[发明专利]拉压耦合型高强大变形锚杆及其使用方法

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 101586466B，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：