工程應(yīng)用中串囊式充氣錨桿的設(shè)計(jì)和制作

彭文祥　袁博

摘要：目前串囊式充氣錨桿的設(shè)計(jì)和制作還處于探索完善階段，本文將結(jié)合前人研究成果針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件材料選擇、密封性能等進(jìn)行探討優(yōu)化，保證錨桿質(zhì)量并增加后期拉拔試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的真實(shí)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.

關(guān)鍵詞：串囊式充氣錨桿;設(shè)計(jì)制作;材料選擇

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

中圖分類號(hào)：TU476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0185-03

1? 囊式充氣錨桿的材料選擇

1.1 桿體材料的選擇

結(jié)合現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)和工程應(yīng)用條件，桿體作為傳遞荷載裝置需具備高強(qiáng)度、優(yōu)質(zhì)塑性、可加工性、抗腐蝕性、可連接性及可回收性等特點(diǎn)，由此確定桿體材料為擁有中空截面、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的雙相不銹鋼無縫鋼管。根據(jù)GB14975-94《不銹鋼無縫鋼管》的規(guī)定，制作過程中可以規(guī)避內(nèi)外層表面裂縫、毛刺等不良現(xiàn)象，其具體質(zhì)量規(guī)格見表1。

所以，綜合考量后選擇桿體材料及規(guī)格為雙相不銹鋼無縫鋼管，單根長度為6m，外徑為54mm，壁厚5mm且通過常規(guī)型材理論重量公式m=F×L×？籽，確定了單根質(zhì)量為36.24kg。

其中，m為質(zhì)量（mg）、F為鋼管斷面積（m2）即F=π×$（D-$）、D為直徑、$為厚度、L為長度（m）、ρ為鋼材密度（kg/m3）即7.85*103kg/m3。

1.2 囊體材料的選擇

囊體作為承壓密封且與土體相互作用的膨脹裝置，須具備優(yōu)良膨脹性、強(qiáng)度高、密封性、抗腐蝕及老化性、可加工性等特點(diǎn);結(jié)合以上特點(diǎn)確定囊體材料為丁基橡膠，相較于其他種類橡膠的性能及優(yōu)勢(shì)見表3和表4;橡膠檢測儀為JZ6045德墨西亞曲撓試驗(yàn)機(jī)、JINMAI-HT-140SC萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

1.3 密封件材料的選擇

①桿體和囊體，橡膠囊體直接在無縫鋼管上進(jìn)行硫化制作并用扣壓機(jī)內(nèi)套定制扣壓件于指定位置進(jìn)行機(jī)械壓緊固定，達(dá)到桿體和囊體無縫貼合;扣壓件材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，扣壓機(jī)型號(hào)為福萊克斯S8/101。（圖1、圖2）

②囊袋，其存在使得囊體均勻膨脹、控制體積大小、保護(hù)囊體;經(jīng)綜合考量成本、質(zhì)量、摩擦性等因素后確定了農(nóng)用灌溉水帶（5或6寸塑料軟管）;其優(yōu)點(diǎn)為壽命長、氣密性優(yōu)良、抗老化、耐壓耐磨、防凍等，具體性能見表5（其配料為PVC）。

③囊袋和囊體，為避免錨桿在施工過程中囊袋滑動(dòng)須對(duì)其進(jìn)行緊固作用，該措施也加強(qiáng)了氣密性;經(jīng)分析緊固件獲得容易程度和成本等確定了304不銹鋼喉箍卡，其優(yōu)點(diǎn)在于全身不銹鋼、強(qiáng)度高、耐久耐壓耐腐蝕、緊鎖牢固、體積小巧靈便，滿足試環(huán)境條件，具體性能見表6。

1.4 其他配件的選擇

桿體設(shè)計(jì)制作過程中，留有進(jìn)出水（氣）口以連接控制閥和壓力表，進(jìn)而完成串囊式充氣錨桿整體組裝;具體配件見表7。

2? 串囊式充氣錨桿的設(shè)計(jì)與制作工藝

2.1 桿體設(shè)計(jì)研究

根據(jù)試驗(yàn)條件和現(xiàn)場搬運(yùn)難易程度選取了6m/根的無縫鋼管作為原樣進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，由于設(shè)計(jì)長度為12m，須兩根進(jìn)行連接，具體設(shè)計(jì)要求如下：①保證桿體氣密性和完整性，將鋼管頭尾端進(jìn)行封堵;②錨固段設(shè)置4個(gè)口，上下口平行貫通，直徑5mm，間距100mm，居中;③距尾端200mm設(shè)置15mm直徑的進(jìn)出口以連接控制閥和壓力表;④于錨固段兩端設(shè)卡槽供扣壓機(jī)套筒扣壓，卡槽段嵌入2mm，寬150mm，嵌入段兩端45°外斜處理，首個(gè)卡槽距錨桿頭端150mm;⑤其他加工部位依據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 囊體模具設(shè)計(jì)研究

該設(shè)計(jì)為使囊體與桿體無縫貼合并符合試驗(yàn)要求，具體如下：①囊體套中空，指定設(shè)計(jì)端突出2mm且兩端外斜45°以嵌入桿體設(shè)計(jì)凹槽段;②根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行3類設(shè)計(jì)，厚度4mm和6mm，長度1.0m和1.5m，具體見圖6。

2.3 成品組裝設(shè)計(jì)研究

為連接全長12m的桿體并接入控制閥，利用ZX7-500直流電焊機(jī)進(jìn)行焊接，其優(yōu)勢(shì)在于將電能瞬間轉(zhuǎn)換為熱能，操作簡便、連接快、焊縫結(jié)實(shí)且與母材同強(qiáng)度、密封性耐久性好等，符合設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求，其性能見表8。

經(jīng)焊接和配件安裝后形成了完整結(jié)構(gòu)的串囊式充氣錨桿，具體見圖7。

2.4 氣密性研究

氣密性始終是影響錨桿質(zhì)量和試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，現(xiàn)特對(duì)完整錨桿進(jìn)行氣密性測試探討分析;將帶有注水管的注漿泵（型號(hào)見表9）連接串囊式充氣錨桿進(jìn)行無圍壓情況下的注水試驗(yàn)，注水管和錨桿控制閥的連接通過注漿泵轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下：

①在完成各部分連接后打開注漿泵和控制閥進(jìn)行注水，直至錨桿各囊袋均膨脹飽滿達(dá)最大直徑停止注水，此時(shí)壓力表（量測0-1.6MPa）顯示值接近0.1MPa（<0.1）。

②在無圍壓狀況下完成注水操作后，關(guān)閉控制閥并取下注水管，靜置串囊式充氣錨桿于試驗(yàn)現(xiàn)場24小時(shí)，觀察注水試驗(yàn)開始至結(jié)束壓力表測試值的顯示情況，結(jié)果無明顯變化，具體見圖10。

③完成壓力表顯示值變化觀察后，打開控制閥放水恢復(fù)串囊式充氣錨桿原樣以繼續(xù)后續(xù)拉拔試驗(yàn)，由此也證明了串囊式充氣錨桿的可回收環(huán)保特性。

3? 結(jié)語

本章完成了串囊式充氣錨桿桿體、囊體模具、密封件和其他配件以及完整錨桿成品組裝等設(shè)計(jì)研究，為后期產(chǎn)品制作和完善設(shè)計(jì)提供依據(jù);并通過查詢現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，對(duì)市場材料進(jìn)行比對(duì)分析進(jìn)而確定各組件材料;通過與囊體模具廠家溝通確定了橡膠膜定制方案并選取扣壓機(jī)固緊的方式解決了囊體與桿體間的密封問題;細(xì)化各配件安裝流程，提高串囊式充氣錨桿制作質(zhì)量和要求;最后利用專用錨索注漿泵對(duì)錨桿進(jìn)行注水試驗(yàn)，觀察壓力表變化從而驗(yàn)證其密封性能，完成驗(yàn)證后放水使其恢復(fù)原狀，證明其可回收利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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