CN114017086B - 一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下工程支护领域，公开了一种适应围岩大变形的抗拉‑剪连续玄武岩纤维复合锚杆，包括玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯，钢螺旋套筒，玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层，碳纤维网布，螺纹钢套筒，托盘和螺母。钢螺旋套筒可与玄武岩纤维增强树脂复合材料变形协调一致，保留了较高的抗拉强度又同时解决了刚度协调问题。钢螺旋套筒可在玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯失效后继续提供拉力，适应围岩大变形。钢螺旋套筒外侧附有玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层和碳纤维网布，可保护锚杆内部结构。最外层附有螺纹钢套筒，大幅增加了锚杆抗剪强度。本发明中的锚杆能增强现有玄武岩纤维复合锚杆的大变形性能和抗剪强度，提高支护稳定性。
Description
技术领域
本发明专利是涉及地下工程支护领域，尤其是一种能适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合材料锚杆。
背景技术
钢筋锚杆一直是广泛应用于地下工程的锚固支护构件。随着近年的发展，纤维复合材料的应用将地下工程围岩锚固技术带入了新高度。玄武岩纤维复合筋由于抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀性好等优点在地下工程支护结构中受到越来越多的重视，并逐渐成为钢筋的替代品。
然而，地下工程锚固结构受力复杂，越来越多的研究和现场监测数据表明锚杆受到拉力和剪切的联合作用，对于锚杆的性能要求也越来越高，不仅要求较高的拉伸性能，还需要一定的抗剪性能。尤其是近年来地下开采深度的不断递增，岩爆和冲击地压出现的强度及频率的逐级增加，围岩的剪切滑移和大变形现象时常发生，需要有更有效的手段来治理工程灾害。虽然玄武岩纤维复合筋存在众多优点，但玄武岩纤维复合筋为线弹性材料，存在脆性大、在断裂失稳条件下无明显预兆等问题，并成为制约其发展的瓶颈。另外，玄武岩纤维复合筋剪切强度大约是抗拉强度的26%，用作锚固结构抵挡围岩抗剪滑移的效果一般，因此，现有的单一玄武岩纤维复合材料制作成的锚杆难以抵御类似工程灾害。纵然有钢-连续玄武岩纤维复合筋结合了钢筋和玄武岩纤维复合筋的特点，但存在纤维复合材料和钢筋内芯变形不协调的问题。具体表现为钢的弹性模量是玄武岩纤维复合筋的2~3倍，极易发生钢筋内芯和表皮纤维变形不协调而导致粘结界面产生出现滑移现象。因此需要改进玄武岩纤维复合材料锚杆的结构，要求新的连续玄武岩纤维复合锚杆具有较高的抗剪强度和较好的延展性能，使其应对围岩失稳和大变形时不被破坏，并且能够保证变形协调。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，使得锚杆在保留原玄武岩纤维复合锚杆良好拉伸性能的基础上，具有更强的抵抗大变形的延伸性能和抗剪性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明是一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，由玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯、钢螺旋套筒、玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层、碳纤维网布层、螺纹钢套筒、托盘和螺母共同组成。
所述玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯和玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层均是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。该材料筋的极限抗拉强度为钢筋2~3倍，一般在1000MPa以上，弹性模量为40~50GPa，具有极强的抗拉伸性能。
所述钢螺旋套筒为高强度钢板片材料制作而成，钢板片的弹性模量较大，约为200GPa，将钢板片经盘旋缠绕成钢螺旋套筒。
进一步，可控制钢螺旋套筒的匝数和截面面积，使其纵向拉伸的延伸率控制在原结构的3~4倍，即通过该方式降低了钢构件整体的弹性模量，使其与玄武岩纤维复合材料的刚度保持一致，进而实现协同变形的效果。
所述的碳纤维网布为碳纤维经左右螺旋缠绕制成的密集渔网状结构，缠绕和覆盖在玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层的外表面。
进一步，碳纤维网布有较高的抗拉和抗剪强度，能提高抗剪切性能。
所述螺纹钢套筒的内侧通过喷砂或者打磨工艺形成粗糙面，进一步增加连接性能，外侧带有螺纹，方便安装锚具。
所述托盘中间具有空洞和螺纹，空洞孔径与外侧螺纹钢套筒相匹配，内侧螺纹可与外侧螺纹钢套筒组合链接。
所述螺母内侧螺纹可与外侧螺纹钢套筒组合链接。
本发明的有益效果是，所植入的钢螺旋套筒具有延伸率、变形刚度可控的特点，可与玄武岩纤维增强树脂复合材料变形协调一致，既保障了原有的抗拉强度又同时解决了结构的刚度协调问题。钢螺旋套筒可在玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯失效后继续提供拉力。钢螺旋套筒外侧附有玄武岩纤维保护层，填补钢螺旋套筒之间的缝隙。碳纤维网布具有较高的抗拉和抗剪强度，可保护里面的纤维基质免受剪切破坏。最外层的螺纹钢套筒进一步增加了锚杆的抗剪强度。
实际应用过程中，锚杆可处于以下工作状态：锚杆受拉伸应力处于极限拉伸应力以下时，结构处于弹性变形阶段，此时拉伸应力主要由玄武岩纤维复合材料承担。当锚杆结构发生拉伸大变形时，内芯和外侧包裹的玄武岩纤维增强树脂复合材料出现脆性断裂失效后，依然有植入的钢螺旋套筒继续提供拉力，允许锚固结构在大变形后依然保持一定锚固力。
进一步，锚杆受剪切应力处于极限剪切应力以下时，结构处于弹性变形阶段，此时剪切应力主要由外侧螺纹钢套筒承担。当结构发生剪切大变形，内侧的玄武岩纤维复合材料会首先出现断裂。夹层中的碳纤维网布能提供结构柔性剪切缓冲作用。随着变形的继续增大，外侧螺纹钢套筒随剪切断裂后，植入的钢螺旋套筒继续保证结构的连续性，维持剪切而不断的效果。
本发明构造简洁，制造过程和使用过程都非常简单，并且在保留玄武岩纤维复合筋较高的抗拉伸性能的基础上，提高了锚杆结构的抗剪强度和抵抗大变形的能力，具有更加出色的锚固效果。
附图说明
图 1 本发明专利的锚杆杆体剖切面示意图。
图 2 本发明专利的锚杆杆体横截面示意图。
图 3 本发明专利的锚杆整体示意图。
图 4 本发明与连续玄武岩纤维复合锚杆拉伸强度对比。
图 5 本发明与钢筋锚杆拉伸强度对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。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。
请参阅图1-5，本发明提供以下技术方案：
一种能适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合材料锚杆，由内而外包括1玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯，2 钢螺旋套筒，3玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层，4 碳纤维网布，5 螺纹钢套筒，6 托盘和7 螺母。
钢螺旋套筒2为提前预制结构，钢螺旋套筒2的延伸率和拉伸刚度根据所用玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯的实测弹性模量而定，通过改变匝数和截面面积而实现，一般可控制在40~50GPa。
钢螺旋套筒2、玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯1、玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层3为一体浇筑成型。
具体的，将预制的玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯1套入预制的钢螺旋套筒2中，以整体保持轴向稳定不动，将玄武岩纤维拉伸以螺旋编制缠绕的方式紧紧包裹住钢螺旋套筒2，并填充基质形成玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层3。
进一步地，在填充基质之前先用玄武岩纤维缠绕钢螺旋套筒2的空隙处将其空间填满，使筋体内部没有空洞。
进一步地，在填充基质前钢螺旋套筒2可预先进行张拉，进一步提高锚杆的刚度，所使用张拉力低于所用树脂基质的抗压强度，以防止树脂基质被夹碎，经测得张力在树脂基质强的80%以下可以正常使用。
碳纤维网布4通过环氧树脂粘接在玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层3的外侧。
螺纹钢套筒5通过环氧树脂粘接在碳纤维网布4的外侧。
将锚杆杆体套入安装到托盘6中，并拧上螺母7即可完成锚杆的安装。
为了进一步体现本发明的结构优势，对本发明的锚杆进行拉伸数值模拟试验，得到结果如图4和图5所示，数值模拟和试验均选用直径为10mm的锚杆进行分析，数值模拟采用有限元ABAQUS软件。
玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯1和玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层3均采用线弹性模拟断裂之前的变形特征，采用脆性裂纹模拟到达极限强度以后材料的失效特征，弹性模量为50GPa，开裂失效的应力为1100MPa。钢螺旋套筒2采用线弹性模型，弹性模量为50GPa。螺纹钢套筒5采用理想弹塑性模型，弹性模量为200GPa，屈服强度为400MPa。该发明中碳纤维网布4厚度较小，虽然可以起到一定抗拉和抗剪作用，但作用有限，模拟中未考虑。
从图4可看出，该发明与单一连续玄武岩纤维复合锚杆的抗拉强度相近，但断裂后有持续受荷的能力，证明该发明设计能够克服玄武岩纤维复合筋脆性大的问题，并具有一定抵抗大变形的能力。
从图5可看出，该发明与比钢筋锚杆的抗拉强度提升较大，证明该发明设计具有提高抗拉强度的效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，由玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯(1)、钢螺旋套筒(2)、玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层(3)、碳纤维网布(4)、螺纹钢套筒(5)、垫板(6)和螺母(7)组成；
所述玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯(1)套入钢螺旋套筒(2)中，保持整体轴向不动，纤维以缠绕的方式包裹住钢螺旋套筒(2)，并填充树脂基质形成玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层(3)；
所述钢螺旋套筒(2)弹性模量可调控，使其与玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯(1)的刚度保持一致，进而实现协同变形的效果；锚杆发生拉伸大变形时，玄武岩纤维增强树脂复合材料内芯(1)和玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层(3)出现脆性断裂失效后，依然有植入的钢螺旋套筒(2)可继续提供拉力，允许锚固结构在大变形后依然保持一定锚固力；
所述玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层(3)的外侧通过环氧树脂与碳纤维网布(4)粘接，所述碳纤维网布(4)的外侧通过环氧树脂与螺纹钢套筒(5)粘接，当锚杆受剪切应力处于极限剪切应力以下时，剪切应力主要由外侧螺纹钢套筒(5)承担；
所述碳纤维网布(4)有较高的抗拉和抗剪强度，能提高抗剪切性能，当结构发生剪切大变形时，内侧的玄武岩纤维增强树脂复合材料保护层(3)会首先出现断裂，夹层中的碳纤维网布(4)能提供结构柔性剪切缓冲作用。
2.根据权利要求1所述的所述的一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，其特征在于：所述钢螺旋套筒(2)可控制匝数和截面面积，使其纵向拉伸的延伸率控制在原结构的3~4倍，即通过该方式降低了钢螺旋套筒(2)的弹性模量。
3.根据权利要求2所述的一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，其特征在于：所述钢螺旋套筒(2)可预先进行张拉，进一步提高锚杆的刚度，所使用张拉力低于填充所用树脂基质的抗压强度，以防止树脂基质被夹碎。
4.根据权利要求1所述的一种适应围岩大变形的抗拉-剪连续玄武岩纤维复合锚杆，其特征在于：所述的螺纹钢套筒(5)的内侧通过喷砂或者打磨工艺形成粗糙面，可增加连接性能，并且外侧带有螺纹，方便安装锚具。
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| GR01 | Patent grant | ||
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