CN108331604B - 一种裂隙微生物自修复让压锚杆 - Google Patents
一种裂隙微生物自修复让压锚杆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种裂隙微生物自修复让压锚杆，包括杆体、支承垫板、螺母、止溢塞、让压装置和自修复装置；让压装置套装在杆体的头端，让压装置的外侧设置有锚固剂层；自修复装置包括套装在杆体外的套管及多根挤压破碎管，自修复装置还包括活塞以及挡板，多根挤压破碎管中至少包括盛装细菌悬浮液的挤压破碎管、用于盛装A组分胶黏剂的挤压破碎管以及用于盛装B组分胶黏剂和尿素、钙源的混合液的挤压破碎管。采用本发明的技术方案，本发明公开一种裂隙微生物自修复让压锚杆，本发明能保持岩体的完整性，减少锚杆侵蚀并增加了支护体系的安全性，实现了让压与自修复功能的结合，适用于有高地应力威胁的围岩支护。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程锚固支护领域，特别是涉及岩体的支护领域，具体地指一种适用于有高地应力威胁的围岩支护中，对有效防治围岩变形造成的损害具有现实意义的裂隙微生物自修复让压锚杆。
背景技术
在岩土工程支护中，锚杆是应用广泛的一种支护设备。随着矿山、水利、隧道等工程埋深不断增加，面临的地质条件越来越复杂，能量吸收锚杆需求在全球不断扩大，各种类型的能量吸收锚杆已经在市场上出现。吸能锚杆的主要原理为通过让压装置的变形或滑移以及杆体的伸长等来实现锚杆与围岩的协调变形，达到让压的目的。但是，围岩变形后，裂隙的产生为水、气提供了便利的通道，加快了锚杆的腐蚀速度，从而降低了支护体系的安全性。针对这一问题专利号CN201620455278.2公开了“大变形自修复抗岩爆锚杆”，能产生大变形提供持续恒定阻力的同时实现岩体裂隙自修复的抗岩爆锚杆。锚杆让压变形的同时，使套管中的A组分胶粘剂挤压到胀体管中与B组分胶粘剂混合生成泡沫状胶黏剂，填充到锚孔和岩体变形产生的裂隙中，从而达到自修复的目的。但是，如果让压装置变形不大，会导致A组分胶粘剂与B组分胶粘剂混合不充分，进而影响自修复的效果。
鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简易、易于加工制作、安全性更佳的裂隙微生物自修复让压锚杆。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种裂隙微生物自修复让压锚杆，包括杆体、支承垫板、螺母、止溢塞、让压装置和自修复装置；所述让压装置套装在所述杆体的头端，所述让压装置的外侧设置有锚固剂层；所述自修复装置包括套装在所述杆体外的套管及多根挤压破碎管，所述自修复装置还包括活塞以及挡板，所述套管套设在所述杆体外且与所述让压装置的尾端静联接，所述挡板套设在所述杆体外且与所述套管的尾端静联接，所述活塞设置在所述套管内且位于所述套管的头端，所述活塞与所述杆体固定连接，所述挤压破碎管设置在所述套管内，所述挤压破碎管的一端与所述活塞的尾端紧密贴合，所述挤压破碎管的另一端与所述挡板的头端紧密贴合，所述止溢塞、支承垫板以及所述螺母安装在所述杆体的尾端，多根挤压破碎管中至少包括盛装有细菌悬浮液的挤压破碎管、用于盛装A组分胶黏剂的挤压破碎管以及用于盛装B组分胶黏剂和尿素、钙源的混合液的挤压破碎管，所述A组分胶黏剂和所述B组分胶黏剂采用公知的相配用的胶黏剂。
作为本发明的一种优选方式，所述B组分胶黏剂、所述尿素以及所述钙源置于同一根所述挤压破碎管中。
作为本发明的一种优选方式，所述杆体呈实心圆柱形，所述杆体为圆钢杆体或玻璃钢杆体。
作为本发明的一种优选方式，所述让压装置呈筒状结构，所述让压装置为恒阻让压装置或者变阻让压装置。
作为本发明的一种优选方式，所述套管为外径小于钻孔孔径的不锈钢钢管，所述不锈钢钢管管壁带均匀分布的圆孔。
作为本发明的一种优选方式，所述活塞为圆环形，所述活塞为钢制活塞，所述活塞靠近所述杆体的侧面焊接在所述杆体上，所述挤压破碎管为脆性材料加工而成。
作为本发明的一种优选方式，所述挤压破碎管沿所述杆体的轴向延伸，多根所述挤压破碎管沿所述杆体的周向均匀布设在所述套管和杆体之间。
作为本发明的一种优选方式，所述挤压破碎管的个数为12个。
作为本发明的一种优选方式，所述细菌悬浮液为球形芽孢杆菌悬浮液，浓度为109cell/ml，所述尿素浓度为1mol/l，所述钙源采用CaCl2，浓度为1mol/l。
作为本发明的一种优选方式，所述A组分胶黏剂为带羟基基团的胶黏剂组分，所述B组分胶黏剂为带游离异氰酸酯基团的胶黏剂组分。
采用本发明的技术方案，其有益效果在于：锚杆结构主要包括杆体、支承垫板、螺母、止溢塞、让压装置和自修复装置，结构简单；杆体产生轴向的相对位移时，让压装置提供变形阻力，挤压破碎管受压破裂，A组分胶黏剂和B组分胶黏剂融合生成聚氨酯泡沫，填充粘合杆体与孔壁之间的孔隙和由岩体变形产生的裂隙。细菌细胞嵌入聚氨酯泡沫内，聚氨酯泡沫起到固定细菌的作用，细菌接触钙源和尿素生成碳酸钙实现裂隙的自修复。本发明能保持岩体的完整性，减少锚杆侵蚀并增加了支护体系的安全性，实现了让压与自修复功能的结合，适用于有高地应力威胁的围岩支护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A处锚杆的断面剖面图；
图中：
杆体 1 让压装置 2
套管 3 活塞 4
挤压破碎管 5 挡板 6
锚固剂层 7 止溢塞 8
螺母 9 支承垫板 10
钻孔 11 细菌悬浮液 12
A组分胶黏剂 13
B组分胶黏剂和尿素、钙源的混合液 14
具体实施方式
一种裂隙微生物自修复让压锚杆，如图1、图2所示，包括杆体1、让压装置2和自修复装置；杆体1呈实心圆柱形，采用圆钢加工而成，杆体1位于该裂隙微生物自修复让压锚杆的中间位置，以杆体1靠近钻孔11深部的一端为头端，以杆体1远离钻孔11深部的一端为尾端，杆体1的头端与让压装置2相接，杆体1的尾端通过螺纹与支承垫板10、螺母9相连接，支承垫板10为金属支承垫板，螺母9采用等强螺母与杆体1螺纹连接，杆体1靠近尾端的位置处套设有用于密封钻孔11的止溢塞8，止溢塞8为环状橡胶制品，外径略大于钻孔孔径，内径略小于杆体1直径，以实现密封的效果。
让压装置2呈筒状结构，让压装置2的中部形成有内孔，让压装置2通过内孔套装在杆体1的头端，让压装置2的内孔与杆体1尺寸相配合，让压装置2采用摩擦式恒阻让压装置，让压装置2的外侧覆有锚固剂层7。
自修复装置包括套装在杆体1外的套管3及挤压破碎管5，自修复装置还包括活塞4、挡板6以及双组分胶黏剂，套管3采用外径小于钻孔11孔径的不锈钢钢管，管壁带均匀分布的圆孔，用于安放挤压破碎管5。套管3套设在杆体1外且与让压装置2的尾端螺纹连接，活塞4呈圆环形，活塞4采用钢材加工制造，活塞4靠近杆体1的侧面焊接在杆体1上，活塞4设置在套管3内，活塞4的外径比套管3的内径略小，活塞4夹设在杆体1和套管3之间，活塞4可随着杆体1在套管3内移动，挡板6呈圆环形，套设在杆体1外，焊接在套管3的尾端。
挤压破碎管5采用玻璃加工而成，挤压破碎管5设置在套管3内，挤压破碎管5的一端与活塞4的尾端紧密贴合，挤压破碎管5的另一端与挡板6的头端紧密贴合，细菌悬浮液12，A组分胶黏剂13，B组分胶黏剂和尿素、钙源的混合液14按一定比例分别盛装在不同的挤压破碎管5内，本发明，也可以将B组分胶黏剂和尿素、钙源分别放置在不同的挤压破碎管中，挤压破碎管5个数为12个，分成相同的四组，挤压破碎管5呈对称设置在所述套管3和杆体1之间。细菌采用球形芽孢杆菌(B.sphaericus，LMG 22,557)，浓度为109cell/ml。尿素浓度为1mol/l，钙源采用CaCl2浓度为1mol/l。
本发明中，A组分胶黏剂13，B组分胶黏剂和尿素、钙源的混合液14构成了微生物修复试剂。A组分胶黏剂13和B组分胶黏剂可以直接采用现有技术介绍的胶黏剂，如采用专利号CN201620455278.2中对应的成分。
微生物成矿学研究表明土壤中的某些细菌，如巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)拥有将松散砂粒胶凝固定在一起的神奇本领，其利用反应环境中的尿素等有机物以及钙离子源，较快的析出具有良好胶凝性质的碳酸钙结晶，这一技术被称为MICP(Microbial Induced Carbonate Precipitation)技术(DeJong et al.，2006)。巴氏芽孢杆菌在其自身的生长代谢过程中可以持续产生一种高活性的脲酶。脲酶可以催化尿素的水解，生成氨和二氧化碳，通过细胞壁分散到溶液中，然后迅速水解生成铵离子和碳酸根离子。尿素水解后生成的碳酸根遇到钙离子将生成碳酸钙沉淀，包裹住细菌。整个反应过程中，细菌主要起到两个作用，核心的作用是提供脲酶，另一个是为碳酸钙晶体的形成提供晶核(DeJong et al.，2006)。
荷兰代尔夫特大学的Jonkers用好氧耐碱芽孢杆菌取代厌氧杆菌和培养基一起掺入混凝土材料，利用微生物进行混凝土自愈合研究。混凝土的高碱性使细菌处于休眠的孢子状态，而一旦混凝土开裂，氧气和水分就会进入，使细菌恢复其新陈代谢功能，呼吸产生二氧化碳，而二氧化碳在湿润环境中与水泥基材料中的钙离子反应生成碳酸钙，避免的裂缝的进一步扩展。比利时根特大学J.Y.Wang等人研究出获得最大碳酸钙沉积量的菌液、尿素和钙源的浓度，实验证明由于自愈合作用，强度可以恢复到初始值的60％。相关文献见DeJong,J.T.,Fritzges,M.B.,and Nusslein,K.Microbially induced cementation tocontrol sand response to undrained shear.Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering,2006,132(11),1381-1392。Jonkers H.M.Self healingconcrete:a biological approach[M].Self Healing Materials.SpringerNetherlands,2008:195-204。Wang J.Y.,Van Tittelboom K.,De Belie N.,etal.Potential of applying bacteria to heal cracks in concrete[C].Proceedingsof the second international conference on sustainable construction materialsand technologies.Ancona,Italy.2010:1807-1818.
本发明巧妙地利用这类细菌的特性，并配合钙源和尿素生成碳酸钙实现裂隙的自修复。
下面结合本发明的结构对本发明的安装方式、工作原理做进一步的说明：
本发明的裂隙微生物自修复让压锚杆安装时，在钻孔11深部装入早强锚固剂，在钻孔11外依次将杆体1、让压装置2、自修复装置组装成整体，再将组装的整体放入钻孔11，杆体1头端的让压装置2将早强锚固剂充分搅拌、挤压并在孔中填充密实，从而在让压装置2的外侧形成锚固剂层7，待早强锚固剂达到所需强度后，可在杆体1的尾端依次安装止溢塞8、支承垫板10和螺母9，进行张拉，施加一定预应力，当围岩变形使得杆体1产生轴向的相对位移时，让压装置2提供变形阻力，同时由于杆体1带动活塞4滑动，活塞4挤压挤压破碎管5，使挤压破碎管5破碎，挤压破碎管5内的A组分胶黏剂13，B组分胶黏剂14融合生成聚氨酯泡沫填充到钻孔11和岩体变形产生的裂隙中。细菌细胞嵌入聚氨酯泡沫内，利用聚氨酯固定细菌，细菌接触钙源和尿素生成碳酸钙进一步填充裂隙，实现围岩裂隙的自修复，止溢塞8防止微生物修复试剂从杆体1的尾端溢出钻孔11。
因此，本发明实现了让压与自修复功能的结合，适用于有高地应力威胁的围岩支护。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (10)
1.一种裂隙微生物自修复让压锚杆，包括杆体、支承垫板、螺母、止溢塞、让压装置和自修复装置；所述让压装置套装在所述杆体的头端，所述让压装置的外侧设置有锚固剂层；其特征在于：所述自修复装置包括套装在所述杆体外的套管及多根挤压破碎管，所述自修复装置还包括活塞以及挡板，所述套管套设在所述杆体外且与所述让压装置的尾端静联接，所述挡板套设在所述杆体外且与所述套管的尾端静联接，所述活塞设置在所述套管内且位于所述套管的头端，所述活塞与所述杆体固定连接，所述挤压破碎管设置在所述套管内，所述挤压破碎管的一端与所述活塞的尾端紧密贴合，所述挤压破碎管的另一端与所述挡板的头端紧密贴合，所述止溢塞、支承垫板以及所述螺母安装在所述杆体的尾端，多根挤压破碎管中至少包括盛装细菌悬浮液的挤压破碎管、用于盛装A组分胶黏剂的挤压破碎管以及用于盛装B组分胶黏剂的挤压破碎管和用于盛装尿素的挤压破碎管、用于盛装钙源的挤压破碎管，所述A组分胶黏剂和所述B组分胶黏剂采用相配用的胶黏剂。
2.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述B组分胶黏剂、所述尿素以及所述钙源置于同一根所述挤压破碎管中。
3.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述杆体呈实心圆柱形，所述杆体为圆钢杆体或玻璃钢杆体。
4.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述让压装置呈筒状结构，所述让压装置为恒阻让压装置或者变阻让压装置。
5.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述套管为外径小于钻孔孔径的不锈钢钢管，所述不锈钢钢管管壁带均匀分布的圆孔。
6.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述活塞为圆环形，所述活塞为钢制活塞，所述活塞靠近所述杆体的侧面焊接在所述杆体上，所述挤压破碎管为脆性材料加工而成的挤压破碎管。
7.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述挤压破碎管沿所述杆体的轴向延伸，多根所述挤压破碎管沿所述杆体的周向均匀布设在所述套管和杆体之间。
8.如权利要求6所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述挤压破碎管的个数为12个。
9.如权利要求1所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述细菌悬浮液为球形芽孢杆菌悬浮液，浓度为109cell/ml，所述尿素浓度为1mol/l，所述钙源采用CaCl2，浓度为1mol/l。
10.如权利要求8所述的一种裂隙微生物自修复让压锚杆，其特征在于：所述A组分胶黏剂为带羟基基团的胶黏剂组分，所述B组分胶黏剂为带游离异氰酸酯基团的胶黏剂组分。
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