CN114934795B - 一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，包括模拟巷道围岩和锚杆主体，模拟巷道围岩上开设有锚杆钻孔，锚杆主体一端位于锚杆钻孔内，锚杆主体另一端位于锚杆钻孔外侧；锚杆主体包括锚杆杆体，锚杆杆体内填充有锚固剂，锚杆杆体内安装有注射锚固剂的注射部，锚杆杆体周向滑动连接有垫圈，垫圈位于锚杆钻孔外侧，锚杆杆***于锚杆钻孔外侧的一端周向安装有预紧部，预紧部用于调整垫圈与模拟巷道围岩之间的预紧力；本发明结构简单，安装便捷，能够有效解决现有模型试验中采用预埋式锚杆存在的问题，能够便捷准确的为锚杆施加锚固剂和预紧力，对巷道、隧道等地下工程的模型试验尤其适用。
Description
技术领域
本发明涉及岩体地下工程模拟试验领域，特别是涉及一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆。
背景技术
预紧力锚杆支护作为经济、高效的岩土工程支护技术，广泛应用在地下隧道和煤矿井下巷道等岩土地下工程中，通过改变锚杆的支护密度、锚固段长度和预紧力等支护参数，可以有效地改善预紧力锚杆的支护效果，而不同的地下工程具有不同的地质条件，因此研究某一地质条件下支护参数对支护效果的影响规律是十分必要的。
物理相似模型试验具有直观、可行度高、成本低等优点，已被广泛应用在研究不同地质条件、支护形式、支护强度下支护效果的变化规律测试实验中。而在按照相似比对原始工程尺寸进行缩放后，物理相似模型中的巷(隧)尺寸已然很小，在模拟开挖后形成的狭小空间中已经无法模拟现场实际情况进行锚杆施工。因此目前的相似模型试验中，预紧力锚杆大多采用预埋的方式提前埋设好，如此则无法研究锚杆的锚固段长度、预紧力等支护参数对支护效果的影响。故亟需一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆。
发明内容
本发明的目的是提供一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，包括模拟巷道围岩和锚杆主体，所述模拟巷道围岩上开设有锚杆钻孔，所述锚杆主体一端位于所述锚杆钻孔内，所述锚杆主体另一端位于所述锚杆钻孔外侧；所述锚杆主体包括锚杆杆体，所述锚杆杆体内填充有锚固剂，所述锚杆杆体内安装有注射所述锚固剂的注射部，所述锚杆杆体周向滑动连接有垫圈，所述垫圈位于所述锚杆钻孔外侧，所述锚杆杆***于所述锚杆钻孔外侧的一端周向安装有预紧部，所述预紧部用于调整垫圈与所述模拟巷道围岩之间的预紧力。
优选的，所述注射部包括开设于所述锚杆杆体内的容纳腔，所述容纳腔内滑动连接有活塞，所述活塞的一侧固定连接有活塞轴，所述活塞轴远离所述活塞的一端贯穿所述容纳腔侧壁且位于所述锚杆钻孔外侧，所述容纳腔靠近所述锚杆钻孔孔底的一端开设有开口，所述锚固剂位于所述活塞与所述开口之间，所述锚杆杆体在所述开口处固定连接有注射***，所述注射***上开设有若干注射孔。
优选的，所述预紧部包括开设于所述锚杆杆体周向的外螺纹，所述外螺纹位于所述锚杆杆体远离所述锚杆钻孔的一端，所述锚杆杆体通过所述外螺纹连接有蝶形螺母，所述蝶形螺母与所述垫圈之间安装有弹簧，所述弹簧绕设在所述锚杆杆体周向。
优选的，所述蝶形螺母和所述垫圈靠近所述弹簧的一侧均开设有定位槽，所述弹簧与所述定位槽相适配，所述弹簧两端分别位于两个所述定位槽内。
优选的，所述锚杆杆体以及所述蝶形螺母上均设置有定位标记，两个所述定位标记对应设置。
优选的，所述活塞轴周向设置有刻度。
优选的，所述锚杆杆***于所述锚杆钻孔内的一端外侧为粗糙表面。
优选的，所述锚杆杆体与所述活塞轴均为金属铝杆，所述活塞为橡胶活塞。
本发明公开了以下技术效果：本发明在锚杆主体***锚杆钻孔之后，利用注射部将锚固剂注射到锚杆主体与锚杆钻孔之间的缝隙界面内，增加锚杆主体与锚杆钻孔之间的稳定性，利用预紧部调整锚杆施加的预紧力，使锚杆的支护能力更好，本发明结构简单，安装便捷，能够有效解决现有模型试验中采用预埋式锚杆存在的问题，能够便捷准确的为锚杆施加锚固剂和预紧力，对巷道、隧道等地下工程的模型试验尤其适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明锚杆主体与模拟巷道围岩结构示意图；
图2为本发明锚杆主体结构示意图；
图3为本发明锚杆杆体结构示意图；
图4为本发明蝶形螺母结构示意图；
图5为本发明垫圈结构示意图；
图6为本发明注射锚固剂时结构示意图；
其中：1-模拟巷道围岩，2-锚杆钻孔，3-锚杆杆体，4-锚固剂，5-垫圈，6-容纳腔，7-活塞，8-活塞轴，9-注射***，10-注射孔，11-蝶形螺母，12-弹簧，13-定位槽，14-定位标记，15-粗糙表面。
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。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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-5，本发明提供一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，包括模拟巷道围岩1和锚杆主体，模拟巷道围岩1上开设有锚杆钻孔2，锚杆主体一端位于锚杆钻孔2内，锚杆主体另一端位于锚杆钻孔2外侧；锚杆主体包括锚杆杆体3，锚杆杆体3内填充有锚固剂4，锚杆杆体3内安装有注射锚固剂4的注射部，锚杆杆体3周向滑动连接有垫圈5，垫圈5位于锚杆钻孔2外侧，锚杆杆体3位于锚杆钻孔2外侧的一端周向安装有预紧部，预紧部用于调整垫圈5与模拟巷道围岩1之间的预紧力。本发明在锚杆主体***锚杆钻孔2之后，利用注射部将锚固剂4注射到锚杆主体与锚杆钻孔2之间的缝隙内，增加锚杆主体与锚杆钻孔2之间的稳定性，利用预紧部调整锚杆施加的预紧力，使锚杆的支护能力更好，能够有效解决现有模型试验中采用预埋式锚杆存在的问题，能够便捷准确的为锚杆施加锚固剂和预紧力。
进一步优化方案，注射部包括开设于锚杆杆体3内的容纳腔6，容纳腔6内滑动连接有活塞7，活塞7的一侧固定连接有活塞轴8，活塞轴8远离活塞7的一端贯穿容纳腔6侧壁且位于锚杆钻孔2外侧，容纳腔6靠近锚杆钻孔2孔底的一端开设有开口，锚固剂4位于活塞7与开口之间，锚杆杆体3在开口处固定连接有注射***9，注射***9上开设有若干注射孔10。通过推动活塞轴8，能够带动活塞7在容纳腔6内部滑动，进而将容纳腔6内的锚固剂4经注射***9或注射孔10挤出，使锚固剂4运动至锚杆杆体3与锚杆钻孔2之间的缝隙内。当注射***9与锚杆钻孔2孔底接触时，锚固剂4无法从注射***9挤出，锚固剂4从注射孔10流出。
进一步优化方案，预紧部包括开设于锚杆杆体3周向的外螺纹，外螺纹位于锚杆杆体3远离锚杆钻孔2的一端，锚杆杆体3通过外螺纹连接有蝶形螺母11，蝶形螺母11与垫圈5之间安装有弹簧12，弹簧12绕设在锚杆杆体3周向。通过转动蝶形螺母11进而调整弹簧12的弹力，改变锚杆的预紧力，同时利用弹簧12将垫圈5挤压在锚杆钻孔2孔口处，能够防止锚固剂4溢出，且外形美观。
进一步优化方案，蝶形螺母11和垫圈5靠近弹簧12的一侧均开设有定位槽13，弹簧12与定位槽13相适配，弹簧12两端分别位于两个定位槽13内。在垫圈5和蝶形螺母11端面按照弹簧12尺寸轧制定位槽13，能够对弹簧12的两端进行限位，防止弹簧12发生倾斜。
进一步优化方案，锚杆杆体3以及蝶形螺母11上均设置有定位标记14，两个定位标记14对应设置。能够准确控制旋紧距离，且便于安装。
进一步优化方案，活塞轴8周向设置有刻度。通过在活塞轴8上设置刻度，能够根据容纳腔6的截面面积控制锚固剂4的注入体积。
进一步优化方案，锚杆杆体3位于锚杆钻孔2内的一端外侧为粗糙表面15。通过增大锚杆杆体3周围的粗糙度，提高锚固剂4和锚杆杆体3的粘结效果。
进一步优化方案，锚杆杆体3与活塞轴8均为金属铝杆，活塞7为橡胶活塞。
一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，利用锚杆钻孔装置在模拟巷道围岩1上开设锚杆钻孔2；
步骤二，通过抽取活塞轴8，利用压强原理将锚固剂4从注射***9处抽入容纳腔6内，然后将垫圈5、弹簧12、蝶形螺母11安装在锚杆杆体3上，并将锚杆杆体3带有注射***9的一端***钻好的锚杆钻孔2内；根据所需锚固长度的不同，在锚杆容纳腔内吸入不同体积的锚固剂4。
步骤三，按压活塞轴8，将容纳腔6内的锚固剂4通过注射***9注入到锚杆杆体3与锚杆钻孔2之间的缝隙内，充分转动锚杆杆体3；使锚固剂4与锚杆钻孔2内壁充分接触，增加其粘结性能。
步骤四，锚固剂4完全凝固后，转动蝶形螺母11，使弹簧12恰好处于刚受力的状态，并将蝶形螺母11与锚杆杆体3上的定位标记14对齐，对锚杆施加预紧力。
进一步优化方案，步骤四在转动蝶形螺母11之前，根据预紧力计算弹簧12应该压缩的长度，并根据长度和蝶形螺母11的螺距计算出蝶形螺母11需要转动的圈数，按照圈数旋紧蝶形螺母11，圈数不足整数的，按照四舍五入进行取整。例如需要施加的预紧力为F，弹簧12的劲度系数为k，则弹簧12的压缩长度dx＝F/k，锚杆杆体3上的外螺纹的螺距为p，则蝶形螺母11需要旋紧的圈数为m＝dx/p。
进一步优化方案，锚杆钻孔装置包括锚杆钻孔电机，锚杆钻孔电机的输出轴上固定连接有钻杆，钻杆端部固定连接有钻头，锚杆钻孔电机一侧设置有滑轨，锚杆钻孔电机在滑轨上滑动设置，锚杆钻孔电机另一侧设置有丝杠，丝杠贯穿锚杆钻孔电机一侧且与锚杆钻孔电机螺纹连接，丝杠的一端固定连接有锥齿轮组，丝杠通过锥齿轮组连通有驱动电机，通过驱动电机带动锥齿轮组转动，进而带动丝杠运动，使丝杠带动锚杆钻孔电机沿滑轨滑动，进而带动钻头水平运动，能够在模拟巷道围岩1上开设锚杆钻孔2，施工便捷。利用驱动电机通过锥齿轮组和丝杠带动钻杆运动，有效解决了因空间狭小导致无法锚杆钻孔的问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，其特征在于：包括模拟巷道围岩(1)和锚杆主体，所述模拟巷道围岩(1)上开设有锚杆钻孔(2)，所述锚杆主体一端位于所述锚杆钻孔(2)内，所述锚杆主体另一端位于所述锚杆钻孔(2)外侧；所述锚杆主体包括锚杆杆体(3)，所述锚杆杆体(3)内填充有锚固剂(4)，所述锚杆杆体(3)内安装有注射所述锚固剂(4)的注射部，所述锚杆杆体(3)周向滑动连接有垫圈(5)，所述垫圈(5)位于所述锚杆钻孔(2)外侧，所述锚杆杆体(3)位于所述锚杆钻孔(2)外侧的一端周向安装有预紧部，所述预紧部用于调整垫圈(5)与所述模拟巷道围岩(1)之间的预紧力；
所述注射部包括开设于所述锚杆杆体(3)内的容纳腔(6)，所述容纳腔(6)内滑动连接有活塞(7)，所述活塞(7)的一侧固定连接有活塞轴(8)，所述活塞轴(8)周向设置有刻度，通过在活塞轴(8)上设置刻度，能够根据容纳腔(6)的截面面积控制锚固剂(4)的注入体积，所述活塞轴(8)远离所述活塞(7)的一端贯穿所述容纳腔(6)侧壁且位于所述锚杆钻孔(2)外侧，所述容纳腔(6)靠近所述锚杆钻孔(2)孔底的一端开设有开口，所述锚固剂(4)位于所述活塞(7)与所述开口之间，所述锚杆杆体(3)在所述开口处固定连接有注射***(9)，所述注射***(9)上开设有若干注射孔(10)；
所述预紧部包括开设于所述锚杆杆体(3)周向的外螺纹，所述外螺纹位于所述锚杆杆体(3)远离所述锚杆钻孔(2)的一端，所述锚杆杆体(3)通过所述外螺纹螺纹连接有蝶形螺母(11)，所述蝶形螺母(11)与所述垫圈(5)之间安装有弹簧(12)，所述弹簧(12)绕设在所述锚杆杆体(3)周向；
所述蝶形螺母(11)和所述垫圈(5)靠近所述弹簧(12)的一侧均开设有定位槽(13)，所述弹簧(12)与所述定位槽(13)相适配，所述弹簧(12)两端分别位于两个所述定位槽(13)内；
所述锚杆杆体(3)以及所述蝶形螺母(11)上均设置有定位标记(14)，两个所述定位标记(14)对应设置；
所述可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，利用锚杆钻孔装置在模拟巷道围岩(1)上开设锚杆钻孔(2)；
步骤二，通过抽取活塞轴(8)，利用压强原理将锚固剂(4)从注射***(9)处抽入容纳腔(6)内，然后将垫圈(5)、弹簧(12)和蝶形螺母(11)安装在锚杆杆体(3)上，并将锚杆杆体(3)带有注射***(9)的一端***钻好的锚杆钻孔(2)内；根据所需锚固长度的不同，在容纳腔内吸入不同体积的锚固剂(4)；
步骤三，按压活塞轴(8)，将容纳腔(6)内的锚固剂(4)通过注射***(9)注入到锚杆杆体(3)与锚杆钻孔(2)之间的缝隙内，充分转动锚杆杆体(3)；使锚固剂(4)与锚杆钻孔(2)内壁充分接触，增加其粘结性能；
步骤四，锚固剂(4)完全凝固后，转动蝶形螺母(11)，使弹簧(12)恰好处于刚受力的状态，并将蝶形螺母(11)与锚杆杆体(3)上的定位标记(14)对齐，对锚杆施加预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，其特征在于：所述锚杆杆体(3)位于所述锚杆钻孔(2)内的一端外侧为粗糙表面(15)。
3.根据权利要求1所述的一种可自注锚固剂和施加预紧力的相似模型试验锚杆，其特征在于：所述锚杆杆体(3)与所述活塞轴(8)均为金属铝杆，所述活塞(7)为橡胶活塞。
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