工程应用中串囊式充气锚杆的设计和制作

彭文祥　袁博

摘要：目前串囊式充气锚杆的设计和制作还处于探索完善阶段，本文将结合前人研究成果针对其结构设计、组件材料选择、密封性能等进行探讨优化，保证锚杆质量并增加后期拉拔试验所得数据的真实可靠性。

Abstract： At present， the design and manufacture of a bladder-type inflatable anchor is still in the stage of exploration and improvement. This paper will discuss and optimize its structural design， component material selection and sealing performance based on the previous research results， so as to ensure the quality of the bolt and increase the authenticity and reliability of the data obtained from the later pull-out test.

关键词：串囊式充气锚杆;设计制作;材料选择

Key words： a bladder-type inflatable anchor;design and manufacture;material selection

中图分类号：TU476                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0185-03

1  囊式充气锚杆的材料选择

1.1 杆体材料的选择

结合现场拉拔试验和工程应用条件，杆体作为传递荷载装置需具备高强度、优质塑性、可加工性、抗腐蚀性、可连接性及可回收性等特点，由此确定杆体材料为拥有中空截面、经济实用的双相不锈钢无缝钢管。根据GB14975-94《不锈钢无缝钢管》的规定，制作过程中可以规避内外层表面裂缝、毛刺等不良现象，其具体质量规格见表1。

所以，综合考量后选择杆体材料及规格为双相不锈钢无缝钢管，单根长度为6m，外径为54mm，壁厚5mm且通过常规型材理论重量公式m=F×L×？籽，确定了单根质量为36.24kg。

其中，m为质量（mg）、F为钢管断面積（m2）即F=π×$（D-$）、D为直径、$为厚度、L为长度（m）、ρ为钢材密度（kg/m3）即7.85*103kg/m3。

1.2 囊体材料的选择

囊体作为承压密封且与土体相互作用的膨胀装置，须具备优良膨胀性、强度高、密封性、抗腐蚀及老化性、可加工性等特点;结合以上特点确定囊体材料为丁基橡胶，相较于其他种类橡胶的性能及优势见表3和表4;橡胶检测仪为JZ6045德墨西亚曲挠试验机、JINMAI-HT-140SC万能材料试验机。

1.3 密封件材料的选择

①杆体和囊体，橡胶囊体直接在无缝钢管上进行硫化制作并用扣压机内套定制扣压件于指定位置进行机械压紧固定，达到杆体和囊体无缝贴合;扣压件材质为Q235碳素结构钢，扣压机型号为福莱克斯S8/101。（图1、图2）

②囊袋，其存在使得囊体均匀膨胀、控制体积大小、保护囊体;经综合考量成本、质量、摩擦性等因素后确定了农用灌溉水带（5或6寸塑料软管）;其优点为寿命长、气密性优良、抗老化、耐压耐磨、防冻等，具体性能见表5（其配料为PVC）。

③囊袋和囊体，为避免锚杆在施工过程中囊袋滑动须对其进行紧固作用，该措施也加强了气密性;经分析紧固件获得容易程度和成本等确定了304不锈钢喉箍卡，其优点在于全身不锈钢、强度高、耐久耐压耐腐蚀、紧锁牢固、体积小巧灵便，满足试环境条件，具体性能见表6。

1.4 其他配件的选择

杆体设计制作过程中，留有进出水（气）口以连接控制阀和压力表，进而完成串囊式充气锚杆整体组装;具体配件见表7。

2  串囊式充气锚杆的设计与制作工艺

2.1 杆体设计研究

根据试验条件和现场搬运难易程度选取了6m/根的无缝钢管作为原样进行设计加工，由于设计长度为12m，须两根进行连接，具体设计要求如下：①保证杆体气密性和完整性，将钢管头尾端进行封堵;②锚固段设置4个口，上下口平行贯通，直径5mm，间距100mm，居中;③距尾端200mm设置15mm直径的进出口以连接控制阀和压力表;④于锚固段两端设卡槽供扣压机套筒扣压，卡槽段嵌入2mm，宽150mm，嵌入段两端45°外斜处理，首个卡槽距锚杆头端150mm;⑤其他加工部位依据试验要求进行设计。

2.2 囊体模具设计研究

该设计为使囊体与杆体无缝贴合并符合试验要求，具体如下：①囊体套中空，指定设计端突出2mm且两端外斜45°以嵌入杆体设计凹槽段;②根据试验需求进行3类设计，厚度4mm和6mm，长度1.0m和1.5m，具体见图6。

2.3 成品组装设计研究

为连接全长12m的杆体并接入控制阀，利用ZX7-500直流电焊机进行焊接，其优势在于将电能瞬间转换为热能，操作简便、连接快、焊缝结实且与母材同强度、密封性耐久性好等，符合设计和试验要求，其性能见表8。

经焊接和配件安装后形成了完整结构的串囊式充气锚杆，具体见图7。

2.4 气密性研究

气密性始终是影响锚杆质量和试验结果的重要因素，现特对完整锚杆进行气密性测试探讨分析;将带有注水管的注浆泵（型号见表9）连接串囊式充气锚杆进行无围压情况下的注水试验，注水管和锚杆控制阀的连接通过注浆泵转接头实现，具体步骤如下：

①在完成各部分连接后打开注浆泵和控制阀进行注水，直至锚杆各囊袋均膨胀饱满达最大直径停止注水，此时压力表（量测0-1.6MPa）显示值接近0.1MPa（<0.1）。

②在无围压状况下完成注水操作后，关闭控制阀并取下注水管，静置串囊式充气锚杆于试验现场24小时，观察注水试验开始至结束压力表测试值的显示情况，结果无明显变化，具体见图10。

③完成压力表显示值变化观察后，打开控制阀放水恢复串囊式充气锚杆原样以继续后续拉拔试验，由此也证明了串囊式充气锚杆的可回收环保特性。

3  结语

本章完成了串囊式充气锚杆杆体、囊体模具、密封件和其他配件以及完整锚杆成品组装等设计研究，为后期产品制作和完善设计提供依据;并通过查询现有文献资料，对市场材料进行比对分析进而确定各组件材料;通过与囊体模具厂家沟通确定了橡胶膜定制方案并选取扣压机固紧的方式解决了囊体与杆体间的密封问题;细化各配件安装流程，提高串囊式充气锚杆制作质量和要求;最后利用专用锚索注浆泵对锚杆进行注水试验，观察压力表变化从而验证其密封性能，完成验证后放水使其恢复原状，证明其可回收利用价值。

参考文献：

[1]莫建军.串囊式充气锚杆力学特性试验研究[D].中南大学，2014，05.

[2]彭文祥，张旭，莫建军，等.串囊式充气锚杆在砂土中的模型试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（7）：93-99.

[3]胡银.膨胀控制型锚杆的研制与性能研究[D].长江大学，2017，04.