程中出现冲击荷载过大时，套筒装置不能很好的与周围岩石粘结，无法通过摩擦有效分散应力，最终导致应力集中在某一个部分，应力集中区岩石破坏，锚固失效。本发明的套筒增加环状体进行结构改变，增加其与周围岩石的粘结、摩擦能力，通过在套筒外部设置环状体，使得在套筒承载应力变形的过程中能够将部分应力均匀的分散至环状体段所接触的岩体，达到分散应力、防止应力集中导致岩石破坏、保证套筒与围岩之间的握裹力的效果，使得装置能够按照设计进行工作。-

21、3、对于现有的套筒，当岩石错动导致套筒变形的情况下，或套筒外侧工程岩体围压过大时，会出现楔形变形装置挤压应力不足，使得楔形体不能顺利挤压套筒变形，装置效果不能实现。现通过对套筒内壁面增加一定数量的，沿套筒长度方向的凹槽，使得面对围压过大情况下，螺母传导的应力能够集中在槽处，通过应力集中破坏套筒结构，套筒向凹槽槽口处变形，内部空腔增大，从而达到螺母a滑动，装置大变形目的实现。

22、4、本发明中，当螺母a滑动至套筒与止位环连接处的低端时，螺母a停止滑动，锚杆延伸量达到最大设计值，此时装置顶端的螺母b可起到安全防护作用，保证锚杆能够给围岩提供足够的锚固力，放置岩层滑动。且通过垫板去扩大预应力承载面可防止受力面岩石(混凝土)发生碎裂导致的锚固失效。

23、5、本发明的止位环内腔采用变径设计，小端通孔直径接近锚杆杆体直径，使得此处内腔通孔对锚杆杆体起到一定的对中作用。锚杆对中良好时，可增加张拉后的有效预应力，使锚杆更满足设计要求。

24、6、现有的恒阻大变形锚杆套筒底端通常缺少约束组件，当用于挤压变形的螺母滑动到套筒底端时，由于没有结构约束限制，螺母会在轴向力的作用下直接从套筒中滑出，此时锚杆与恒阻大变形装置分离，锚杆瞬间失去锚固力，可能导致结构的突然性破坏。本发明采用防爆止位环作为套筒底端约束，当螺母a在套筒内达到最大变形时，螺母滑a到套筒底端，此时螺母a会直接接触到止位环大端内孔面，不会再继续滑动，防止出现因螺母a滑出套筒，装置分体而产生的突然性破坏的情况发生。

25、7、现有恒阻大变形系列锚杆套筒底端不加任何约束，当螺母滑动到套筒靠下的部分时，因为套筒的整体连续性，螺母在套筒空腔中自上而下滑动过程中，不可避免的带动套筒下端螺母未经过区域一起变形，使得该部分区域套筒的空腔会被前端已经变形的套筒带着一起变大，使得装置所要求的恒阻力变小。本发明增加的止位环可约束上述提及的被动变形，维持装置阻力的恒定，使得结构更为可靠。

26、8、现有恒阻大变形锚杆未对套筒空腔内锚杆做防腐处理，使得该部分锚杆可能在使用过程中出现锈蚀的情况。当锚杆杆体承受较大应力时，锈蚀所产生的杆体材料确实可能会扩大，造成杆体的承载能力减小甚至断裂，对锚杆整体的完整性有很大影响。本发明增加了对套筒空腔的密封措施，同时向套筒与止位环组合成的空腔内可注入防腐润滑油脂，一方面可保证该段杆体在承受较大应力自身材料的保证延伸率，同时还可延长锚杆使用寿命。

27、9、本发明为应对需要杆体长、设计变形量大、变形点分布不一的锚杆工程，通过增加变形套筒与螺母a，将多段锚杆、套筒连接在一套装置上。可达到接长锚杆、增加变形位点、增加总体变形量的作用。