本發(fā)明涉及一種錨桿/錨索，特別是涉及一種恒阻大變形錨桿/錨索，屬于工程機械領域、巖土工程錨固技術領域。

背景技術：
錨桿、錨索是最常用的巖土工程錨固結構，在邊坡支護工程、隧道圍巖支護、采礦巷道支護等領域都有大量的應用。傳統(tǒng)錨桿/索為基本上屬于剛性結構，對變形的容忍量小。在巖體質量差，變形量大的情況下，以及地震、爆破振動等動荷載作用時，錨桿/索被拉斷進而造成工程失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象非常多。應對地震、爆破動荷載作用和圍巖大變形的情況，采用能容許大變形的耗能錨桿/索是較好的工程解決方案。目前，大變形錨桿/錨索從功能原理上大致可分為兩種：一種是通過錨桿體自身材料延性來提供大變形，如挪威的D-Bolt。這類錨桿/錨索結構簡單和普通錨桿差別不大，但對材料的延展性要求高，且容許的變形量一般仍較?。涣硪环N是恒阻大變形錨桿/錨索，如AtlasCopco公司的RoofexTM大變形錨桿，在普通錨桿/錨索外加裝恒阻裝置，即恒阻器，利用錨桿/錨索主體在拔出時與恒阻器間的摩擦來得到恒定阻力和大變形能力。這類錨桿/錨索也可以實現(xiàn)恒阻大變形的目的，但摩擦體老化失效是其典型缺陷之一。公布號為CN102359386A，名稱為“一種剪切套管式讓壓錨桿”的中國發(fā)明專利申請公開了一種剪切套管式讓壓錨桿，其套管設計成具有一大一小兩種內(nèi)徑的圓形長管，錨桿桿體表面焊接有一定數(shù)量及間距的剪切核，通過剪切核與套管小內(nèi)徑段的相互剪切作用實現(xiàn)變形讓壓能力。該產(chǎn)品主要有四方面缺陷：其一、由于剪切核是有間距的排列分布，因此在錨桿拉拔過程中阻力也呈間斷不連續(xù)性，在一組剪切核發(fā)生破壞后錨桿會有突然失去作用的短暫時間，這對支護工程的實際操作非常不利，安全隱患較大。其二、套筒通過對剪切核的直接剪切破壞發(fā)揮作用，極限抗力即為破壞時的剪力，因而阻力的力學特性(方向、大小)簡單，產(chǎn)品應用的擴展性有限，難以根據(jù)實際工況需要針對性設計特定力學指標的錨桿。其三、剪切核焊接在錨桿桿體表面，容易因假焊、虛焊等導致不利后果，且加工成型的錨桿也易因保管存放不當而致使剪切核生銹脫落。其四、該錨桿加工時采用先在錨桿體表面焊接剪切核與阻擋塊后再裝入套管的方法，為保證錨桿體能最終放入套管內(nèi)并保留設計的間隙大小，因而對焊接工藝要求較高，增加了加工成本。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單、安全、可靠性高、耐久性好的恒阻大變形錨桿/錨索，該錨桿/錨索能夠提供持續(xù)恒定的變形阻力。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：一種恒阻大變形錨桿/錨索，包括桿/索體、恒阻套筒、切削刀具，其特征在于：所述桿/索體是階梯軸式結構體，包括大外徑段與小外徑段；所述恒阻套筒是一端封閉一端開口的筒狀結構，套在所述大外徑段外，與大外徑段過盈聯(lián)接；所述切削刀具是環(huán)狀，穿接在小外徑段外部，刀口與軸肩緊接；所述切削刀具與所述恒阻套筒靜聯(lián)接。上述錨桿/錨索，在錨桿/錨索主體與恒阻套筒產(chǎn)生軸向的相對位移時，切削刀具自軸肩起連續(xù)行進式切削錨桿/錨索主體的大外徑段，即刀口在大外徑段上沿軸向開槽，由此產(chǎn)生恒定、連續(xù)的變形阻力。一般地，刀口需要采用適宜金屬切割的硬質合金鋼材料加工而成，錨桿/錨索主體采用一般錨桿用鋼材加工而成。切削刀具呈環(huán)狀，便于安裝在桿/索體上。一般地，刀口設計成三角形。刀口刃角角度對刻槽時的阻力大小有直接影響，再加上刻槽的斷面形狀、面積以及槽的數(shù)量共同決定恒阻器的抗力大小。由于錨桿/錨索的使用環(huán)境，因此本發(fā)明產(chǎn)品中切削刀具對切削精度、平整度等無特殊要求，只需通過切削提供一定的抗力。一般地，刃角設計為70°～80°。上述錨桿/錨索，切削刀具包括兩端開口的筒狀外殼，筒狀外殼穿接在桿/索體的小外徑段外，一端開口處與恒阻套筒開口端靜聯(lián)接；筒狀外殼內(nèi)腔中部的刀口與所述軸肩緊接。筒狀外殼與恒阻套筒開口端的螺紋聯(lián)接。筒狀外殼與恒阻套筒開口端螺紋聯(lián)接的最大抗拉力應大于恒阻器發(fā)生切削時的抗力。切削刀具連續(xù)行進式切削錨桿/錨索主體的大外徑段時會產(chǎn)生切屑，可能會影響阻力平衡分布，甚至無法拉拔。因此，上述錨桿/錨索大外徑段設計可進行優(yōu)化，在大外徑段與恒阻套筒間預留一定空隙。同時為防止切屑產(chǎn)生量較少不能充分填充預留空隙時，桿/索體可能會在恒阻套筒內(nèi)晃動，因此采用恒阻套筒與切削刀具同時從前后兩個位置夾持固定桿/索體結構設計，具體技術方案為：大外徑段的末端膨大呈基座；大外徑段通過基座與恒阻套筒過盈聯(lián)接，這是一側夾持固定位置；同時，切削刀具筒狀外殼內(nèi)腔中部設計有環(huán)狀刀座，環(huán)狀刀座穿接在小外徑段外，與小外徑段過盈聯(lián)接，這是另一側夾持固定位置。通過前后兩個夾持固定位置，可以使桿/索體大外徑段既與恒阻套筒間預留一定空隙，又能穩(wěn)固安裝在恒阻套筒內(nèi)。刀口安裝在環(huán)狀刀座上，與軸肩緊接。上述錨桿/錨索在桿/索體的大外徑段部分設計可做適當變形，具體技術方案是：大外徑段采用外部覆蓋棱條的外花鍵式結構設計，切削刀具與棱條的軸肩緊接。該錨桿/錨索在使用中，當錨桿/錨索主體與恒阻套筒產(chǎn)生軸向的相對位移時，切削刀具刀口自軸肩位置起連續(xù)行進式切削錨桿/索體表面的棱條，由此獲得連續(xù)、恒定阻力。上述大外徑段采用外花鍵式結構設計的桿/索體在行進式切削過程中除可提供恒定阻力并產(chǎn)生大變形外，還可以節(jié)省加工材料。一般地，刀口采用適宜金屬切割的硬質合金鋼材料加工而成，桿/索體采用一般錨桿用鋼材加工而成，棱條與桿體一次成形。上述錨桿/錨索的棱條結構可進一步優(yōu)化，具體是：優(yōu)化一：棱條設計為楔形，棱條截面積沿自軸肩向桿/索體端頭的方向逐漸增大。優(yōu)化二：棱條長度縮短且排列為多段，棱條數(shù)量沿自軸肩向桿/索體端頭的方向逐漸增多。兩種優(yōu)化設計均具有增阻功能，即提供的抗拔阻力隨拉出的長度增加而增大。上述大外徑段采用外花鍵式結構設計的錨桿/錨索中，可將刀口設計呈環(huán)狀。該設計既能保證拉拔過程中產(chǎn)生的阻力沿桿/索體周向平衡分布，又可簡化刀口部位的加工工藝。刀具設計為環(huán)形，刀口刃角角度對切削阻力有影響，可通過試驗確定。棱條的數(shù)量、寬度對恒阻器的抗力有影響，棱條數(shù)量越多、棱條與刀口接觸越寬，其產(chǎn)生的阻力越大。棱條的數(shù)量、寬度可通過試驗優(yōu)化確定。本發(fā)明提供的恒阻大變形錨桿/錨索采用切削刀具行進式切削錨桿/索體上的突出棱條或在錨桿/索體上開槽的方式提供連續(xù)、恒定的阻力。切削刀具與被切削物體之間的相互作用力復雜，在具體加工中，可以在確定錨桿/錨索工作條件下實際需要的抗力的前提下，通過實驗確定切削刀具的剛度、刃角以及被切削材料的屈服強度、剛度，并且使各參數(shù)之間達到一定的匹配關系，設計得到需要的力-變形關系曲線，從而完成上述恒阻大變形錨桿/錨索的完整設計?；诖耍景l(fā)明進一步提供上述恒阻大變形錨桿/錨索的設計方法，具體技術方案包括開槽式恒阻大變形錨桿/索的槽深h設計方法，棱條式恒阻大變形錨桿/索的棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b設計方法。在開槽式錨桿/索的設計中，主要設計參數(shù)包括槽底角θ、槽深h、刻槽數(shù)量n，其設計值都需根據(jù)錨桿/索實際工程需要的最大抗拔力FC確定。一般地，在錨桿拉拔過程中，刀具在大外徑段上開軸向對稱三角形槽，即槽斷面為等腰三角形。本發(fā)明提供刻槽設計中槽深h的設計方法，具體技術方案如下：本發(fā)明開槽式恒阻大變形錨桿/索槽深h設計方法，依如下步驟實施：步驟S1、選定錨桿/索體鋼材，依式1確定刻槽數(shù)量n與槽深h的設計組合：式1式中，F(xiàn)C-錨桿/索實際工程需要的最大抗拔力，kN，由設計參數(shù)確定，k1-切削系數(shù)，為無量綱參數(shù)，由常規(guī)方法標定，[s]-錨桿/索體鋼材的抗剪強度，Pa，由材料參數(shù)確定，θ-槽底角，取值60°～90°，n-刻槽數(shù)量，取值≥2；步驟S2、以步驟S1確定的各n與h設計參數(shù)組合為條件，依式2驗證：式2式中，σb-錨桿/索體鋼材抗拉強度，Pa，由材料參數(shù)確定；r1-大外徑段半徑，mm，由式2確定。上述開槽式恒阻大變形錨桿/索槽深h設計方法中，為避免拉拔過程中偏心受力，刻槽應采用環(huán)形陣列分布。切削系數(shù)k1具體可采用錨桿拉拔切削試驗標定。對于棱條式恒阻大變形錨桿/索(即大外徑段采用外部覆蓋棱條的外花鍵式結構設計)，本發(fā)明對棱條的設計以簡單實用為原則，棱條橫截面可采用矩形或梯形。設計需要確定的參數(shù)包括：棱條高度h，棱條與刀口相接觸寬度b，棱條數(shù)量n，其參數(shù)選取根據(jù)錨桿需要的最大抗拔力FC計算確定。本發(fā)明具體提供棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b兩個參數(shù)的設計方法，具體技術方案如下：本發(fā)明棱條式恒阻大變形錨桿/索棱條高度h、棱條與刀口接觸寬度b二參數(shù)設計方法，依如下步驟實施：步驟S1、選定錨桿/索體鋼材，依式3確定棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b的設計組合：式3式中，F(xiàn)C-錨桿/索實際工程需要的最大抗拔力，kN，由設計參數(shù)確定；k2-切削系數(shù)，為無量綱參數(shù)，由常規(guī)方法標定，n-棱條數(shù)量，取值3～8，[s]-錨桿/索體鋼材的抗剪強度，Pa，由材料參數(shù)確定；步驟S2、以步驟S1確定的各b與h設計參數(shù)組合為條件，依式4驗證：式4式中，σb-錨桿/索體鋼材抗拉強度，Pa，由材料參數(shù)確定，r2-外花鍵的1/2小徑，mm，由式4確定。上述棱條式恒阻大變形錨桿/索棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b二參數(shù)設計方法中，為避免拉拔過程中偏心受力，棱條應采用環(huán)形陣列分布。切削系數(shù)k2具體可采用錨桿拉拔切削試驗標定。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)提供了一種能夠提供連續(xù)、恒定阻力的恒阻大變形錨桿/錨索；(2)錨桿/錨索的恒阻套管加工制作簡單，摒棄了套管(筒)內(nèi)加摩擦齒的復雜結構，切削棱條可在制作錨桿時一次成型也可采用焊接方式，錨桿/錨索讓壓能力容易調(diào)控，錨桿/錨索桿體也能采用高強度材料，可方便提高錨桿整體承載能力；(3)恒阻器內(nèi)不需設置潤滑油或液體，因而對密封的要求低，并可提高結構整體的耐久性；(4)產(chǎn)品易于根據(jù)現(xiàn)場工況需要，通過改變切削面積對恒阻力進行調(diào)整，以及通過改變恒阻器內(nèi)桿體的長度來調(diào)節(jié)最大變形量；(5)總體上，本發(fā)明是一種適應大變形軟巖、動壓巷道或地震動荷載條件，具備大變形與恒阻雙重功能同時具有較高承載能力的針對性強、制作加工簡單、操作簡便的切削式大變形錨桿；(6)本發(fā)明還提供了恒阻大變形錨桿/錨索的設計方法，具體包括開槽式恒阻大變形錨桿/索槽深h、棱條式恒阻大變形錨桿/索棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b參數(shù)的設計方法。附圖說明圖1-1是恒阻大變形錨桿/錨索結構剖面示意圖。圖1-2是圖1-1的A-A'剖示圖。圖1-3是圖1-1的B-B’剖示圖。圖1-4是切削刀具結構剖面示意圖。圖2-1是恒阻大變形錨桿/錨索結構剖面示意圖。圖2-2是圖2-1的A-A'剖示圖。圖2-3是圖2-1的B-B’剖示圖。圖3-1是桿/索體大外徑段楔形棱條的設計。圖4-1是桿/索體大外徑段含多條棱條的設計。圖5-1是大變形錨桿加固破碎巖體應用方式示意圖。圖6-1是大變形錨桿加固破碎巖體應用方式示意圖。圖7-1是專利CN102359386A的原理圖(P-剪切面)。圖7-2是專利CN102359386A的錨桿拉拔試驗荷載-位移曲線。圖7-3a、圖7-3b是本發(fā)明刀具與被切削桿/索體的受力示意圖(P-剪切面)。圖7-4是本發(fā)明的錨桿拉拔試驗荷載-位移曲線。附圖中的數(shù)字標記分別是：1桿/索體2恒阻套筒3切削刀具4波紋管套11大外徑段12小外徑段13軸肩14棱條111基座31刀口32筒狀外殼33環(huán)狀刀座4波紋管套5切屑具體實施方式下面結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步的描述。實施例一如圖1-1～圖1-3所示，加工一種恒阻大變形錨桿/錨索。圖1-1是恒阻大變形錨桿/錨索結構剖面示意圖；圖1-2是圖1-1的A-A'剖示圖；圖1-3是圖1-1的B-B’剖示圖。恒阻大變形錨桿/錨索，包括桿/索體1、恒阻套筒2、切削刀具3；桿/索體1是階梯軸式結構體，包括大外徑段11與小外徑段12，大外徑段11的末端膨大呈基座111；恒阻套筒2是一端封閉一端開口的筒狀結構，套在大外徑段11外部，通過基座111與大外徑段11過盈聯(lián)接。圖1-4是切削刀具結構剖面示意圖。切削刀具3包括兩端開口的筒狀外殼32，筒狀外殼32內(nèi)腔中部有環(huán)狀刀座33，環(huán)狀刀座33穿接在小外徑段12外部，與小外徑段12過盈聯(lián)接；刀口31安裝在環(huán)狀刀座33上，與軸肩13緊接。筒狀外殼32的一端開口處與恒阻套筒2開口端靜聯(lián)接。本實施方式中，筒狀外殼32與恒阻套筒2螺紋聯(lián)接。實施例二如圖2-1～圖2-3所示，加工一種恒阻大變形錨桿/錨索，其與實施例一相同之處不再重復，其不同之處在于桿/索體1大外徑段11的設計。圖2-1是恒阻大變形錨桿/錨索結構剖面示意圖；圖2-2是圖2-1的A-A’剖示圖；圖2-3是圖2-1的B-B’剖示圖。大外徑段11是外部覆蓋棱條14的外花鍵式結構；大外徑段11的末端膨大呈基座111。恒阻套筒2是一端封閉一端開口的筒狀結構，套在大外徑段11外部，通過基座111與大外徑段11過盈聯(lián)接。切削刀具3與棱條14的軸肩13緊接。切削刀具3包括兩端開口的筒狀外殼32，筒狀外殼32內(nèi)腔中部有環(huán)狀刀座33，環(huán)狀刀座33穿接在小外徑段12外部，與小外徑段12過盈聯(lián)接；刀口31安裝在環(huán)狀刀座33上，與軸肩13緊接，刀口31是環(huán)狀。棱條14數(shù)量一般設計為3～8。實施例三如圖3-1所示，加工一種恒阻大變形錨桿/錨索，其與實施例二相同之處不再重復，其不同之處在于桿/索體1大外徑段11的設計。圖3-1是桿/索體1結構示意圖。棱條14是楔形，棱條14截面積沿自軸肩13向桿/索體1端頭的方向逐漸增大。實施例四如圖4-1所示，加工一種恒阻大變形錨桿/錨索，其與實施例二相同之處不再重復，其不同之處在于桿/索體1大外徑段11的設計。圖4-1是桿/索體1結構示意圖。棱條14呈多段排列，棱條14數(shù)量沿自軸肩13向桿/索體1端頭的方向逐漸增多。實施例五采用本發(fā)明恒阻大變形錨桿/錨索加固破碎巖體。圖5-1是大變形錨桿加固破碎巖體應用方式示意圖。恒阻套筒段錨桿/索體錨固在較穩(wěn)定巖體中，小外徑段錨桿/索體穿過巖體破碎帶。在破碎帶巖體發(fā)生位移時，恒阻套筒內(nèi)的大外徑段錨桿/索體可以部分或全部被拔出，在此過程中提供恒定阻力和很大的變形能力。具體施工時，首先在巖體中按照預定孔徑鉆孔，然后把恒阻大變形錨桿放入孔中并裸露一段錨頭在外。此時依照常規(guī)操作，小外徑段錨桿/索體應涂抹潤滑材料，使小外徑段錨桿/索體可以在變形過程中產(chǎn)生滑動。然后注漿，待砂漿強度達到要求后，再在小外徑段錨桿/索體端頭安裝錨定板并用螺母緊固。為使小外徑段錨桿/索體可以在變形過程中產(chǎn)生滑動，小外徑段錨桿/索體一般可涂抹潤滑材料或在外設置波紋管套。本實施方式中采用涂抹潤滑材料的方法。實施例六采用本發(fā)明恒阻大變形錨桿/錨索加固破碎巖體。圖6-1是大變形錨桿加固破碎巖體應用方式示意圖。恒阻套筒段錨桿/索體設置于錨頭位置，當破碎帶巖體發(fā)生向外的位移時，錨頭帶動恒阻套筒內(nèi)的錨桿/索體產(chǎn)生向外的位移，而恒阻套筒和切削刀具連接在錨桿體上，二者之間發(fā)生切削作用，提供恒定阻力和大變形。具體施工時，首先在巖體中按照預定孔徑鉆孔，然后把恒阻大變形錨桿放入孔中并裸露一段恒阻套筒在外，其中依照常規(guī)操作，小外徑段錨桿/索體應涂抹潤滑材料或在外設置波紋管套4，使其可以在變形過程中產(chǎn)生滑動。然后注漿，待砂漿強度達到要求后，再在恒阻套筒的端頭安裝錨定板并用螺母緊固。實施例七本發(fā)明開槽式恒阻大變形錨桿/索槽深h設計。某工程錨桿采用Φ32螺紋鋼，錨桿的設計荷載為125kN，為使錨桿在地震、爆破震動等瞬時荷載不發(fā)生拉出破壞，需設置恒阻大變形裝置。具體采用本發(fā)明開槽式恒阻大變形錨桿/索。選定錨桿/索體鋼材為Q235A鋼材。錨桿/索最大抗拔力FC設計為120kN，切削刀具的刃角設計為75°，經(jīng)錨桿拉拔切削試驗標定k1＝3.5，Q235A鋼材的抗剪強度[s]＝141MPa、材料抗拉強度σb＝375MPa，槽底角設計為θ＝75°。將已知量代入式1，計算確定刻槽數(shù)量n與槽深h的設計組合數(shù)據(jù)：(n＝2，h＝12.6mm)、(n＝3，h＝10.2mm)、(n＝4，h＝8.9mm)、(n＝5，h＝7.9mm)、(n＝6，h＝7.3mm)、(n＝7，h＝6.7mm)、(n＝8，h＝6.3mm)。將各組刻槽數(shù)量n與槽深h的設計組合數(shù)據(jù)代入式2，檢算各數(shù)據(jù)組合條件下的錨桿/索的抗拉性能，檢算結果為n＝2的一組不滿足式2，其余幾組數(shù)據(jù)均滿足。本實施例中選擇組合(n＝4，h＝8.9mm)，對應的r1＝22.3mm。實施例八本發(fā)明棱條式恒阻大變形錨桿/索棱條高度h、棱條與刀口相接觸寬度b設計。某工程錨桿采用Φ32螺紋鋼，錨桿的設計荷載為125kN，為使錨桿/索在地震、爆破震動等瞬時荷載不發(fā)生拉出破壞，需設置恒阻大變形裝置。具體采用本發(fā)明棱條式恒阻大變形錨桿/索。首先選定錨桿/索體鋼材為Q235A鋼材，材料抗拉強度σb＝375MPa，最大抗拔力FC設計為120kN。經(jīng)錨桿拉拔切削試驗標定k2＝3.0，Q235A鋼材的抗剪強度[s]＝141MPa。切削刀具的刃角設計為75°。將已知量代入式3，若設計采用棱條的高寬比為1，即h/b＝1，根據(jù)式4，可得到多組棱條數(shù)量n與棱條尺寸h、b的設計組合數(shù)據(jù)：(n＝3，h＝b＝9.7mm)、(n＝4，h＝b＝8.4mm)、(n＝5，h＝b＝7.5mm)、(n＝6，h＝b＝6.9mm)、(n＝7，h＝b＝6.4mm)、(n＝8，h＝b＝6.0mm)。將各組棱條數(shù)量n與棱條尺寸h、b的設計組合數(shù)據(jù)代入式4，外花鍵的1/2小徑r2≥10.1mm。若r2取值為13mm，則(n＝8，h＝b＝6.0mm)滿足條件；若r2取值為18mm，則除(n＝3，h＝b＝9.7mm)外，其他各組都滿足條件。對比例一本對比例對比CN102359386A公開的錨桿與本發(fā)明錨桿/錨索提供阻力CN102359386A中錨桿通過對剪切核的直接剪切破壞發(fā)揮作用，極限抗力即為破壞時的剪力，直剪的破壞面一般為剪切核與錨桿桿體的接觸面，其受力分析如圖7-1所示(圖中：Fs——直接剪切的剪力)。如圖7-2所示，該錨桿拉拔試驗荷載-位移曲線不連續(xù)。本發(fā)明錨桿依據(jù)金屬材料良好的塑性，利用切削刀具切削突出的棱條或刻槽，金屬切削時刀具與被切削對象的受力如圖7-3所示(圖中：Fs——切削時作用在剪切面上的剪力，F(xiàn)n——被切削物作用于剪切面上的壓力，F(xiàn)——切屑沿切削器滑動，作用在切削器上的摩擦力，N——切削器面對切屑產(chǎn)生的壓力，R——Fs與Fn的合力，R′——F與N的合力，R與R′大小相等，方向相反，切削抗力應為R在水平方向的分力，而垂直方向的分力則由鉆孔孔壁約束)。如圖7-4所示，本發(fā)明錨桿在切削的過程中提供恒定阻力。