一种基于电磁效应的免注浆可回收锚杆及其施工方法

技术领域

本发明属于锚杆支护技术领域，具体涉及一种基于电磁效应的免注浆可回收锚杆及其施工方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，高层建筑和城市地下工程不断增多，由此而产生了大量深基坑开挖支护工程。随着基坑规模和深度的加大，工程事故和施工难题逐渐增多，尤其是我国沿海地区，软土地层分布广泛，土体含水率高、物理力学性质差，使得深基坑稳定性与锚固技术之间的矛盾变得非常紧迫而突出。

传统锚固技术所采用的注浆锚杆很难为软土边坡提供理想的锚固效果，而扩大端头锚杆凭借自身高承载力的特点在软土地区得到推广应用。目前，深基坑支护工程中采用较多的扩大端头锚杆是高压喷射扩体锚杆，但是在软土地区的深基坑工程中，高压喷射扩体锚杆存在成孔锚固段注浆体抗压强度不足、施工质量可控性差等一系列问题。此外，现有的扩大端头锚杆难以回收循环利用，施工成本高。另外，土体中含水层的水会对水泥浆产生稀释，影响水泥浆的强度，同时还会加快锚杆的锈蚀速度，影响支护结构的稳定性，带来不安全因素，严重的会导致施工现场发生冒顶或塌方事故，造成重大损失。因此，需要一种适用于软土地基的抗拔抗压效果好，且可回收循环利用的锚杆。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于电磁效应的免注浆可回收锚杆及其施工方法，通过链式叶片提高锚杆的抗拔抗压特性，同时采用免注浆工艺实现锚杆的循环利用。

第一方面，本发明提出一种基于电磁效应的免注浆可回收锚杆，包括：顶座、电磁体组件、永磁组件以及旋转伸缩组件；所述顶座上设置有竖向通孔；所述电磁体组件包括螺纹转轴、线圈骨架、线圈、电源和锚杆本体；所述螺纹转轴竖向贯穿所述顶座的竖向通孔，所述螺纹转轴的下端与所述锚杆本体的上端连接；所述线圈缠绕于线圈骨架上，所述线圈骨架设置在所述顶座内，且所述线圈包围在所述螺纹转轴的外部，与所述电源电连接；所述永磁组件包括永磁体以及包围在永磁体的外部的保护壳；所述永磁组件包围在所述锚杆本体的外部；所述永磁组件上设置有用于所述旋转伸缩组件通过的通道；所述旋转伸缩组件包括链式叶片和齿轮；所述齿轮固定于所述锚杆本体上，跟随所述锚杆本体转动；所述链式叶片包括多个相铰接的叶片单元，每个叶片单元与所述齿轮啮合，所述链式叶片的一端为固定端，与所述齿轮或锚杆本体固定连接，另一端为活动端；所述齿轮正转驱动所述链式叶片的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过所述通道且嵌入至软土地基中，所述齿轮反转驱动所述链式叶片的各个叶片单元向心运动以逐一的从所述软土地基中缩回。

进一步地，所述链式叶片的相铰接的两个叶片单元之间设置有相配合的卯榫结构。通过卯榫结构可使两个叶片单元之间连接更紧密，水平相插接的卯榫结构限制了两个叶片单元的竖向位移，提升了锚杆本体的抗拔能力，同时也不影响两个叶片单元的分离。

进一步地，所述顶座包括壳体、锚盘和铜管；所述壳体设置在所述锚盘的上端，所述铜管设置在所述壳体的内部；所述螺纹转轴穿过所述铜管；所述线圈骨架设置在所述铜管的外部。

进一步地，所述壳体、锚盘和铜管整体浇筑。

进一步地，所述锚杆本体的外部套装有复位弹簧。复位弹簧的上端与顶座固定连接，下端与锚杆本体固定连接。当锚杆本体转动时，复位弹簧扭转，当螺纹转轴驱动锚杆本体转动的力解除时，复位弹簧回位，驱动锚杆本体快速反向回转复位，使链式叶片的各个叶片单元从软土地基中自动缩回，提高锚杆回收效率。

进一步地，所述锚杆本体的外部设置有锚杆保护层，所述锚杆保护层与所述永磁组件之间设置有弹性支撑。

进一步地，所述永磁组件为空心圆柱结构，其内壁设置有圆环铁板，所述圆环铁板套装在所述锚杆本体的外部；所述圆环铁板的表面涂覆有防腐层、防水层和非磁性材料层。

进一步地，所述免注浆可回收锚杆还包括控制传感显示系统和位移传感器；所述位移传感器安装在所述永磁组件上，与所述控制传感显示系统之间连接有位移信息导线，所述控制传感显示系统与所述线圈之间连接有电磁导控线；所述控制传感显示系统数据连接有电脑终端。

通过位移传感器实时监测径向位移数据，数据经过控制传感显示系统收集和分析处理后在电脑终端显示，实现了土体力学特性的智能监测。

进一步地，所述永磁组件还包括保护膜；所述保护膜粘结在所述保护壳的顶端，所述保护膜包括具有弹性的高强度纤维膜。

第二方面，本发明还提出一种上述基于电磁效应的免注浆可回收锚杆的施工方法，包括以下步骤：

利用钻机在软土地基上钻出锚固孔；

将所述永磁组件下放至所述锚固孔内；

将所述电磁体组件的锚杆本体插入所述永磁组件内；其中，所述锚杆本体上安装有旋转伸缩组件；调整所述锚杆本体的位置，使旋转伸缩组件与所述永磁组件上的通道对准；

将所述电磁体组件的螺纹转轴安装在所述锚杆本体的上端，将安装有线圈的线圈骨架安装在所述螺纹转轴的外部，且与电源电连接；

将顶座施工在软土地基上，且使顶座包围所述螺纹转轴和线圈骨架；

转动所述螺纹转轴，使旋转伸缩组件的齿轮正转以驱动与其啮合的链式叶片的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过所述通道且嵌入至软土地基中；

将电源启动，使所述电磁体组件与所述永磁组件之间产生斥力，驱使所述永磁组件紧密接触所述软土地基。

本发明的有益效果是：通过将锚杆本体作为电磁体组件的一部分，插入至永磁组件中，当线圈通电时，使所述电磁体组件与所述永磁组件之间产生斥力，驱使所述永磁组件紧密接触所述软土地基，提升抗拔抗压效果；同时，通过转动螺纹转轴，使旋转伸缩组件的齿轮正转以驱动与其啮合的链式叶片的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过所述通道且嵌入至软土地基中，进一步提高锚杆的抗拔抗压特性；另外，由于采用免注浆工艺，线圈断电后，反向转动螺纹转轴，齿轮反转驱动各个叶片单元向心运动以逐一的从软土地基中缩回，再将锚杆本体及永磁组件整体从软土地基的锚固孔中整体拔出，实现锚杆的循环利用。

附图说明

图1为本发明的一种基于电磁效应的免注浆可回收锚杆的主视剖视结构示意图。

图2为本发明的锚杆本体上的旋转伸缩组件与永磁组件的通道配合的俯视结构示意图。

图3为本发明的锚杆本体上的旋转伸缩组件的链式叶片完成离心运动后的俯视结构示意图。

图4为本发明的链式叶片的两个叶片单元之间设置有相配合的卯榫结构的示意图。

图5为本发明的永磁组件的剖面结构示意图。

图6为本发明的顶座的锚盘的俯视结构示意图。

图中，1.螺纹转轴；2.壳体；3.电磁导控线；4.铜管；5.线圈；6.螺栓；7.锚盘；7-1.螺纹孔；7-2导线孔；7-3.锚杆孔；8.位移信息导线；9.控制传感显示系统；10.电源；11.电导线；12.链式叶片；12-1.卯榫结构；13.位移传感器；14.齿轮；15.保护壳；15-1.通道；16.永磁体；17.软土地基；18.线圈骨架；19.复位弹簧；20.锚杆保护层；21.锚杆本体；22.导线接口；23.弹性支撑；24.USB数据线；25.电脑终端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1-6所示的基于电磁效应的免注浆可回收锚杆，包括：顶座、电磁体组件、永磁组件、旋转伸缩组件、控制传感显示系统9和位移传感器13。

顶座包括壳体2、锚盘7和铜管4。

电磁体组件包括螺纹转轴1、线圈骨架18、线圈5、电源10和锚杆本体21。

永磁组件包括永磁体16、保护壳15和保护膜。保护壳15包围在永磁体16的外部。在一些实施例中，保护膜也包围在永磁体16的外部，即永磁体16的外部包围有保护壳15或保护膜，当然，也可以永磁体16的外部既包围有保护壳15，也包围有保护膜。

旋转伸缩组件包括链式叶片12和齿轮14。本实施例中的旋转伸缩组件有多个，沿锚杆本体21的长度方向间隔设置。

如图1所示，顶座上设置有用于螺纹转轴1竖向贯穿的竖向通孔。

壳体2设置在锚盘7的上端，壳体2为中空的圆柱结构或圆管结构。铜管4设置在壳体2的内部，铜管4的管腔即顶座的竖向通孔；螺纹转轴1穿过铜管4的管腔；线圈骨架18设置在铜管4的外部。壳体2、锚盘7和铜管4整体浇筑。在一些实施例中，壳体2和锚盘7整体浇筑。锚盘7上设置有两个导线孔7-2，用于线圈5穿过。锚盘7的中心设置有锚杆孔7-3，用于锚杆本体21穿过或用于螺纹转轴1穿过，以实现锚杆本体21与螺纹转轴1的连接。

壳体2和锚盘7采用DMC、SMC原料和树脂粉刷其表面。线圈骨架18采用阻燃增强尼龙PBT等塑料材料注塑成型。锚盘7上设置有用于与螺栓6配合的螺纹孔7-1，永磁组件的保护壳15与锚盘7采用螺栓6连接固定，用以防止锚杆本体21径向位移过程中保护壳15发生较大偏位影响监测结果。

螺纹转轴1的下端与锚杆本体21的上端连接，从而在螺纹转轴1转动时，也带动锚杆本体21转动。线圈5缠绕于线圈骨架18上，由于螺纹转轴1穿过铜管4的管腔，而线圈骨架18设置在铜管4的外部，因此，线圈5包围在螺纹转轴1的外部。壳体2的一侧设置有导线接口22，用于线圈5与电源10电连接。

锚杆本体21的外部套装有复位弹簧19。复位弹簧19的上端与锚盘7固定连接，下端与锚杆本体21的下端固定连接。当锚杆本体21转动时，复位弹簧19扭转，当螺纹转轴1驱动锚杆本体21转动的力解除时，复位弹簧19回位，驱动锚杆本体21快速反向回转复位，使链式叶片12的各个叶片单元从软土地基17中自动缩回，提高锚杆回收效率。

锚杆本体21的外部设置有锚杆保护层20，锚杆保护层20与永磁组件之间设置有弹性支撑23。弹性支撑23于永磁组件紧密接触。

永磁组件包围在锚杆本体21的外部；永磁组件的直径小于钻机在软土地基17上钻出锚固孔的直径，以保证永磁组件可顺利的下方至锚固孔内。如图2所示，永磁组件上设置有用于旋转伸缩组件通过的通道15-1。该通道15-1设置在旋转伸缩组件的伸缩路径上。永磁体16和保护壳15上均设置有用于旋转伸缩组件通过的通道15-1。若永磁体16的外部设置有保护膜，则保护膜上同样设置有用于旋转伸缩组件通过的通道15-1。

永磁组件为空心圆柱结构，如图2所示，永磁体16为空心圆柱结构，其水平横截面为圆环结构，空心圆柱结构的永磁体16，不仅考虑其自生电磁效应的作用，还考虑了圆柱结构有着较强的抗压特性。永磁体16的外壁和内壁包覆有保护壳15。保护壳15也为空心圆柱结构，其内壁设置有圆环铁板，圆环铁板套装在锚杆本体21的外部；圆环铁板的表面涂覆有防腐层、防水层和非磁性材料层，圆环铁板起到支撑锚杆本体21和永磁体16的作用，使两者保持间距。

本实施例中，保护膜粘结在保护壳15的顶端，保护膜包括具有弹性的高强度纤维膜。保护壳15采用高强度非磁性材料，保护壳15的抗压强度应该为100kg/m2以上，保护壳15的外壁涂覆有防腐、防水材料，保护壳15的内壁经过表面光滑处理。

如图2、图3所示，齿轮14固定于锚杆本体21上，跟随锚杆本体21转动；链式叶片12包括多个相铰接的叶片单元，每个叶片单元与齿轮14啮合，每个叶片单元的内侧设置有齿槽或齿孔，用于与齿轮14的齿啮合。链式叶片12的一端为固定端，与齿轮14或锚杆本体21固定连接，另一端为活动端；齿轮14正转驱动链式叶片12的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过通道15-1且嵌入至软土地基17中，齿轮14反转驱动链式叶片12的各个叶片单元向心运动以逐一的从软土地基17中缩回。

如图2所示，齿轮14正转为顺时针方向，齿轮14反转为逆时针方向。当齿轮14正转时，链式叶片12的各个叶片单元依次通过通道15-1，为了保证通过效果，齿轮14的下方设置有托板，托板与锚杆本体21固定，随锚杆本体21转动的同时，支撑链式叶片12，使链式叶片12保持水平状态。在一些实施例中，托板的上端还设置有螺旋状的引导条，引导条以齿轮14中心的圆心，呈螺旋线布置，形成螺旋槽，轮式叶片的活动端的叶片单元位于螺旋槽内。

如图4所示，链式叶片12的相铰接的两个叶片单元之间设置有相配合的卯榫结构12-1，渐进式连接。卯榫结构12-1水平设置，具有凸出部和凹陷部，相铰接的两个叶片单元的相贴合端面中，其中一个端面设置有凸出部，另一个端面的对应位置设置有凹陷部，当两个叶片单元转动使该两个端面贴合时，凸出部插入至凹陷部内，限制两个叶片单元的竖向位移。当两个叶片单元相远离时，凸出部离开凹陷部，两个叶片单元分离。

位移传感器13安装在永磁组件上，与控制传感显示系统9之间连接有位移信息导线8，控制传感显示系统9与线圈5之间连接有电磁导控线3；控制传感显示系统9数据连接有电脑终端25。控制传感显示系统9与电源10通过电导线11连接。

本实施例中，位移传感器13有六个，沿永磁体16的高度方向间隔分布有三组，每组包括两个分布在永磁体16相对两侧的两个位移传感器13。位移传感器13采用非接触式传感器。当电源10通电后，位移传感器13开始接收径向方向的数据，经控制传感显示系统9的数据处理，电脑终端25与控制传感显示系统9可通过USB数据线24或无线网络连接，最终在电脑终端25上显示。其中，经控制传感显示系统9的数据处理，控制传感显示器需要在网络覆盖下，控制传感显示器自带信号发射装置(包括5g数据处理模块)及网络连接装置，通过5g数据处理模块将这些数据以网络的形式传递到电脑终端25上，最终在电脑终端25将数据分析出。分析结果显示对边坡有影响时会在控制传感显示系统9上报警，反之没有。

在接通电源10时，锚杆本体21周围的齿轮14与链式叶片12因为电磁吸力的作用连接更加紧密，且链式叶片12的每一节叶片单元都采用卯榫渐进式结构，其目的是将链式叶片12、齿轮14、锚杆本体21形成一个整体共同受力，也是能直接反映锚杆本体21的径向位移。

基于同一发明构思，本发明还提出一种上述基于电磁效应的免注浆可回收锚杆的施工方法，包括以下步骤：

利用钻机在软土边坡或需要支护的软土地基17上钻出锚固孔；

将永磁组件下放至锚固孔内；

将电磁体组件的锚杆本体21插入永磁组件内；其中，锚杆本体21上安装有旋转伸缩组件；调整锚杆本体21的位置，使旋转伸缩组件与永磁组件上的通道15-1对准；

将电磁体组件的螺纹转轴1安装在锚杆本体21的上端，将安装有线圈5的线圈骨架18安装在螺纹转轴1的外部，且与电源10电连接；

将顶座施工在软土地基17上，且使顶座包围螺纹转轴1和线圈骨架18；

转动螺纹转轴1，使旋转伸缩组件的齿轮14正转以驱动与其啮合的链式叶片12的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过通道15-1且嵌入至软土地基17中；

将电源10启动，使电磁体组件与永磁组件之间产生斥力，驱使永磁组件紧密接触软土地基17。

上述可回收锚杆安装好后，然后用机械缓慢转动螺纹转轴1，使得链式叶片12的各个叶片单元离心运动以逐一的穿过通道15-1且嵌入至软土地基17中。需要注意，机械旋转过程中尽量保证匀速进行，防止转速过快，链式叶片12深入土体发生弯曲；通过对螺纹转轴1的反向旋转，可将链式叶片12进行回收，然后通过逆向电流将可回收锚杆的锚板本体和永磁体16整体拔出。

在打开电源10时，电磁体组件与永磁组件之间产生斥力，使得保护壳15与软土地基17接触紧密，使得链式叶片12旋转伸进软土地基17中增加锚杆本体21的抗拔抗拉特性。接通电源10后应将周围用电设备减少，降低电磁场对监测结果的影响。

通过永磁组件上还安装有六个以上位移传感器13，可以将径向位移转换成信息传递到控制传感显示系统9，可以精准的测出锚-土界面的法向应力，控制传感显示系统9可将这些信息暂存到设备中，最终导入电脑终端25。

控制传感显示系统9上装有信号发射装置及网络连接装置，可以将传入控制传感显示系统9上的应力数据以网络/USB数据线24这种媒介传递到电脑终端25，进入终端数据处理模块进一步处理得到监测结果。分析结果显示对边坡有影响时会在控制传感显示系统9上报警，反之没有。

在处理数据的过程中，应时刻保持电源10电压稳定，导入数据的过程中可以，适当敲击锚杆支护区域，观察数据是否发生变化，并记录认为因素造成的数据变化，确定锚杆的正常用途。

对锚杆本体21进行回收时，首先关闭电源10，并等上一段时间，待线圈5温度降低后，将链式叶片12收回保护壳15中，再通过逆向电流，使得保护壳15轻微收缩，然后将锚杆本体21和永磁组件拔出收回。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。