CN110043300B - 一种用于岩体快速加固的伞型锚及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于岩体快速加固的伞型锚，包括伞型锚锚头、连接杆；伞型锚锚头包括滑动机构、承力块、导向块、锚头主杆，锚头主杆从导向块中间的通孔中穿过后与滑动机构连接，滑动机构通过锚头主杆与连接杆相连，多个承力块上部分别***导向块凹槽中，并与滑动机构侧面导轨完全贴合；安装时将收拢状态的伞型锚锚头和连接杆伸入锚孔中后，对连接杆进行张拉带动滑动机构挤压承力块使其向外张开并与孔壁挤压。本发明将锚杆的拉力转换为对岩体的挤压力，利用岩体较高的抗压强度获取较大锚固力。本发明适用深度大、施工速度快、效率高，无需注浆、结构抗力大、稳定性好。

Description

一种用于岩体快速加固的伞型锚及应用方法

技术领域

本发明涉及岩体加固技术领域，具体是一种用于岩体快速加固的伞型锚及应用方法。

背景技术

岩体锚固技术是通过埋设在岩体中的锚杆，将结构物与岩体紧紧地连接在一起，依赖锚杆与周围岩体的抗剪强度抵抗结构物的拉力或使岩体自身得到加固，以保持结构物和岩体的稳定。岩石锚杆在公路、铁路、水利、建筑、输变电、采矿等工程建设中的岩石边坡、隧道、抗浮基础、防倾倒基础等岩土构筑物里广泛使用。

目前，岩体锚固的方法主要包括注浆锚杆和机械锚固。

注浆锚杆是在钻孔内注入水泥浆，将锚杆与岩石粘结形成锚固体。但需要水泥浆凝固达到龄期后才能发挥作用，且工艺复杂、灌浆质量很难控制、施工需要的仪器设备较多。

机械锚固是直接利用岩体自身的抗力来提供加固所需的锚固力，施工完成后即可发挥作用，如楔缝式锚杆、倒楔式锚杆、涨壳式锚杆等。

楔缝式锚杆是端头圆钢切缝并在楔缝中***楔子的机械型锚杆。安装时杆体***锚孔后，通过锤击，使铁楔胀开切缝内锚头与孔壁抵紧，由其产生的摩阻力提供锚固力。主要用于在施工期间或使用年限较短的洞室中加固围岩，防止块石塌落。但可提供的锚固力较小，且会随时间的增长而降低。

倒楔式锚杆是端头由相互倒置的固定楔和活动楔组成的机械型锚杆。安装时杆体***锚孔后，用金属杆将活动楔顶入固定楔斜面并将固定楔楔紧在孔内，由其产生的摩阻力提供锚固力。唐海等发明的一种可伸长可回收的金属倒楔式锚杆(专利号：ZL201520264858.9)，锚固部分采用相互倒置的上下楔，安装时把上下楔绑在一起送入锚孔后用金属杆敲击上楔进行锚固。但这种锚杆的上下楔，即固定楔和活动楔完全分离，送入锚孔中容易与岩壁碰擦导致相对位置变化，甚至发生脱离，且需要金属杆敲击使其楔紧，适用深度小，锚固力小，质量很难保证。

涨壳式锚杆是端头由胀壳和锥形螺帽(即楔体)组成的机械型锚杆。安装时旋转杆体，使锥形螺帽向下滑动，迫使胀壳向外张开，楔嵌入钻孔岩壁，并随着杆体的继续转动越楔越牢。但涨壳式锚杆需要将楔体和胀壳片抵住锚孔底，然后转动锚杆使胀壳片张开的安装方法，如果在转动锚杆时产生了横向位移会使胀壳片与围岩咬合不牢固，锚固效果差。有些胀壳锚杆的胀壳片不仅可沿楔体的楔面滑动外，还可能会径向自由脱开，导致锚头在送入锚孔指定位置过程中容易半途与围岩咬合导致锚杆施工困难甚至废孔。汪润中等针对这一问题研制了一种胀壳式锚杆(专利号：ZL201420125404.9)，通过拉绳与弹性绳将胀壳片限制在楔槽内，防止胀壳片半途与围岩咬合，并在楔体下端中部设置向下凸出的尖顶避免横向位移发生。但是在施工过程中胀壳片的受阻情况不同，弹簧绳固定效果不佳且容易与岩壁摩擦发生断裂，增加施工难度。

伞型锚杆目前在土体加固中应用较多，张继红等发明的伞式锚具(专利号CN97103512.1)、程展林等发明的一种抢险专用击入式伞型锚(专利号：ZL201510413982.1)都是利用张开后的锚板挤压土体形成锚固区域，利用土体的抗剪强度获得锚固力。但岩体的性质与土体差别很大，用于土体加固的伞型锚的锚板无法在岩体中张开，在岩体中无法应用。

发明内容

本发明针对已有岩体锚杆和土体伞型锚的不足，提供了一种用于岩体快速锚固的伞型锚及应用方法，采用钻孔设备成孔后将闭合状态的岩体伞型锚送入预定锚固部位，张拉使承力块向外张开抵住孔壁直并达到预定锚力，最终锁定后即可形成锚固力。本发明将锚杆的拉力转换为对岩体的挤压力，利用岩体较高的抗压强度获取较大锚固力，整个工艺非常简单，适用深度大、施工速度快、效率高，结构抗力大、稳定性好、质量可控。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种用于岩体快速加固的伞型锚，包括伞型锚锚头及与伞型锚锚头连接的连接杆，所述伞型锚锚头包括滑动机构、承力块、导向块、锚头主杆，锚头主杆从导向块中间的通孔中穿过后与滑动机构连接，滑动机构通过锚头主杆与连接杆相连，多个承力块上部分别***导向块周边凹槽中，并与滑动机构的侧面导轨完全贴合；安装时收拢状态的伞型锚锚头和连接杆伸入钻孔中后，使用套管抵住导向块，连接杆向上张拉时带动滑动机构向上移动，承力块在滑动机构挤压力作用下沿导向块凹槽向外张开类似伞状，直到承力块外壁与孔壁接触，反向阻滑装置工作防止滑动机构向下运动与承力块分离，取出套管继续张拉达到预定锚力。

进一步的，连接杆内部根据需要穿设预应力钢绞线，并与伞型锚锚头相连。

进一步的，还包括承压板和锁定装置，承压板用于套装在伸出岩体的连接杆上，锁定装置用于将伸出岩体的连接杆、承压板锁定并形成整体。

进一步的，所述锁定装置包括套筒和卡瓦，套筒为金属制做的圆环，中间为用于穿过连接杆的倒圆台形的空腔，卡瓦安装于套筒与连接杆间的楔形间隙，将连接杆、套筒与承压板锁定并形成整体。

进一步的，滑动机构为上小下大正方形截面的六面体，斜面中部有矩形截面导轨，斜面倾角为70°～88°，高度为100mm～400mm。

进一步的，所述承力块外表面为圆弧形，内表面与滑动机构咬合，可沿滑动机构导轨发生相对滑动；上部可***导向块凹槽中，并沿凹槽滑动。

进一步的，所述导向块为中间开方形孔周边开槽的圆柱体，方形孔能允许锚头主杆通过，槽口共四个并均匀分布，槽口只允许承力块横向滑动。

进一步的，所述反向阻滑装置设在锚头主杆与导向块之间、承力块顶部与导向块之间、滑动机构与承力块之间，形式可为弹簧限位装置，承力块与滑动机构发生相对滑移张开与孔壁接触挤压后，反向阻滑装置可限制滑动机构向下运动与承力块脱离。

一种用于岩体快速加固的伞型锚应用方法，包括如下步骤：

步骤一、开启钻孔设备，向岩体内钻孔，直至达到预定深度，移开钻孔设备，期间将伞型锚锚头与连接杆相接，将收拢状态的伞型锚锚头和连接杆伸入锚孔中，并连接第二根连接杆，直至到达设计锚固深度；

步骤二、将套管套在连接杆外伸入锚孔中，直到抵住导向块，向外张拉连接杆，滑动机构向上运动挤压承力块使其张开类似伞状，直至承力块外壁与孔壁接触；

步骤三、取出套管，反向阻滑装置使滑动机构无法向下与承力块分离，安装承压板和锁定装置，然后将大行程中空千斤顶安装于施工平台和承压板上，用卡瓦将千斤顶与连接杆夹紧；

步骤四、启动千斤顶，对尾端的连接杆进行张拉，千斤顶压力计显示拉力达预定锚固力时，用锁定装置将连接杆与承压板锁定，形成整体，施工完成。

对有防腐要求的情况可按照要求进行注浆或涂防腐涂层。

本发明提出的用于岩体快速加固的伞型锚及应用方法，较以往的加固技术有以下方面的进步和优势：

(1)本发明通过连接杆、锚头主杆、滑动机构和承力块的传力途径，将锚杆的拉力转换为对岩体的挤压力，并且拉力越大，对岩体的挤压力也越大，进而锚固力越大。与摩擦型锚杆不同，本发明利用岩体较高的抗压强度获取较大锚固力，结构抗力大，可保证在预定锚固力作用下不破坏；

(2)伞型锚锚头伸入锚孔中时，在收拢状态下承压块不容易在半途与孔壁岩体咬合，到达设计锚固位置后，使用套管将导向块抵住后张拉连接杆，承力块在滑动机构的挤压下沿导向块凹槽张开并与岩体挤压咬合，张拉行程可控，稳定性好，无需抵住锚孔底，锚固位置可根据连接杆长度控制，可保证施工质量；

(3)伞型锚不需要注浆，利用岩体自身抗力提供锚固力，施工完成即可发挥作用，克服了灌浆质量差、龄期长等缺点；

(4)承力块外表面为圆弧形，可充分与孔壁岩体接触，受力面积大，有效工作长度长，锚固力大，且承力块受滑动机构挤压后向外张开行程中心对称，对周围岩体均匀挤压，岩体受力均匀；

(5)钻孔完成后岩体伞型锚施工只需张拉，工艺非常简单，施工速度快、效率高；

(6)伞型锚锚头只在张拉时张开，锚固角度适用范围广，可用于边坡、结构物基础等岩土构筑物加固，包括整体抗滑、水平抗滑、抗浮和防倾倒等。

附图说明

图1是本发明用于岩体快速加固的伞型锚的结构示意图；

图2是本发明用于岩体快速加固的伞型锚收拢状态的侧视图；

图3(a)是本发明用于岩体快速加固的伞型锚收拢状态的俯视图，图3(b)为本发明用于岩体快速加固的伞型锚收拢状态的仰视图；

图4(a)是本发明用于岩体快速加固的伞型锚锚头，收拢状态的剖面示意图，图4(b)是本发明用于岩体快速加固的伞型锚锚头展开状态的剖面示意图；

图5是本发明用于岩体快速加固的伞型锚的受力原理图。

图中：1—伞型锚锚头；2—连接杆；3—承压板；4—锁定装置；5—滑动机构；6—承力块；7—导向块；8—锚头主杆；9—反向阻滑装置；10—连接装置；11—导向块凹槽；12—矩形截面导轨。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明提供一种用于岩体快速加固的伞型锚，包括伞型锚锚头1、连接杆2、承压板3和锁定装置4。

请进一步参考图2至图4，所述伞型锚锚头1包括滑动机构5、承力块6、导向块7、锚头主杆8。锚头主杆8从导向块7中间的通孔中穿过，滑动机构5通过锚头主杆8与连接杆2相连，各承力块6上部分别***导向块7凹槽11中，将滑动机构5完全包裹并接触，收拢状态下锚头直径小于锚孔直径，很容易伸入孔内。

滑动机构5为上小下大正方形截面的六面体，斜面中部有矩形截面导轨12，斜面倾角为70°～88°，高度为100mm～400mm。

承力块6上部可***导向块7凹槽11中(如图2所示)，并在凹槽11中滑动；承力块6的外表面为圆弧形，内表面中部有矩形凹槽(如图3(b)所示)，与滑动机构5的矩形截面导轨12贴合，可沿滑动机构5导轨发生相对滑动。

导向块7为中间开孔周边开槽的圆柱体，孔呈正方形，能允许连接杆2通过(如图2(a)所示)，导向块凹槽11共四个并均匀分布，槽口与承力块6上部形状相匹配，承力块6***导向块7后，只能沿横向滑动。

反向阻滑装置9设在锚头主杆8与导向块7之间、承力块6顶部与导向块7之间、滑动机构5与承力块6之间，形式可为弹簧限位装置等，滑动机构5挤压承力块6发生相对滑移张开并与孔壁接触后，反向阻滑装置9工作(如图4(b)所示)，防止突然卸力后承力块6向下运动与滑动机构5脱离。

连接杆2为可承受锚固所需拉伸力的厚壁钢管，内部根据需要穿设预应力钢绞线，单根长度为1～2m，伞型锚锚头1与连接杆2之间采用连接装置10连接，连接装置10设在锚头主杆8端部，当仅采用钢管与锚头1相连时，连接装置10可为螺纹连接，当采用钢绞线时，连接装置10为可将钢绞线锚固的装置。

承压板3为承受锚固所需压力的方形或圆形金属构件，承压板3底面(与岩体接触一侧)为光滑的平面，承压板顶面可根据受力要求设肋，承压板3在设计受力条件下弯曲变形量不应超过1％。

锁定装置4包括套筒和卡瓦；套筒为金属制做的圆环，中间为倒圆台形的空腔，可穿过连接杆2，卡瓦安装于套筒与连接杆间3的楔形间隙，将连接杆2、套筒与承压板3锁定并形成整体。

初始状态时，四片承力块6完全嵌入导向块7的凹槽11中，并紧贴在滑动机构5四周，使用时，收拢状态的伞型锚锚头1和连接杆2伸入钻好的锚孔内，到达设计位置后使用套管抵住导向块7，连接杆2向上张拉时带动滑动机构5向上移动，承力块6在滑动机构5挤压力作用下沿导向块7凹槽11向外张开(如图4(b)所示)，直到承力块6外壁与孔壁接触，反向阻滑装置9工作防止滑动机构5向下运动与承力块6分离，取出套管继续张拉达到预定锚力。

请参考图5，本发明的受力原理为，连接杆2上用来加固岩体防止其滑动的拉力T使滑动机构5向上运动挤压承力块6，在界面上产生挤压力F_n，承力块向外张开挤压岩体产生挤压力N，岩体阻止锚杆向上运动产生静摩擦力f，稳定状态时f＝T。在岩体抗压强度范围内，拉力T与挤压力N成正比，当滑动机构5楔率取值合适时，拉力T始终小于承力块6与岩体间会发生滑动的限值μN，μ为滑动摩擦系数，即伞型锚与岩体只会越楔越紧，不会发生相对滑动。理论上只要岩体和伞型锚不破坏锚固力无穷大。由于岩体的抗压强度较高，本发明可充分利用其抗压强度，获取较大的锚固力。

本发明提供一种用于岩体快速加固的伞型锚应用方法，包括如下步骤(以边坡为例)：

步骤一、开启钻孔设备，向岩体内钻孔，直至达到预定深度，移开钻孔设备，期间将伞型锚锚头1与连接杆2相接，将收拢状态的伞型锚锚头1和连接杆2伸入锚孔中，并连接第二根连接杆2，直至到达设计锚固深度；

步骤二、将套管套在连接杆2外伸入锚孔中，直到抵住导向块7，向外张拉连接杆2，滑动机构5向上运动挤压承力块6使其张开，直至承力块6外壁与孔壁接触；

步骤三、取出套管，反向阻滑装置9使滑动机构5无法向下与承力块6分离，安装承压板3和锁定装置4，然后将大行程中空千斤顶安装于施工平台和承压板3上，用卡瓦将千斤顶与连接杆2夹紧；

步骤四、启动千斤顶，对尾端的连接杆2进行张拉，千斤顶压力计显示拉力达预定锚固力时，用锁定装置4将连接杆2与承压板3锁定，形成整体，施工完成。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于岩体快速加固的伞型锚，包括伞型锚锚头(1)及与伞型锚锚头(1)连接的连接杆(2)，其特征在于：所述伞型锚锚头(1)包括滑动机构(5)、承力块(6)、导向块(7)、锚头主杆(8)，锚头主杆(8)从导向块(7)中间的通孔中穿过后与滑动机构(5)连接，滑动机构(5)通过锚头主杆(8)与连接杆(2)相连，多个承力块(6)上部分别***导向块(7)周边凹槽中，并与滑动机构(5)的侧面导轨完全贴合；安装时收拢状态的伞型锚锚头(1)和连接杆(2)伸入钻孔中后，使用套管抵住导向块(7)，连接杆(2)向上张拉时带动滑动机构(5)向上移动，承力块(6)在滑动机构(5)挤压力作用下沿导向块(7)凹槽向外张开类似伞状，直到承力块(6)外壁与孔壁接触，反向阻滑装置(9)工作防止滑动机构(5)向下运动与承力块(6)分离，取出套管继续张拉达到预定锚力。

2.如权利要求1所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：连接杆(2)内部根据需要穿设预应力钢绞线，并与伞型锚锚头(1)相连。

3.如权利要求1所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：还包括承压板(3)和锁定装置(4)，承压板(3)用于套装在伸出岩体的连接杆(2)上，锁定装置(4)用于将伸出岩体的连接杆(2)、承压板(3)锁定并形成整体。

4.如权利要求3所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：所述锁定装置(4)包括套筒和卡瓦，套筒为金属制做的圆环，中间为用于穿过连接杆(2)的倒圆台形的空腔，卡瓦安装于套筒与连接杆间的楔形间隙，将连接杆(2)、套筒与承压板(3)锁定并形成整体。

5.如权利要求1所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：滑动机构(5)为上小下大正方形截面的六面体，斜面中部有矩形截面导轨，斜面倾角为70°～88°，高度为100mm～400mm。

6.如权利要求5所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：所述承力块(6)外表面为圆弧形，内表面与滑动机构(5)咬合，可沿滑动机构(5)导轨发生相对滑动；上部可***导向块(7)凹槽中，并沿凹槽滑动。

7.如权利要求1所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：所述导向块(7)为中间开方形孔周边开槽的圆柱体，方形孔能允许锚头主杆(8)通过，槽口共四个并均匀分布，槽口只允许承力块(6)横向滑动。

8.如权利要求1所述的用于岩体快速加固的伞型锚，其特征在于：所述反向阻滑装置(9)设在锚头主杆(8)与导向块(7)之间、承力块(6)顶部与导向块(7)之间、滑动机构(5)与承力块(6)之间，形式可为弹簧限位装置，承力块(6)与滑动机构(5)发生相对滑移张开与孔壁接触挤压后，反向阻滑装置(9)可限制滑动机构(5)向下运动与承力块(6)脱离。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述用于岩体快速加固的伞型锚的应用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、开启钻孔设备，向岩体内钻孔，直至达到预定深度，移开钻孔设备，期间将伞型锚锚头(1)与连接杆(2)相接，将收拢状态的伞型锚锚头(1)和连接杆(2)伸入锚孔中，并连接第二根连接杆(2)，直至到达设计锚固深度；

步骤二、将套管套在连接杆(2)外伸入锚孔中，直到抵住导向块(7)，向外张拉连接杆(2)，滑动机构(5)向上运动挤压承力块(6)使其张开类似伞状，直至承力块(6)外壁与孔壁接触；

步骤三、取出套管，反向阻滑装置(9)使滑动机构(5)无法向下与承力块(6)分离，安装承压板(3)和锁定装置(4)，然后将大行程中空千斤顶安装于施工平台和承压板(3)上，用卡瓦将千斤顶与连接杆(2)夹紧；

步骤四、启动千斤顶，对尾端的连接杆(2)进行张拉，千斤顶压力计显示拉力达预定锚固力时，用锁定装置(4)将连接杆(2)与承压板(3)锁定，形成整体，施工完成。

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