《恆阻大變形纜索及其恆阻裝置》是中國礦業大學（北京）於2011年6月13日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN102296604A，專利公布日：2011年12月28日，發明人：何滿潮；陶志剛；張斌。
《恆阻大變形纜索及其恆阻裝置》提供一種恆阻大變形纜索及其恆阻裝置，該恆阻大變形纜索包括纜索、錨具、承載板和夾片，所述纜索的上端通過夾片固定於所述錨具和承載板，其還包括恆阻裝置，所述恆阻裝置包括套管和恆阻體，所述套管呈直管結構，所述恆阻體呈錐台結構，且所述恆阻體的下端端面的直徑大於其上端端面的直徑。本發明具有恆阻防斷的特性，可對滑坡和發震斷層活動性全過程進行監測和預警。
2021年4月30日，《恆阻大變形纜索及其恆阻裝置》獲得第二十一屆中國專利獎金獎。
基本介紹
- 中文名：恆阻大變形纜索及其恆阻裝置
- 地址：北京市海淀區學院路丁11號
- 申請號：2011101571374
- 公告號：CN102296604A
- 申請日：2011年6月13日
- 授權日：2011年12月28日
- 發明人：何滿潮；陶志剛；張斌
- 申請人：中國礦業大學（北京）
- Int. Cl.：E02D5/74(2006.01)I; E02D1/00(2006.01)I; E02D17/20(2006.01)I
- 代理機構：隆天國際智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張龍哺；馮志雲
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,技術目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
20世紀50年代以後，隨著預應力技術的提高，錨固加固理論、設計方法、規程規範的逐漸完善，以及錨索防腐手段的不斷進步，預應力錨索的發展越來越快。岩體預應力錨索單根預應力承載力已經達到16MN（德國）。預應力錨索結構類型多樣、種類繁多，並隨著套用水平的提高，不斷改進、完善。預應力錨固技術已經廣泛套用於岩土加固工程的各個領域，並積累了豐富的工程實踐經驗。
但是，在軟岩邊坡和活動性斷層監測和預警領域，發現套用傳統預應力錨索充當力學傳輸裝置存在有缺陷，例如滑動面和斷層面上的滑動力超過預應力錨索材料強度時，會發生錨索斷裂，力學信號傳輸系統破壞、整個監測系統失效的事故，無法對滑坡全過程進行連續監測。
發明內容
技術目的
本發明的目的在於提供一種恆阻大變形纜索及其恆阻裝置，以解決現有錨索存在的單純依靠錨索強度導致的當滑動力超過預應力錨索材料強度時錨索失效的問題。
技術方案
本發明提供的恆阻大變形纜索的恆阻裝置包括套管和用於固定連線纜索的恆阻體，所述套管呈直管結構，所述恆阻體呈錐台結構，且所述恆阻體的下端端面的直徑大於其上端端面的直徑；所述套管的內徑小於所述恆阻體的下端端面的直徑，所述套管內壁的下部設有楔形部，所述恆阻體設於所述楔形部；所述恆阻體的強度大於所述套管的強度，以使所述恆阻體在所述套管內移動時所述恆阻體形狀不變而所述套管發生塑性變形進而產生恆阻力。
根據所述恆阻大變形纜索的恆阻裝置的一種優選實施方式，其中，所述恆阻體中設有多個通孔，所述通孔呈錐台結構，且所述通孔的軸線與所述恆阻體的軸線平行。
為了實現上述目的，本發明提供的恆阻大變形纜索包括纜索、錨具、承載板和夾片，所述纜索的上端通過夾片固定於所述錨具和承載板，其中，還包括恆阻裝置，所述恆阻裝置包括套管和恆阻體，所述套管呈直管結構，所述恆阻體呈錐台結構，且所述恆阻體的下端端面的直徑大於其上端端面的直徑；所述套管的內徑小於所述恆阻體的下端端面的直徑，所述套管內壁的下部設有楔形部，所述恆阻體設於所述楔形部；所述恆阻體的強度大於所述套管的強度，以使所述恆阻體在所述套管內移動時所述恆阻體形狀不變而所述套管發生塑性變形進而產生恆阻力；所述纜索的下端固定於所述恆阻體上。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述恆阻體中設有多個通孔，所述通孔呈錐台結構，且所述通孔的軸線與所述恆阻體的軸線平行；所述纜索的下端通過所述夾片固定於所述通孔中。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述套管的上端固定一防滑擋板，所述纜索穿過所述防滑擋板。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述套管內壁上部固定一隔板，所述纜索穿過所述隔板，且所述隔板上方的所述套管內填充隔水防腐材料。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述恆阻體的下端端面覆蓋一擋板以防止所述通孔中的夾片脫落。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述擋板上設有多個第一類型孔，所述纜索的下端分別穿過所述擋板上的第一類型孔。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述套管的下端設有一密封的導向頭。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述擋板的中心設有一第二類型孔，一螺栓穿過所述第二類型孔將所述擋板固定於所述恆阻體的下端端面。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述纜索的上端上設有力學感測器以監測所述纜索的受力狀況，且所述力學感測器設於所述錨具和承載板之間。根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述導向頭的上端端面包括一凹槽。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述隔水防腐材料為石蠟、瀝青、黃油及各種成分按一定比例組成的混合材料。
根據上述恆阻大變形纜索的一種優選實施方式，其中，所述導向頭呈錐形或平頭錐台形。
改善效果
本發明提供的套用於軟岩邊坡和發震斷層活動性監測的恆阻大變形纜索，從滑坡災害監測和發震斷層活動性監測的角度來說，在岩體發生滑動過程中不會因為滑動力大於纜索極限強度而被拉斷，繼而喪失監測的作用，而是通過恆阻體在套管內滑移來抵抗剩餘滑動力的拉斷效應。整個裝置結構設計合理，使用方便，並且具有“抗中有讓，讓中有抗，恆阻防斷”的力學特性，可以對滑坡災害和發震斷層活動全過程進行監測和預警。
圖1為本發明優選實施例的剖面結構示意圖
圖2為本發明優選實施例的套管的剖面結構示意圖
圖3為本發明優選實施例的恆阻體的仰視結構示意圖
圖4為圖3所示的A-A剖視結構示意圖
圖5為本發明優選實施例的擋板結構示意圖
圖6為本發明優選實施例的隔板結構示意圖
圖7為本發明優選實施例套用時滑坡前的地址結構示意圖
圖8為本發明優選實施例套用時滑坡後的地址結構示意圖
圖9為本發明優選實施例套用時的位移-拉力曲線圖。
本發明涉及一種軟岩邊坡穩定性監測預警和發震斷層活動性監測的新型材料，尤其涉及一種恆阻大變形纜索及其恆阻裝置，屬於軟岩邊坡大變形破壞加固、監測、預警技術領域。
權利要求
1.一種恆阻大變形纜索的恆阻裝置，其特徵在於，包括套管和用於固定連線纜索的恆阻體，所述套管呈直管結構，所述恆阻體呈錐台結構，且所述恆阻體的下端端面的直徑大於其上端端面的直徑
所述套管的內徑小於所述恆阻體的下端端面的直徑，所述套管內壁的下部設有楔形部，所述恆阻體設於所述楔形部
所述恆阻體的強度大於所述套管的強度，以使所述恆阻體在所述套管內移動時所述恆阻體形狀不變而所述套管發生塑性變形進而產生恆阻力。
2．根據權利要求1所述的恆阻大變形纜索的恆阻裝置，其特徵在於，所述恆阻體中設有多個通孔，所述通孔呈錐台結構，且所述通孔的軸線與所述恆阻體的軸線平行。
3．一種恆阻大變形纜索，包括纜索、錨具、承載板、第一夾片和第二夾片，所述纜索的上端通過所述第一夾片固定於所述錨具和承載板，其特徵在於，還包括恆阻裝置，所述恆阻裝置包括套管和恆阻體，所述套管呈直管結構，所述恆阻體呈錐台結構，且所述恆阻體的下端端面的直徑大於其上端端面的直徑
所述套管的內徑小於所述恆阻體的下端端面的直徑，所述套管內壁的下部設有楔形部，所述恆阻體設於所述楔形部
所述恆阻體的強度大於所述套管的強度以使所述恆阻體在所述套管內移動時所述恆阻體形狀不變而所述套管發生塑性變形進而產生恆阻力
所述纜索的下端固定於所述恆阻體上。
4.根據權利要求3所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述恆阻體中設有多個通孔，所述通孔呈錐台結構，且所述通孔的軸線與所述恆阻體的軸線平行
所述纜索的下端通過所述第二夾片固定於所述通孔中。
5．根據權利要求3所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述套管的上端固定一防滑擋板，所述纜索穿過所述防滑擋板。
6.根據權利要求3所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述套管內壁上部固定一隔板，所述纜索穿過所述隔板，且所述隔板上方的所述套管內填充隔水防腐材料。
7．根據權利要求4所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述恆阻體的下端端面覆蓋一擋板以防止所述通孔中的所述第二夾片脫落。
8.根據權利要求7所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述擋板上設有多個第一類型孔，所述纜索的下端分別穿過所述擋板上的第一類型孔。
9.根據權利要求3所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述套管的下端設有一密封的導向頭。
10．根據權利要求7所述的恆阻大變形纜索，其特徵在於，所述擋板的中心設有一第二類型孔，一螺栓穿過所述第二類型孔將所述擋板固定於所述恆阻體的下端端面。
實施方式
鑒於現有技術中存在的問題和不足，基於恆阻大變形控制理論和錨固體系基本原理，本發明提供一種套用於軟岩邊坡和發震斷層加固、監測、預警於一體的恆阻大變形纜索，當作用在纜索上的荷載達到設計閾值時，則設定在纜索下端的由恆阻體和套管組成的恆阻裝置就可以通過恆阻體在套管內的滑移來抵抗剩餘荷載產生的拉斷效應，從而防止纜索被拉斷破壞。
圖1示意性的示出了本發明優選實施例的結構，如其所示，本優選實施例主要包括導向頭1、恆阻體5、套管8、纜索7、隔板9、防滑擋板11、填充於隔板9和防滑擋板11之間的防水充填料10、承載板12、錨具13以及將纜索7固定於錨具13和恆阻體5的夾片4。套用時，如圖7和圖8所示，纜索7的上端通過夾片4固定於錨具13，承載板12抵頂在另設的錨墩上。
如圖1和圖2所示，本優選實施例的套管8呈直管結構，其內壁的下部設有楔形部801用於容置恆阻體5，楔形部801的傾斜面和套管8的內壁有一個較小的夾角L。如圖1和圖3、圖4所示，本優選實施例的恆阻體5呈錐台結構，且恆阻體5的下端端面的直徑D大於其上端端面的直徑d。套管8的內徑小於恆阻體5的下端端面的直徑D。恆阻體5的強度大於套管8的強度，例如若恆阻體5為45號碳素鋼，則套管8可以選擇20號碳素鋼。恆阻體5和套管8的材料、恆阻體5的側壁和下端面的夾角、恆阻體5的長度、恆阻體5的上端端面的直徑d和下端端面直徑D、套管8的壁厚、恆阻體5下端端面的直徑D和套管8的內徑的差都與恆阻體5在套管8中滑動時的摩擦力有關，其具體選擇應根據實際需求而定，因為在套用過程中，邊坡下滑時，如圖7和圖8所示，纜索7將帶動恆阻體5在套管中滑動，依靠該滑動摩擦力保證本優選實施例的恆阻效果。但是在進行恆阻體5和套管8的參數選擇時，應使恆阻體5在套管8內移動時恆阻體5形狀不變而套管8發生塑性變形。例如在恆阻體5採用45號碳素鋼、恆阻體5上端端面的直徑為93mm、恆阻體5下端端面的直徑為96mm、恆阻體5長150mm、套管8採用20號碳素鋼、套管8內徑93mm、套管8壁厚20mm時，恆阻體5和套管8之間的恆阻力為850KN。
為了便捷高效的將纜索7固定於恆阻體5，本優選實施例的恆阻體5中設有多個供纜索7穿過並容置夾片4的通孔500。如圖3和圖4所示，通孔500的上端開口501位於恆阻體5的上端端面，其下端開口502位於恆阻體5的下端端面，開口501小於開口502，從圖中可以得知，通孔500呈錐台結構。每一通孔500的軸線均與恆阻體5的軸線平行，每一纜索7的下端分別通過夾片4固定於通孔500中。需要說明的是，雖然本優選實施例的纜索為6根，相應地，恆阻體5的通孔500也為6個，通孔500環繞恆阻體5的軸線均布於恆阻體5中，但是本發明並不以此為限，纜索的數量、通孔的設定方式都可以根據需要做出改變。
為了防止材料缺陷或生產缺陷導致恆阻體5滑出套管8，或者恆阻體5正常滑出套管8，套管8的上端固定一防滑擋板11，例如焊接固定，防滑擋板11上設有供纜索穿過的孔，優選的是，該孔和恆阻體5的通孔500 的軸線在同一直線上。
在套用現場向軟岩下索之前，已經將纜索7通過夾片4固定於恆阻體5的通孔500的下部，但是下索的過程，纜索7將可能發生往復滑動導致夾片4脫落，為避免下索時夾片4脫落，如圖1和圖5所示，恆阻體5的下端端面覆蓋一擋板3。擋板3的中心設有一孔302，螺栓⒉穿過孔302並固定於恆阻體5下端端面的孔503中，藉此將擋板3固定於恆阻體5的下端端面。擋板3的周緣設有多個孔301，孔 301與各纜索7分別對應，纜索7的下端分別穿過孔301，藉此可以防止下索過程中，由於夾片4鬆動及纜索7裕量過小導致的纜索7不能被固定於通孔500 中。
為了防止固定本優選實施例時的泥漿或者地下水進入套管8，從而導致恆阻體5和套管8的內壁腐蝕，無法實現恆阻效果，本優選實施例的套管8的內壁上部固定一隔板9，如圖1和圖6所示，纜索7穿過隔板9上的孔901，隔板9、防滑擋板11、套管內壁構成的空間中填充隔水防腐材料，例如瀝青、石蠟或者石蠟、瀝青、黃油按一定比例進行混合的混合材料。同樣優選的是，隔板9上設定的供纜索7穿過的孔901和恆阻體5的通孔500的軸線在同一直線上。
為了防止套管8及恆阻體5受腐蝕，本優選實施例的套管8的下端設有一密封的導向頭1。優選的是，導向頭1前端呈錐形，當然也可以呈平頭錐台形，且上端面有一凹槽，錐形結構可以使得下索時阻力小較為順利，凹槽可以減輕重量、簡化結構及容置伸出擋板2的纜索7。
為了實時獲得纜索7的拉力，纜索7上端的錨具13和承載板12之間設有力學感測器（圖中未示出）。
如圖7所示，在滑坡發生前，將本優選實施例穿過潛在滑動面ht，安裝在相對穩定的滑床hc上。如圖8所示，在滑坡發生過程中，當滑動力小於本優選實施例設計恆阻力（即恆阻體5和套管8之間的靜摩擦力）時，主要依靠纜索7的材料變形來抵抗滑動力的增加當滑動力大於本優選實施例設計恆阻力時，恆阻體5沿著套管8發生滑移，依靠套管8的結構變形來抵抗滑動力的增加，從而防止纜索7由於岩土體大變形破壞而被拉斷。
當岩土體發生大變形破壞時，會將變形能施加到纜索7上，形成纜索7的軸向拉力。當纜索7軸向拉力小於纜索設計恆阻力時，由於摩擦阻力的作用，恆阻體5與套管8之間不會發生相對位移，力學感測器上測得的作用力為纜索7上彈性範圍內的軸向拉力；當纜索7軸向拉力大於等於纜索7設計恆阻力時，恆阻體5開始沿著套管8發生滑移，此時力學感測器上測得的作用力主要為恆阻力，由於恆阻力是套管8和恆阻體5之間的摩擦阻力，因此，在滑移過程中，不考慮套管8內部缺陷，恆阻力大小恆定，力學感測器測得的力學信息也應當恆定。採集數據可以繪製成如圖9所示的拉力-位移曲線，其中曲線c1為傳統預應力錨索的拉力–位移曲線，c2為傳統非預應力錨索的拉力–位移曲線， c3為本優選實施例的拉力–位移曲線，通過曲線可以分別計算本優選實施例抵抗變形的能量和吸收變形的能量。而套用力學感測器也可以對傳統預應力錨索進行力學信息的採集，由於其不存在恆阻特徵，不存在能量吸收特性，因此無法對滑坡全過程變形能進行科學計算，即使滑坡發生了，變形能和滑動力大小也不得而知。
綜上所述，套用本發明時，當滑動岩體從穩定狀態到不穩定狀態、從近滑到臨滑狀態時，作用在其上的滑動力逐漸增加，當滑動力超過設計恆阻力時，恆阻體發生滑移，來抵抗岩土體大變形對纜索產生的拉斷效應。從監測的角度來說，本發明在滑坡發生過程中不會因為滑動力大於纜索強度而被拉斷，繼而喪失監測作用，而是通過恆阻體在套管體內滑移來抵剩餘滑動力拉斷效應，從而實現對滑坡全過程進行實時監測。可見本發明具有“抗中有讓，讓中有抗，恆阻防斷”的力學特性，可以對滑坡災害全過程進行監測和預警。
榮譽表彰
2021年4月30日，《恆阻大變形纜索及其恆阻裝置》獲得第二十一屆中國專利獎金獎。
