一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆及其锚固方法

技术领域

本发明属于锚具技术领域，具体涉及一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆。

背景技术

随着铁路干线不断向外延伸，地质条件越发多变复杂，隧道修建难度不断增大。修建隧道过程，围岩剥落、坍塌事故时有发生，而在面对这类大变形问题时，最为可行的支护措施是采用让压原理而非抵抗原理，让支护结构拥有大变形的能力与随围岩共同变形，允许一定的围岩变形会减少支护上受到的围岩压力，直到围岩压力释放到支护结构可支护能力之内。但是当下的大变形锚杆主要集中在煤矿巷道中，无法向安全要求更高的铁路隧道提供足够的锚固力。并且火车作为一个动荷载，对隧道的围岩支护方式也有一定的耐久性和抗震性要求，而现今的很多锚杆都无法满足这一要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆，解决现有技术中的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆，包括杆体与套管，杆体位于套管内，杆体外表面设有多个第一凸块，套管内壁上设有多个第二凸块，第一凸块与第二凸块对应错位设置。

优选的，第一凸块与第二凸块均为半球形块。

优选的，第一凸块呈螺旋状均匀分布在杆体外表面，第二凸块螺旋状均匀分布在套管内壁上。

优选的，第一凸块由内到外的直径逐渐减小，第二凸块由内到外的直径逐渐减小。

优选的，第一凸块与第二凸块的球状面为粗糙面。

优选的，套管一端固定连接头部端盖，套管另一端固定连接尾部端盖，杆体从尾部端盖的中心孔内穿过。

优选的，尾部端盖的一侧固定连接防脱环。

本发明还公开了一种采用上述基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆对铁路隧道锚固的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、先在隧道中打锚孔，锚孔直径与套管直径相配合；

S2、将杆体尾部从套管头部穿过，旋扭杆体，使杆体的第一凸块和套管内第二凸块相互咬合，套管两端放进密封塞，并盖上尾部端盖与头部端盖，即可完成锚杆的组装；

S3、将组装好的锚杆安装在锚孔中，向锚孔中注入锚固剂，待锚固剂凝固后，锚孔的孔口处盖上托盘，在杆体一端设置螺母并拧紧，达到设计的预紧力即可完成通过锚杆进行加固的过程。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明依据颗粒咬合剪胀原理，当隧道围岩发生大变形时，第一凸块与第二凸块开始咬合，咬合过程中，伴随着正压力和摩阻力的产生，出现剪胀效应，迫使套管发生径向膨胀而使杆体相对移动，套管的膨胀，使得锚杆与围岩形成一个整体，共同受力变形，但由于围岩的约束，套管无法进一步膨胀，将会对第一凸块产生巨大的正压力，而正压力的提高也会进一步增大摩阻力，即锚固力得到进一步的提升。杆体与套管的相对移动，也使得围岩进行有限制的变形，即吸收围岩能量，使得围岩稳定，但是因为防脱块的存在，达到极限移动后，杆体将无法挣脱套管的约束，也避免了锚杆的失效。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图。

图2为第二凸块受力示意图；

图3为杆体的受力结构示意图；

图4为本发明的咬合剪胀前示意图；

图5为本发明的咬合剪胀示意图；

图6为颗粒的咬合剪胀示意图；

图7为剪应变—剪应力关系曲线示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了如图1所示的一种基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆，包括杆体1与套管2，杆体1位于套管2内，杆体1外表面设有多个第一凸块4，套管2内壁上设有多个第二凸块3，第一凸块4与第二凸块3对应错位设置，且紧密贴合，为锚杆初始锚固提供预紧力，并通过第一凸块4与第二凸块3之间相对移动，后续出现第一凸块4与第二凸块3咬合，进而提供连续增强的锚固力。

第一凸块4与第二凸块3均为半球形块。第一凸块4呈螺旋状均匀分布在杆体1外表面，第二凸块3螺旋状均匀分布在套管2内壁上。如此设计，可以采用拧动的方式将杆体1旋拧进入至套管2内，套管2外表面设置月牙纹带肋，增强套管与注浆的粘结。

第一凸块4由内到外的直径逐渐减小，第二凸块3由内到外的直径逐渐减小。第一凸块4与第二凸块3的球状面为粗糙面，使得第一凸块4与第二凸块3咬合之后产生摩擦力；并且第一凸块4金属强度和硬度应比第二凸块3高一个等级，防止在咬合移动过程中第一凸块4直径变小，使得锚固力降低。

套管2一端固定连接头部端盖5，套管2另一端固定连接尾部端盖6，杆体1从尾部端盖6的中心孔内穿过。头部端盖5与尾部端盖6内部设置止水密封圈，防止水汽进入套管。

尾部端盖6的一侧固定连接防脱环7。防脱环7防止杆体达到套管极限让压距离后从套管中挣脱出来，使得锚杆锚固力失效。

本发明基于颗粒咬合剪胀原理，咬合移动的过程中可以持续使套管膨胀，并逐级提高拉拔力。当本发明杆体颗粒采用表面粗糙的金属时，根据颗粒剪胀理论，结合受力分析图，可以得到杆体工作力学计算公式为：

P＝nQtan(μ+β)

式中，P为杆体所受拉拔力，n为第一凸块数量，Q为平均单个第二凸块所受法向力，tanμ为第一凸块与第二凸块接触面摩擦系数，β为第一凸块与第二凸块间的倾角。

在设计阶段，可以通过试验得到P，依据上述公式可得到峰值锚固力时，第二凸块所受法向力Q，同时可以计算出套管的平均围压，可以依据围压设计出合适的套管壁厚；在使用阶段，也可基于上述公式，反算出套管平均的围压，据此估计围岩受力情况。

第一凸块与第二凸块接直径可根据具体的地质和工程设定，套管的长度也可以有不同的规格。根据杆体金属颗粒设定的数量、摩擦系数、直径、套管壁厚等因素的不同，拉拔力小则几吨，最大可达到几百吨。

本发明中，颗粒咬合剪胀原理如下：密砂颗粒相互之间存在咬合作用，当密砂受到剪切作用，颗粒之间的咬合受到破坏，由于颗粒排列紧密，在剪力作用下，颗粒要产生位移，必然要围绕相邻颗粒转动，从而造成土骨架的膨胀，称为剪胀，如图6所示。土体膨胀所作的功，需要一部分剪应力去抵偿，因而提高了抗剪强度。对于一般的物体，当受到挤压的时候，它的体积会变小，但致密堆积的砂土，一挤压它，它的体积反而会膨胀，内部的空隙反而变多了。背后的原理在于，砂土的剪胀性，沙子颗粒之间本来堆积得挺紧密的，但受到挤压后沙子颗粒被迫相互滑动，反而让出了更多的空隙，发生剪胀使孔洞增加；一旦停止挤压，颗粒一归位，孔洞减少变回致密。在挤压的过程中，会产生咬合摩擦，而咬合摩擦是颗粒间因为相对错动而引起的约束作用。原先咬合好的颗粒，当土体受剪切时，剪切面上的颗粒必须翻越相邻的颗粒或其尖角被折断后才能发生移动，以脱离原有的咬合状态。在这一过程中，土体的体积膨胀，孔隙比增大，所消耗的能量由剪应力做功来提供。松砂，剪应力随剪切位移的发展缓慢地提高，直到剪切位移相当大时，剪应力才达到最大值，以后不再减小，其最大剪应力与密砂的残余强度基本相等。密砂的初始孔隙比较小，其应力—应变关系曲线有明显的峰值，超过峰值后，随应变的增加应力逐步降低，曲线上相应于峰值强度，而最终稳定时的强度为残余强度。相应于峰值强度，而最终稳定时的强度为残余强度。无论是松砂还是密砂在剪切作用下都会趋近于一个稳定的抗剪强度，如图7所示，图中，类型Ⅰ：松砂、正常固结粘土；类型Ⅱ：密砂、强超固结粘土，如此，才得到本发明的基于颗粒咬合剪胀原理的分级增阻锚杆，不仅利用自然存在的颗粒咬合剪胀特性提高锚固强度，还通过排列颗粒大小级配来进行分级增阻，并且咬合过程中能有效减缓震动以提高耐久性。

本发明依据颗粒咬合剪胀原理，当隧道围岩发生大变形时，第一凸块与第二凸块开始咬合，咬合过程中，伴随着正压力和摩阻力的产生，出现剪胀效应，迫使套管发生径向膨胀而使杆体相对移动，套管的膨胀，使得锚杆与围岩形成一个整体，共同受力变形，但由于围岩的约束，套管无法进一步膨胀，将会对第一凸块产生巨大的正压力，而正压力的提高也会进一步增大摩阻力，即锚固力得到进一步的提升。杆体与套管的相对移动，也使得围岩进行有限制的变形，即吸收围岩能量，使得围岩稳定，但是因为防脱块的存在，达到极限移动后，杆体将无法挣脱套管的约束，也避免了锚杆的失效。

本发明的基于颗粒咬合剪胀原理的分级增阻锚杆的工作原理是：当围岩发生小变形或震动时，颗粒之间产生咬合剪胀，即第一凸块与第二凸块之间产生咬合剪胀，并使套管径向膨胀的弹性变形以利于发生相对位移，且随着颗粒间的剪胀加剧，即第一凸块与第二凸块之间剪胀加剧，锚杆与套管的咬合愈发紧致；当围岩发生大变形或强震时，第一凸块与套管后端较大的第二凸块咬合，第一凸块与第二凸块之间发生紧致的级配剪胀，使得套管与围岩成为一个整体，锚固力愈发加强。

充分利用第一凸块与第二凸块咬合中的摩阻力和剪胀使得套管内部形成巨大的压力，该压力在拉拔过程中持续延伸。通过第一凸块与第二凸块间的大小级配，持续提高锚固力，而剪胀的结果是使第一凸块与第二凸块从低势能状态变为高势能状态，要消耗额外能量，有助于提高锚固强度，其中的额外能量就是围岩变形的能量，因此可以保持围岩的稳定。除了可提供阻力大，结构简单外，本发明还具有抗震，耐久性强，性能稳定等优点。

实施例2

本实施例公开了本发明还公开了一种采用上述基于颗粒剪胀原理的分级增阻锚杆对铁路隧道锚固的方法，包括如下步骤：

S1、先在隧道中打锚孔，锚孔直径与套管直径相配合；

S2、将杆体尾部从套管头部穿过，旋扭杆体，使杆体的第一凸块和套管内第二凸块相互咬合，套管两端放进密封塞，并盖上尾部端盖与头部端盖，即可完成锚杆的组装；

S3、将组装好的锚杆安装在锚孔中，向锚孔中注入锚固剂8，待锚固剂凝固后，锚孔的孔口处盖上托盘9，在杆体一端设置螺母10并拧紧，达到设计的预紧力即可完成通过锚杆进行加固的过程。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的防护范围之内。