技术领域
[0001] 本
发明涉及一种边坡、巷道和隧道的灾害防护设施及安装方法，特别是涉及一种仿树根式锚杆及其安装方法。
背景技术
[0002] 在人类活动和
自然灾害的影响下，矿山、巷道、边坡等会经常出现滑坡现象，目前锚杆支护在地质工程中应用较为广泛。锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的
力学状态，在土体周围形成一个整体而又稳定的
岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护边坡稳定的目的。
[0003] 目前传统的锚杆很容易在受到围岩
变形、岩体深层破裂变形或冲击荷载时(如
地震作用或者岩爆情况下)，由于锚杆自身的延伸率低而在极限
应力下发生变形被拉断，致使锚杆支护体系失效。传统锚杆内部应力应变情况无法实时掌握，不能在锚固体失效时做出应急反应。除此之外，当杆体与锚固体的粘结力大于锚固体与土体间的摩阻力时，导致锚固体与土体界面发生破坏，从而锚固体从土体中被拔出。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种可延伸、防脱落并能够自动监测的仿树根式锚杆；本发明还提供了一种仿树根式锚杆的安装方法。
[0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种仿树根式锚杆，包括主锚杆和套在主锚杆外侧、并与其固定连接的套筒；主锚杆伸入土体的一端与固定
套管固定连接，固定套管上套有活动套管，活动套管上套有
弹簧，弹簧压缩固定于固定套管和活动套管之间，固定套管的下端与底座套管固定连接，活动套管与底座套管之间设有可向外张开的支杆部，支杆部的两端分别抵住活动套管和底座套管；活动套管外壁上穿插有卡住活动套管和固定套管的卡条，嵌入土体内的主锚杆外壁、套筒内壁上贴设有应变片，卡条、应变片均与控制装置相连，卡条上缠有
导线圈。卡条选取非耐热材料，通电遇热易融化，控制装置可以发出通电
信号，使得导线圈熔断卡条，此时弹簧释放弹性
势能，活动套管向下移动，支杆部向外张开，套筒与土体间的粘结力失效时，由张开后的支杆与持力层土体紧密咬合重新提供粘结力和
摩擦力，从而防止锚固体从土体中拔出。
[0006] 进一步地，主锚杆上设有若干组与套筒连接的连接件，连接件包括套在主锚杆上的圆台套管，圆台套管的两端分别与
弹簧钢片固定连接，
弹簧钢片的另一端与套管固定连接。弹簧钢片可以选用65Mn，为可延伸性金属材料，具有一定的延展性；弹簧钢片连接套筒和主锚杆，在锚杆被拉断失效时将力传递至套筒，提供一定的缓冲，保证了支护结构的整体安全性。
[0007] 进一步地，主锚杆上方设有穿过主锚杆、盖住套筒的托盘，托盘上设有注浆预留孔，托盘上方设有使托盘与土体表面压紧的
紧固件。托盘和上部的紧固件，可以固定锚杆和托盘的
位置，防止外部的雨
水轻易得渗入到托盘内。
[0008] 优选地，托盘外部设有
太阳能供电装置，托盘上设有导线孔，导线穿过导线孔连接太阳能供电装置和设在托盘内部的控制装置。采用太阳能供电装置，内置
蓄电池的
太阳能电池板提供
能源，节能环保；托盘上开有小孔用于导线的引出，孔洞周围填有
橡胶防止雨水入渗到圆弧托盘内损坏仪器或造成
短路；将控制装置置于托盘内，避免其暴露于外界环境中容易损坏。
[0009] 进一步地，活动套管的下端设有圆台，套筒的内壁上设有限制活动套管向上移动的凸起，提高了
稳定性。
[0010] 优选地，所述支杆部包括若干组相互铰接的支杆，支杆的另一端分别与活动套管、底座套管铰接。铰接的设置，使得连接的两端之间可以自由转动；当卡条被控制装置加热熔断时，弹簧从压缩状态释放弹性势能，向下推动活动套管，从而使锚杆深入土体持力层的支杆部分张开；套筒与土体间的粘结力失效时，由张开后的支杆与持力层土体紧密咬合重新提供粘结力和摩擦力，从而防止锚固体从土体中拔出。
[0011] 优选地，支杆包括短支杆、长支杆，长支杆与底座套管铰接，长支杆的另一端设有嫁接套管，嫁接套管与长支杆固定连接。嫁接套管的内壁
螺纹与长支杆外壁螺纹相互咬合，嫁接套管用于连接多个长支杆，嫁接套管外壁焊有两个扭
块，用于连接时方便扭转；因此实际应用中可根据具体的工况通过扭转嫁接套管增加支杆长度。
[0012] 优选地，所述固定套管、活动套管上均设有位置相对应的若干组贯穿的通孔，卡条穿过通孔。若干组通孔的设置，可以根据实际需要调节活动套管的位置，进而调节弹簧的压缩状态。
[0013] 优选地，弹簧钢片与套管
铆接。采用铆接，减少了不必要的
焊接，便于组装拆卸。
[0014] 本发明还提供了一种仿树根式锚杆的安装方法，包括如下步骤：
[0015] (1)将若干圆台套管依次旋紧于主锚杆上，将弹簧钢片的两端分别铆接在圆台套管和套筒上；
[0016] (2)将固定套管旋紧于主锚杆下端部，弹簧套在活动套管上，将活动套管套在固定套管外壁并推动活动套管使其压紧弹簧，在活动套管和固定套管对应的通孔中插入卡条；
[0017] (3)固定套管下端固定连接底座套管，支杆部的支杆相互铰接，另一端分别与活动套管、底座套管铰接；
[0018] (4)贴设应变片，引出导线使应变片、卡条与
控制器连接；将锚固体置于孔洞中，盖上托盘，安装紧固件。
[0019] 发明原理：本发明提供的仿树根式锚杆及其安装方法，通过在嵌入土体内的主锚杆外壁、套筒内壁上贴设应变片，监测实际使用过程中的应力应变；缠有导线圈的卡条穿插在活动套管和固定套管的外壁上，限制了其上下移动；当支护结构内力在极限应力范围内时，本发明与传统锚杆的工作原理基本一致；当锚固体与土体间的灌浆体所提供的粘结力失效，锚固体与土体产生较大位移时，或锚杆达到极限应力状态时，应变片经过控制装置所反馈的信号值超过预先设定的值，从而触发太阳能供电装置通过导线给缠绕在卡条上的导线圈通电加热，卡条被加热熔断后，弹簧从压缩状态释放弹性势能，向外推动活动套管从而使锚杆深入土体持力层的支杆部分张开；套筒与土体间的粘结力失效时，由张开后的支杆与持力层土体紧密咬合重新提供粘结力和摩擦力，从而防止锚固体从土体中拔出；若锚杆中间某段被拉断，此时弹簧钢片发挥作用，弹簧钢片将锚杆中的拉力传导至套筒，并能够提供一定的缓冲，从而保证锚固区内力的传导。
[0020] 有益效果：
[0021] (1)本发明通过应变片和控制装置实时监测锚固体的变形信号，自动化程度高；
[0022] (2)本发明中的弹簧钢片连接套筒和主锚杆，在锚杆被拉断失效时将力传递至套筒，提供一定的缓冲作用，保证了支护结构的安全性；
[0023] (3)本发明底部的支杆部分深入持力层，在锚固体与土体的粘结力失效时可以自动张开，由张开后的支杆与持力层土体紧密咬合重新提供粘结力和摩擦力，可增大与土体的摩阻力，防止锚固体脱落；
[0024] (4)本发明仿树根式锚杆连接构件多采用铆接，减少了不必要的焊接，便于组装拆卸。
[0025] (5)本发明底部的锚杆可伸长部分为本发明的仿生装置，支杆模拟树根张开后，增大了与持力层土体的
接触面积，
挤压周围土体，从而增大了锚固体深层的摩擦力，保证了锚固体内力的稳定传导。
附图说明
[0026] 图1是锚杆实际使用时的示意图；
[0027] 图2是本发明仿树根式锚杆的结构示意图；
[0028] 图3是弹簧钢片与圆台套管连接示意图；
[0029] 图4是固定套管、活动套管、底座套管和细长
螺栓结构示意图；
[0030] 图5是
节点套管以及短支杆、长支杆连接示意图；
[0031] 图6是长支杆与嫁接套管嫁接示意图；
[0032] 图7是套筒结构示意图；
[0033] 图8是圆弧托盘与主锚杆和顶端六
角螺母连接结构图；
[0034] 图9是弹簧释放示意图。
具体实施方式
[0035] 下面对本发明进行详细描述。
[0036] 如图1、2所示，本发明的仿树根式锚杆，主要包括三大部分，锚杆的主体部分、锚杆可伸长部分以及自检系统。
[0037] 锚杆的主体部分包括主锚体5和套在主锚体5外侧的套筒7，主锚杆5上设有五组与套筒7连接的连接件，连接件包括套在主锚杆5上的圆台套管10，圆台套管10的两端分别与弹簧钢片9固定连接，弹簧钢片9的材质为65Mn，如图3所示，弹簧钢片9两端分别有螺母预留孔，一端与圆台套管10螺纹固定连接，另一端与套筒7壁铆接，如图7所示，套筒上设有相应的孔。如图8所示，主锚杆5上方设有穿过主锚杆5、盖住套筒7的弧形托盘6，托盘6上方设有使托盘6与土体表面压紧的紧固件4，可以是一个
六角螺母，旋紧后即可将锚杆压紧于圆弧托盘6上。
[0038] 锚杆可伸长部分位于主锚杆5的底部，主锚杆5伸入土体的一端与固定套管11
螺纹连接，如图4所示，固定套管11上套有活动套管14，活动套管14上套有弹簧12，固定套管11和活动套管14一端均圆台，弹簧12被压缩固定于固定套管11和活动套管14之间，套筒7的内壁上还设有限制活动套管14向上移动的凸起13，凸起可以焊接固定在内壁上。
[0039] 同时，活动套管14外壁上穿插有卡住活动套管14和固定套管11的卡条17，卡条17可以是一根细长的螺栓，表面缠有细密的导线圈，贯穿活动套管14和固定套管11，螺栓采用
铝硅合金ER4047材料，受热易融化，类似保险丝的功效；固定套管11的下端与底座套管18螺纹连接，底座套管18的下端也设有圆台，活动套管14与底座套管18的圆台上均设有六个圆孔，圆孔均布在圆台的
台面上。活动套管14与底座套管18之间设有可向外张开的支杆部，支杆部的两端分别抵住活动套管14和底座套管18的圆台。
[0040] 支杆部包括六组相互铰接的支杆，六组支杆围绕固定套管11均匀分布。每组支杆均包括一个短支杆16、一个长支杆15，短支杆如图5所示，上端设有圆环，下端铰接有节点套管20，节点套管20内壁上设有螺纹，两侧焊接有带孔洞的钢片，短支杆16下端焊有带螺纹的横向螺杆，横向螺杆两端插入孔洞中，通过螺帽161固定外端，使短支杆可以与节点套管相互转动。长支杆15如图6所示，上端同样设有圆环，长支杆15的外壁上设有螺纹，端部螺纹固定连接有嫁接套管19，嫁接套管19内壁的螺纹与长支杆15相配合，实际使用时可以根据需要增加长支杆15的长度；且嫁接套管19的外壁焊接有两个扭块，用于嫁接支杆时方便扭转。将长支杆15的下端伸入短支杆16的节点套管20内，通过螺纹连接固定，长支杆15和短支杆
16组装完毕，后将另一端的圆环分别扣入活动套管14和底座套管18的圆台的孔洞内，孔与圆环大小适配，圆环可在孔内转动。
[0041] 锚杆自检系统，包括应变片8、控制装置3、显示器2和太阳能供电装置1，控制装置3包括信号
放大器、控制器，并位于圆弧型的托盘6内，以防止雨水入渗导致元件短路损坏；太阳能供电装置1包括
太阳能电池板和内置的
蓄电池，和显示器2一起放置于托盘6外；太阳能供电装置1、显示器2、控制装置3、应变片8依次用导线相连接，托盘6上设有导线孔61，以供导线穿过，孔洞周围填有橡胶防止雨水入渗到圆弧托盘内损坏仪器或造成短路。应变片8贴在嵌入土体内的主锚杆外壁、套筒内壁上，同时控制装置与缠有导线圈的卡条17相连接，卡条17穿插在活动套管14外壁上，贯穿活动套管14和固定套管11，起到卡住活动套管14和固定套管11的作用。
[0042] 安装时，首先将圆台套管10依次每隔一段间距旋紧于主锚杆5上，然后扭动螺母将弹簧钢片9与套筒7和圆台套管10连接，固定主锚杆与套筒的相对位置后将固定套管11旋紧于主锚杆5上，将弹簧12套在活动套管14上，活动套管14穿插在固定套管11上并使其压缩住弹簧12，将缠绕有导线圈的细长螺栓作为卡条17插入活动套管14和固定套管11的预留圆孔内，卡住活动套管14使其暂时固定在固定套管11上；
[0043] 将底座套管18旋紧于固定套管11底端，然后按照上述方法组装支杆部，扭转长支杆15上的节点套管20调整其到恰当的位置，节点套管20再与短支杆16通过螺母铆接。
[0044] 应变片8贴于图1所示位置，导线外包裹有防水软套管从套筒7的管壁预留孔引出；图1中管壁预留孔处和固定套管11的顶端圆台周围与套筒7接触均填有橡胶，防止注浆时浆体渗入；旋紧螺母作为紧固件4使锚杆压紧于圆弧托盘6内，圆弧托盘6留有注浆预留孔62。
[0045] 本发明工作流程如下：当支护结构内力在极限应力范围内时，本发明与传统锚杆的工作原理基本一致；当锚固体与土体间的灌浆体所提供的粘结力失效，锚固体与土体产生较大位移时，或锚杆体5达到极限应力状态时，应变片8经过控制装置3的信号放大器所反馈的信号值超过预先设定的值，从而触发太阳能供电装置1中的太阳能电池板通过导线给缠绕在卡条17上的导线圈171通电加热，卡条17被加热熔断后，弹簧12从压缩状态释放弹性势能，如图9所示，向外推动活动套管14从而使锚杆深入土体持力层的支杆部分张开；套筒7与土体间的粘结力失效时，由张开后的支杆与持力层土体紧密咬合重新提供粘结力和摩擦力，从而防止锚固体从土体中拔出；若锚杆体5中间某段被拉断，此时弹簧钢片9发挥作用，弹簧钢片9将锚杆中的拉力传导至套筒7，并能够提供一定的缓冲，从而保证锚固区内力的传导。
[0046] 综上所述，本发明增大了锚杆的延伸率，能适应突发灾害；能够自动监测锚固体的变形并做出应急反应；有效的防止了锚固体从土体中脱落。
