一种自扩预警锚杆

1.本发明属于锚固装置，具体为一种自扩预警锚杆。


背景技术：

2.锚杆一般使用锚固钻机打入预定深度及直径的孔，再将特定材料制成的杆柱打入孔中，利用头部、杆体的特殊构造和尾部托板，将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的作用。但传统的锚杆往往不能适应土中含水量快速增多的情况，如强降雨可导致边坡、基坑等土中含水量增多，土质快速酥软，原有的锚杆锚固效果大大折扣。且因土中含水量的增多，可能原有的锚杆已经失效，无法在维持支护效果。
3.申请号为201720999045.3的中国专利公开了一种适用于软土地基的锚杆，当其打入土中时，可对软土地基进行真空排水加固，使得土中含水率降低，但该锚杆无法预警何时抽水，只能由施工人员自行注意，因此容易发生锚杆失效的状况。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种锚固效果好、在土中能够根据含水量自动张开外扩杆的自扩预警锚杆。
5.技术方案：本发明所述的一种自扩预警锚杆，包括锚杆本体、预警装置和套设在锚杆本体上的自扩装置；自扩装置包括吸水海绵、吸水海绵腔室、壳体、主推杆、副推杆、外扩杆和弹簧，吸水海绵腔室内设置吸水海绵，主推杆的一端与吸水海绵相连，另一端与弹簧相连，副推杆与主推杆铰接，外扩杆的一端与副推杆铰接，另一端通过活页与壳体铰接，便于其张开时活动；预警装置包括蜂鸣器、红外线射灯、光敏电阻，光敏电阻设置在吸水海绵腔室内靠近锚杆本体的一侧，红外线射灯设置在吸水海绵腔室内远离锚杆本体的一侧，红外线射灯能够照射到光敏电阻上，吸水海绵填充满吸水海绵腔室时，红外线射灯无法够照射到光敏电阻上，蜂鸣器响；锚杆本体内设置蓄水仓，蓄水仓与吸水海绵腔室通过纱网相连。
6.进一步地，吸水海绵的体积变化与外扩杆张开的角度关系应为：
[0007][0008]
其中，θ为外扩杆张开角度，v
x
为吸水海绵吸水后膨胀的体积，v0为吸水海绵初始体积。
[0009]
进一步地，预警装置还包括电位器、pnp三极管、保护电阻和电路电源；pnp三极管的基极与保护电阻相连，pnp三极管的发射极与电路电源的负极相连，pnp三极管的集电极与蜂鸣器相连；蜂鸣器、光敏电阻与电路电源的正极相连；光敏电阻分别与电位器、保护电阻相连；电位器与电路电源的负极相连。
[0010]
进一步地，壳体内设置弹簧锁紧块，主推杆上设置与弹簧锁紧块相匹配的凹槽。
[0011]
进一步地，外扩杆上设置用于张开时切割土体的锯齿。
[0012]
进一步地，吸水海绵远离主推杆的一侧设置过滤层，过滤层为纱网或过滤布，过滤掉土中的杂质，确保只有水分进入自扩系统中与吸水海绵发生作用。
[0013]
进一步地，锚杆本体分别与外锚具、锚固头相连。锚杆本体内设置水泥浆注入通道，锚固头上设置出浆孔，水泥浆注入通道与出浆孔相联通，使得水泥浆液通过锚杆本体经由锚固头出浆孔溢出与周围土体固结，从而使得锚杆达到锚固的效果。蜂鸣器设置在外锚具内，防止其报警时被土体遮挡导致声音减弱，难以被人察觉。外锚具内设置出水通道，出水通道与蓄水仓相连。锚固头设计为圆锥形，便于锚杆扎入土中完成锚固，外锚具位于锚杆的尾部，一般裸露在土外，便于施工人员等用螺母、垫板等将整个锚杆固定。
[0014]
工作原理：由钻机钻好钻孔后，由施工人员将其放入钻孔中并固定，注浆完成后即完成锚杆的安装。在一般情况下锚杆无变化，但当遭遇强降雨或其他情况土中含水量增多时，水逐渐经由纱网、过滤布与锚杆中的吸水海绵接触，吸水海绵在水的作用下体积逐渐膨大，吸水海绵吸水后在3～5分钟内体积开始增大，从而产生一个向前的推力，从而将与之接触的主推杆推动，主推杆推动副推杆向上运动，副推杆在向上运动的过程中推动外扩杆缓慢的在土中张开，随着吸水海绵体积的不断增大，外扩杆张开的角度越来越大。当吸水海绵遇水后体积膨胀了两倍大时，即此时吸水海绵的总体积为初始体积的三倍，弹簧锁紧块正好落进主推杆的凹槽中，即整个外扩装置锁紧，外扩杆张开完毕。但可能随着土中含水量的继续增多，吸水海绵继续膨胀，当其胀满整个腔室后，由于其遮挡了红外线射灯，使其不能照射在光敏电阻上，光敏电阻阻值变大，电位器分压压降变小，pnp三极管上电压变小，此时电路接通，蜂鸣器响，预警系统启动。土中水分再次持续增大时，水即会渗过吸水海绵进入锚杆内部的蓄水仓中，此时施工人员即可在外通过抽水设备连接锚杆预留的出水通道抽出水分，确保安全。
[0015]
使用方法：首先由钻机在预定位置钻好孔后，将锚杆本体放置于钻孔中，再由注浆口对锚杆本体进行注浆，待浆液凝固后，在锚杆的外锚具处用螺母、垫板等固定，此即完成了整个锚杆的自扩预警安装。
[0016]
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
[0017]
1、能够在含水量急剧增多时，维持支护效果，并且能够预警何时抽水，在土中能够根据含水量自动张开外扩杆；
[0018]
2、通过吸水海绵遇水膨胀原理完全实现了锚杆在土中的自扩，无需外力作用，简单方便且反应灵敏；
[0019]
3、在锚杆中加入了电路装置预警系统，通过吸水海绵的体积膨胀触发，能够及时的提醒施工人员采取相关措施，减少了危险的发生；
[0020]
4、锚杆通过注浆与外扩杆实现了双重锚固作用，锚固效果更好，且当土中含水量持续性增加时，可通过预警系统提醒施工人员通过抽水设备抽出锚杆中蓄水仓中的水分，使得锚杆兼具了排水的功能。
附图说明
[0021]
图1是本发明自扩装置3收回时的结构示意图；
[0022]
图2是本发明自扩装置3张开时的结构示意图；
[0023]
图3是本发明自扩装置3的俯视图；
[0024]
图4是本发明活页6的结构示意图；
[0025]
图5是本发明外扩杆36的结构示意图；
[0026]
图6是本发明吸水海绵31处的剖视图；
[0027]
图7是本发明预警装置2的电路图。
具体实施方式
[0028]
如图1～2，自扩预警锚杆的锚杆本体1分别与外锚具4、锚固头5相连。锚杆本体1为中空，其内设置水泥浆注入通道12，锚固头5处设置出浆孔51，水泥浆注入通道12与出浆孔51相联通。锚杆安装完毕时，需对锚杆本体1进行注浆，水泥浆沿着注浆通道12由锚固头5的出浆孔51溢出，与土体一起完成固结。外锚具4内设置出水通道41，出水通道41与蓄水仓11相连。
[0029]
自扩装置3为内部中空的圆管状，并设置螺纹。安装时，自扩装置3通过螺纹嵌套在锚杆本体1上，确保其在锚杆上不会松动脱落。自扩装置3分为上下左右四个部分，在上下左右侧各设有一个推杆装置、预警装置2以及锁紧装置。推杆装置主要由一个主推杆34、四个副推杆35以及四个外扩杆36组成。锁紧装置主要由弹簧37、两个弹簧锁紧块38，主推杆34上的两个与弹簧锁紧块38大小相对应的凹槽341组成。总共有一个吸水海绵31，一个吸水海绵腔室32、一个壳体33，四个主推杆34、16个副推杆35，16个外扩杆36，四个弹簧37，八个弹簧锁紧块38。吸水海绵腔室32内设置吸水海绵31。吸水海绵腔室32的整体体积应为吸水海绵31体积的四倍，即吸水海绵31占整体吸水海绵腔室32体积的1/4，剩余空间占整体吸水海绵腔室32体积的3/4。吸水海绵31反应灵敏，其一般在吸水后3——5分钟即可发生膨胀，即吸水海绵31在吸水3——5分钟内可使得自扩装置3启动。所使用的吸水海绵31选用吸水性树脂，例如聚乙烯醇等。同时，安装在吸水海绵腔室32的吸水海绵31应制成圆环状，具体尺寸可视具体的工程实际而定。
[0030]
预警装置2包括蜂鸣器21、红外线射灯22、光敏电阻23，光敏电阻23设置在吸水海绵腔室32内靠近锚杆本体1的一侧，红外线射灯22设置在吸水海绵腔室32内远离锚杆本体1的一侧，红外线射灯22能够照射到光敏电阻23上，吸水海绵31填充满吸水海绵腔室32时，红外线射灯22无法够照射到光敏电阻23上，蜂鸣器21响。预警装置2总共包括4个蜂鸣器21，4个红外线射灯22，4个光敏电阻23。
[0031]
如图3～4，主推杆34的左端与吸水海绵31相连，右端与弹簧37固连。副推杆35与主推杆34铰接，外扩杆36的一端与副推杆35铰接，另一端通过活页6与壳体33铰接，便于其张开时活动。只在吸水海绵31初始位置处，即位于吸水海绵腔室32最左侧、占吸水海绵腔室32体积的1/4处与土体接触外侧设置滤层39，为一圈纱网和过滤布，过滤掉土中的杂质，确保只有水分进入自扩装置3中与吸水海绵31发生作用。剩余吸水海绵腔室32最外侧为密闭的钢质外壳。如图5，外扩杆36的外侧设置锯齿361，便于其在土中张开时切割土体。
[0032]
如图6，锚杆本体1内设置蓄水仓11，蓄水仓11与吸水海绵腔室32通过一层纱网接触。
[0033]
吸水海绵31的体积变化与外扩杆36张开的角度关系应为：
[0034]
[0035]
其中，θ为外扩杆36张开角度，v
x
为吸水海绵31吸水后膨胀的体积，v0为吸水海绵31初始体积。
[0036]
假设吸水海绵腔室32的底面积为s，吸水海绵腔室32每一段长度均为x，吸水海绵31的1初始质量为m0，，而v1＝2v0，v2＝3v0，v3＝4v0。将其带入式(1)中，即本锚杆外扩杆最大张开角度为60
°
，且土中含水率每增大一倍，外扩杆张开角度扩大20
°
。
[0037]
如图7，预警装置2还包括电位器24、pnp三极管25、保护电阻26和电路电源27。pnp三极管25的基极与保护电阻26相连，pnp三极管25的发射极与电路电源27的负极相连，pnp三极管25的集电极与蜂鸣器21相连。蜂鸣器21、光敏电阻23与电路电源27的正极相连。光敏电阻23分别与电位器24、保护电阻26相连。电位器24与电路电源27的负极相连。四个蜂鸣器21设置在外锚具4内，防止其报警时被土体遮挡导致声音减弱，难以被人察觉。
[0038]
由钻机钻好钻孔后，由施工人员将自扩预警锚杆放入钻孔中并固定，注浆完成后即完成锚杆的安装。在一般情况下锚杆无变化。但当遭遇强降雨或其他情况土中含水量增多时，水逐渐经由过滤层39与锚杆中的吸水海绵31接触，吸水海绵31在水的作用下体积逐渐膨大，从而将与之接触的主推杆34推动，主推杆34推动副推杆35向上运动，副推杆35在向上运动的过程中推动外扩杆36缓慢的在土中张开。外扩杆36的一侧通过活页6固定在壳体33上，使其可以自由张开闭合。随着吸水海绵31体积的不断增大，外扩杆36张开的角度越来越大，当吸水海绵31遇水后体积膨胀了两倍大时，即此时吸水海绵31的总体积为初始体积的三倍，弹簧锁紧块38正好落进主推杆34的凹槽341中，即整个自扩装置3锁紧，外扩杆36张开完毕。但随着土中含水量的继续增多，吸水海绵31继续膨胀，当其胀满整个吸水海绵腔室32后，由于其遮挡了红外线射灯22，使其不能照射在光敏电阻23上，光敏电阻23阻值变大，电位器24分压压降变小，pnp三极管25上电压变小，此时电路接通，蜂鸣器21响，预警装置2启动。土中水分再次持续增大时，水即会渗过吸水海绵31进入锚杆内部的蓄水仓11中，此时施工人员即可在外通过抽水设备连接锚杆预留的出水通道41抽出水分，确保安全，使得此锚杆兼具了自扩、预警、排水这三大功能。
[0039]
本实施例的自扩预警锚杆使用方法如下：由钻机在预定位置钻好孔后，将锚杆本体1放置于钻孔中，再由水泥浆注入通道12对锚杆本体1进行注浆；待浆液凝固后，在外锚具4处用螺母、垫板等固定，此即完成了整个自扩预警锚杆的安装。

技术特征：
1.一种自扩预警锚杆，其特征在于：包括锚杆本体(1)、预警装置(2)和套设在锚杆本体(1)上的自扩装置(3)；所述自扩装置(3)包括吸水海绵(31)、吸水海绵腔室(32)、壳体(33)、主推杆(34)、副推杆(35)、外扩杆(36)和弹簧(37)，所述吸水海绵腔室(32)内设置吸水海绵(31)，所述主推杆(34)的一端与吸水海绵(31)相连，另一端与弹簧(37)相连，所述副推杆(35)与主推杆(34)铰接，所述外扩杆(36)的一端与副推杆(35)铰接，另一端与壳体(33)铰接；所述预警装置(2)包括蜂鸣器(21)、红外线射灯(22)、光敏电阻(23)，所述光敏电阻(23)设置在吸水海绵腔室(32)内靠近锚杆本体(1)的一侧，所述红外线射灯(22)设置在吸水海绵腔室(32)内远离锚杆本体(1)的一侧，所述红外线射灯(22)能够照射到光敏电阻(23)上，所述吸水海绵(31)填充满吸水海绵腔室(32)时，红外线射灯(22)无法够照射到光敏电阻(23)上，蜂鸣器(21)响；所述锚杆本体(1)内设置蓄水仓(11)，所述蓄水仓(11)与吸水海绵腔室(32)相连。2.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述吸水海绵(31)的体积变化与外扩杆(36)张开的角度关系应为：其中，θ为外扩杆(36)张开角度，v
x
为吸水海绵(31)吸水后膨胀的体积，v0为吸水海绵(31)初始体积。3.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述预警装置(2)还包括电位器(24)、pnp三极管(25)、保护电阻(26)和电路电源(27)；所述pnp三极管(25)的基极与保护电阻(26)相连，所述pnp三极管(25)的发射极与电路电源(27)的负极相连，所述pnp三极管(25)的集电极与蜂鸣器(21)相连；所述蜂鸣器(21)、光敏电阻(23)与电路电源(27)的正极相连；所述光敏电阻(23)分别与电位器(24)、保护电阻(26)相连；所述电位器(24)与电路电源(27)的负极相连。4.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述壳体(33)内设置弹簧锁紧块(38)，所述主推杆(34)上设置与弹簧锁紧块(38)相匹配的凹槽(341)。5.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述外扩杆(36)上设置用于张开时切割土体的锯齿(361)。6.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述吸水海绵(31)远离主推杆(34)的一侧设置过滤层(39)，所述过滤层(39)为纱网或过滤布。7.根据权利要求1所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述锚杆本体(1)分别与外锚具(4)、锚固头(5)相连。8.根据权利要求7所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述锚杆本体(1)内设置水泥浆注入通道(12)，所述锚固头(5)上设置出浆孔(51)，所述水泥浆注入通道(12)与出浆孔(51)相联通。9.根据权利要求7所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述蜂鸣器(21)设置在外锚具(4)内。10.根据权利要求7所述的一种自扩预警锚杆，其特征在于：所述外锚具(4)内设置出水通道(41)，所述出水通道(41)与蓄水仓(11)相连。

技术总结
本发明公开了一种自扩预警锚杆，包括锚杆本体、预警装置和套设在锚杆本体上的自扩装置；自扩装置包括吸水海绵、吸水海绵腔室、壳体、主推杆、副推杆、外扩杆和弹簧，吸水海绵腔室内设置吸水海绵，主推杆的一端与吸水海绵相连，另一端与弹簧相连，副推杆与主推杆铰接，外扩杆与副推杆、壳体铰接；预警装置包括蜂鸣器、红外线射灯、光敏电阻，光敏电阻设置在吸水海绵腔室内靠近锚杆本体的一侧，红外线射灯设置在吸水海绵腔室内，吸水海绵填充满吸水海绵腔室时，蜂鸣器响；锚杆本体内设置蓄水仓，蓄水仓与吸水海绵腔室相连。本发明能够在含水量急剧增多时，维持支护效果，并且能够预警何时抽水，在土中能够根据含水量自动张开外扩杆。在土中能够根据含水量自动张开外扩杆。在土中能够根据含水量自动张开外扩杆。


技术研发人员：梅岭 乔乐勋 花盛开 蒋顺岭
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/5