一种端头扩大锚固增强型让压锚索及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种让压锚索及其工作方法，尤其适用于岩土锚固技术领域使用的一种端头扩大锚固增强型让压锚索及其工作方法。
背景技术
锚索加固技术最早在20世纪30年代成功应用在水电工程的坝体加固中，此后得到了迅速发展。随着岩土锚固理论、设计方法、规程与规范逐渐完善，锚索支护加固技术也在不断进步，现在已经广泛应用于岩土工程加固领域。利用锚索对围岩进行锚固，可以改善围岩的应力状态和改变锚固区围岩的力学性质，提高围岩的完整性。相对常规支护来说，在承载能力方面、在大跨度断面的支护和对冒顶区域的支护上，锚索支护加固技术显示出巨大优势。
由于矿山开采深度及采矿强度的加大，公路、铁路隧道及水利水电等地下工程的大规模建设，所面临的工程与地质条件越来越复杂，围岩受到的动压扰动更加频繁，变形破坏特征更加复杂，采用普通的锚索支护已无法达到支护要求，需加采取联合支护措施增强锚索锚固效果。因此各种增强型锚索应运而生，一般采取联合注浆加固支护措施增强锚索的锚固性能，实现了对松动范围和松动程度都比较大的应力集中区巷道围岩良好的锚固效果。但是，从锚固效果讲，并没有增强锚索端头的锚固力，锚索的锚固端头经常发生的脱落现象，变形破话岩层失去稳定岩层通过锚索传递的承载力；在采动荷载影响下，增强型锚索无法吸收和释放围岩变形能，从而导致锚索抗拉强度得不到充分利用而破坏；一般的增强型锚索让压变形量少，无法实现与大变形围岩的协调变形，降低了对围岩的锚固效果。因此，亟需探索一种新型、可靠、经济的适用于破碎围岩巷道及煤矿采动影响下巷道支护的端头扩大锚固增强型让压锚索装置及使用方法，防止锚索在稳定层中锚固端头的脱落，以提高围岩整体承载力，降低采动对支护结构的破坏程度。
发明内容
技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种锚索锚固端头不易脱落，不受动压影响，吸能释能性能好，让压变形量大且结构简单的端头扩大锚固增强型让压锚索及工作方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的端头扩大锚固增强型让压锚索，包括中空锚索、固定扩大爪头、限位止溢爪头、托盘、刚柔组合让压座和锚索锁具，中空锚索外层为钢绞线构成，中间有浆塑料管，固定扩大爪头设置在中空锚索的端部，限位止溢爪头设置在中空锚索的中段，托盘、刚柔组合让压座和固定作用的锚索锁具设置在中空锚索的尾端，其中刚柔组合让压座设置在托盘和锚索锁具之间。
所述的固定扩大爪头包括套筒，套筒外壁均匀设有3～5根倒入式钢条，套筒长60～80mm且内径与中空锚索外径匹配，套筒内壁面设有螺纹并通过螺纹固定在中空锚索端部。
限位止溢爪头设置在距中空锚索全长距离端部1/4～1/3处，限位止溢爪头包括60～80mm长套筒，套筒外壁均匀设有3～5根倒入式钢条，套筒后端焊接设有厚20mm外径与锚索孔内径匹配的止溢圆环。
所述刚柔组合让压座包括钵形让压下底座和钵形让压上底座，钵形让压下底座和钵形让压上底座结构相同，均为硬质材料制成的一侧凸起一侧凹陷的钵形结构，钵形结构的外缘设有一圈增加接触面的边沿，钵形让压下底座和钵形让压上底座的凸起一侧相对设置，两者之间设有充填橡胶颗粒的韧性塑料球，充填橡胶颗粒的韧性塑料球协调围岩变形并吸收变形能，维持锚索受拉状态的稳定性，降低因强烈动压扰动的破断率。
所述锚索锁具分为楔形锁具内环和圆台形锁具外环，圆台形锁具外环设置在钵形让压上底座的后端，圆台形锁具外环与钵形让压上底座之间设有环形垫板，环形垫板与钵形让压上底座的接触面上设有2～3层环状排布的增阻齿块，楔形锁具内环由三块圆心角为120°的楔形块组成，楔形锁具内环内径小于中空锚杆外经，内壁带有环形螺纹扣住锚索，防止锚索滑脱。
所述增阻齿块结构为等腰梯形体结构，等腰梯形体的侧面与钵形让压上底座下边缘平行设置，通过对钵形让压上底座进行挤压提供让压阻力，挤压力增大到一定值时，增阻齿块破断，并由下一层继续提供阻力，使钵形让压上底座后于钵形让压下底座让压变形屈服，实现分级逐步让压。
所述圆台形锁具外环底面与环形垫板大小一致，降低接触面间的平均压应力，防止圆台形锁具外环对环形垫板剪切破坏。
一种端头扩大锚固增强型让压锚索的工作方法，其步骤如下：
首先在围岩预设的预设位置施工锚索孔，然后清理锚索孔内的残余碎屑；
在中空锚索上安装固定扩大爪头和限位止溢爪头后将中空锚索推入锚索孔孔底，限位止溢爪头穿过中空锚索布设在距离锚索孔孔底1/4～1/3的位置处；
向锚索孔与中空锚索之间的空隙注入树脂锚固剂封堵至钻孔口处的空隙限位止溢爪头，等待树脂锚固剂凝固后在锚索孔外的中空锚索上依次安装托盘、刚柔组合让压座和锚索锁具并紧固；
使用注浆设备通过注浆塑料管向锚索孔底部注入膨胀水泥，膨胀水泥在压力的作用下将孔底到限位止溢爪头之间的锚索孔空间以及围岩离层裂隙充满提高了结构面刚度及抗剪强度；
接着注入速凝水泥一段时间后停止注浆，待速凝水泥在注浆塑料管中凝结固定后拆下注浆设备，此时中空锚索中固结的膨胀水泥张拉锚索产生预紧力并使其具备良好的抗剪和抗压能力，固定扩大爪头周围形成注浆膨胀后围岩，扩大了端头锚固区范围，同时挤压围岩和中空锚索，并与固定扩大爪头配合增强围岩传递给中空锚索的握裹力，防止锚索端部滑脱，并将锚索锚固端头的围岩和锚固前段的变形破裂围岩连接成整体形成悬吊结构，提高了围岩的整体稳定性。
锚索孔附近围岩持续变形期间受不稳定动力荷载影响，锚索受到的拉力传递到刚柔组合让压座上，钵形让压上底座边缘由于受到增阻齿块阻挡，产生稳定支护阻力，此时钵形让压下底座受锚索传递的压力作用开始让压，围岩持续变形期间受不稳定动力荷载影响，充填橡胶颗粒的韧性塑料球协调围岩变形并吸收变形能，维持锚索受拉状态的稳定性，降低因强烈动压扰动的破断率；
围岩进一步变形，钵形让压下底座让压结束，钵形让压上底座开始挤断增阻齿块进行让压，当锚索内部拉应力逐渐达到极限抗拉强度的80～90％时，挤断第一层增阻齿块，并挤压下一层增阻齿块，此时充填橡胶颗粒的韧性塑料球充当缓冲橡胶垫的作用，增强锚索抗动压破坏能力。
有益效果：由于采用了上述技术方案，注浆后的膨胀水泥在锚固端的膨胀水泥膨胀固结后，扩大了围岩锚固区范围，并与固定扩大爪头配合，增强了围岩传递给锚索的握裹力，使锚索端部不易滑脱，中空锚索中固结的膨胀水泥也使锚索具备了一定的抗剪和抗压能力。尾部设置的刚柔组合让压座具备刚性支撑和柔性吸能能力，允许锚索产生一定变形，并适应动压下的巷道支护。本发明能够满足破碎围岩巷道和煤矿采动影响下巷道的支护要求，是一种端头锚固牢靠、支护力稳定、让压变形、结构简单、经济适用的端头扩大锚固增强型让压锚索，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的锚索孔示意图。
图2为本发明端头扩大锚固增强型让压锚索安装示意图。
图3为本发明端头扩大锚固增强型让压锚索的结构示意图。
图4为本发明固定扩大爪头的结构示意图。
图5为本发明定位止溢爪头的结构示意图。
图中：1-中空锚索，2-围岩，3-注浆膨胀后围岩，4-锚索孔，5-注浆塑料管，6-固定扩大爪头，7-限位止溢爪头，8-倒入式钢条，9-树脂锚固剂，10-膨胀水泥，11-托盘，12-刚柔组合让压座，13-钵形让压下底座，14-钵形让压上底座，15-橡胶颗粒，16-楔形锁具内环，17-圆台形锁具外环，18-环形垫板，19-增阻齿块。
具体实施方式
下面结合附图对发明的实施例作进一步的说明：
如图2所示，本发明的端头扩大锚固增强型让压锚索，包括中空锚索1、固定扩大爪头6、限位止溢爪头7、托盘11、刚柔组合让压座12和锚索锁具，中空锚索1外层为钢绞线构成，中间有浆塑料管5，固定扩大爪头6设置在中空锚索1的端部，
如图4所示，固定扩大爪头6包括套筒，套筒外壁均匀设有3～5根倒入式钢条8，套筒长60～80mm且内径与中空锚索1外径匹配，套筒内壁面设有螺纹并通过螺纹固定在中空锚索1端部；如图5所示，限位止溢爪头7设置在中空锚索1的中段，限位止溢爪头7穿过中空锚索1布设在距离锚索孔4孔底1/4～1/3的位置处，焊接4～6个倒入式钢条8，套筒长40～60mm，套筒后端焊接厚20mm外径与锚索孔内径一直的止溢圆环，防止水泥浆液向锚固前端挤出和树脂锚固剂9向后溢出；
托盘11、刚柔组合让压座12和固定作用的锚索锁具设置在中空锚索1的尾端，其中刚柔组合让压座12设置在托盘11和锚索锁具之间；刚柔组合让压座12包括钵形让压下底座13和钵形让压上底座14，钵形让压下底座13和钵形让压上底座14结构相同，均为硬质材料制成的一侧凸起一侧凹陷的钵形结构，钵形结构的外缘设有一圈增加接触面的边沿，钵形让压下底座13和钵形让压上底座14的凸起一侧相对设置，两者之间设有充填橡胶颗粒的韧性塑料球15，充填橡胶颗粒的韧性塑料球15协调围岩变形并吸收变形能，维持锚索受拉状态的稳定性，降低因强烈动压扰动的破断率；锚索锁具分为楔形锁具内环16和圆台形锁具外环17，圆台形锁具外环17设置在钵形让压上底座14的后端，圆台形锁具外环17与钵形让压上底座14之间设有环形垫板18，圆台形锁具外环17底面与环形垫板18大小一致，降低接触面间的平均压应力，防止圆台形锁具外环17对环形垫板18剪切破坏，环形垫板18与钵形让压上底座14的接触面上设有2～3层环状排布的增阻齿块19，环形垫板18上最内侧增阻齿块19与钵形让压上底座14完全接触，通过钵形让压上底座14提供让压阻力，通过锚索锁具固定住；楔形锁具内环16由三块圆心角为120°的楔形块组成，楔形锁具内环16内径小于中空锚杆外经，内壁带有环形螺纹扣住锚索，防止锚索滑脱；增阻齿块19结构为等腰梯形体结构，等腰梯形体的侧面与钵形让压上底座14下边缘平行设置，通过对钵形让压上底座14进行挤压提供让压阻力，挤压力增大到一定值时，增阻齿块19破断，并由下一层继续提供阻力，使钵形让压上底座14后于钵形让压下底座13让压变形屈服，实现分级逐步让压。
如图3所示，一种端头扩大锚固增强型让压锚索的工作方法，其步骤如下：
首先在围岩2预设的预设位置施工锚索孔4，然后清理锚索孔4内的残余碎屑，如图1所示；
在中空锚索1上安装固定扩大爪头6和限位止溢爪头7后将中空锚索1推入锚索孔4孔底，限位止溢爪头7穿过中空锚索1布设在距离锚索孔4孔底1/4～1/3的位置处；
向锚索孔4与中空锚索1之间的空隙注入树脂锚固剂9封堵至钻孔口处的空隙限位止溢爪头7，等待树脂锚固剂9凝固后在锚索孔4外的中空锚索1上依次安装托盘11、刚柔组合让压座12和锚索锁具并紧固；
使用注浆设备通过注浆塑料管5向锚索孔4底部注入膨胀水泥10，膨胀水泥10在压力的作用下将孔底到限位止溢爪头7之间的锚索孔4空间以及围岩离层裂隙充满提高了结构面刚度及抗剪强度；
接着注入速凝水泥一段时间后停止注浆，待速凝水泥在注浆塑料管5中凝结固定后拆下注浆设备，此时中空锚索1中固结的膨胀水泥张拉锚索产生预紧力并使其具备良好的抗剪和抗压能力，固定扩大爪头6处形成锚固端的膨胀水泥膨胀固结，构成注浆膨胀后围岩3，扩大了端头锚固区范围，同时挤压围岩和中空锚索1，并与固定扩大爪头6配合增强围岩传递给中空锚索1的握裹力，防止锚索端部滑脱，并将锚索锚固端头的围岩和锚固前段的变形破裂围岩连接成整体形成悬吊结构，提高了围岩的整体稳定性。
当锚索孔4附近围岩2持续变形期间受不稳定动力荷载影响，锚索受到的拉力传递到刚柔组合让压座12上，钵形让压上底座14边缘由于受到增阻齿块19阻挡，产生稳定支护阻力，此时钵形让压下底座13受锚索传递的压力作用开始让压，围岩2持续变形期间受不稳定动力荷载影响，充填橡胶颗粒15的韧性塑料球协调围岩变形并吸收变形能，维持锚索受拉状态的稳定性，降低因强烈动压扰动的破断率；
围岩2进一步变形，钵形让压下底座13让压结束，钵形让压上底座14开始挤断增阻齿块19进行让压，当锚索内部拉应力逐渐达到极限抗拉强度的80～90％时，挤断第一层增阻齿块19，并挤压下一层增阻齿块19，此时充填橡胶颗粒的韧性塑料球15充当缓冲橡胶垫的作用，增强锚索抗动压破坏能力。
具体实施例一
通过注浆塑料管5注入膨胀水泥，当注浆压力达到4～5MPa时，此时注入的膨胀水泥浆液基本填充锚索孔4及周边围岩离层裂隙，提高了结构面刚度及抗剪强度参数，接着掺入1.5～2.5倍剂量水泥速凝剂，注入1～2min后停止注浆，使得膨胀水泥浆液在注浆塑料管5中快速凝结膨胀张拉锚索产生预紧力并防止浆液外露。锚固端的膨胀水泥固结膨胀后，扩大了端头锚固区范围，同时挤压围岩和中空锚索1，并与固定扩大爪头6配合，增强围岩2传递给锚索的握裹力，防止锚索端部滑脱，并将锚索锚固端头的围岩和锚固前段的变形破裂围岩连接成整体形成悬吊结构，提高了围岩的整体稳定性。
工作原理：本发明所公开的一种端头扩大锚固增强型让压锚索装置，围岩开始产生变形时，锚索受到的拉力传递到刚柔组合让压座上，钵形让压上底座边缘由于受到增阻齿块阻挡，产生稳定支护阻力，此时钵形让压下底座受锚索传递的压力作用开始让压，围岩持续变形期间受不稳定动力荷载影响，充填橡胶颗粒的韧性塑料球协调围岩变形并吸收变形能，维持锚索受拉状态的稳定性，降低因强烈动压扰动的破断率。环形垫板下部距外边缘设有层间距为15～20mm的3层(可设置在内环边缘、内外环中间位置、外环边缘位置处)增阻齿块，每层增阻齿块为3～4组中心对称梯形截面结构，通过对钵形让压上底座进行挤压提供让压阻力，挤压力增大到一定值时，增阻齿块破断，并由下一层继续提供阻力，使钵形让压上底座后于钵形让压下底座让压变形屈服，实现分级逐步让压。中空锚索中固结的膨胀水泥张拉锚索产生预紧力并使其具备一定的抗剪和抗压能力，锚固端的膨胀水泥膨胀固结后，扩大了端头锚固区范围，同时挤压围岩和中空锚索，并与固定扩大爪头配合，增强围岩传递给锚索的握裹力，防止锚索端部滑脱，并将锚索锚固端头的围岩和锚固前段的变形破裂围岩连接成整体形成悬吊结构，提高了围岩的整体稳定性。
