地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

2022-04-06陶志刚任树林何满潮

煤炭学报 2022年2期

陶志刚，任树林，何满潮，夏敏

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083； 3.北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083)

随着资源需求量的不断增加和人类活动范围的不断扩展，能源开采、交通隧道等地下空间工程建设和开发逐渐向深部发展。与浅部岩体不同，随着工程埋深的增加，工程地质环境逐渐恶化，深部岩体往往具有高地应力、大变形及强时间效应等特点，这对深部工程支护材料提出了新的挑战。在浅部工程中，采用“以刚克刚”或“以柔克刚”支护思想的传统支护材料往往能满足一定的支护需求，而对于深部工程而言，需要研发出具有高延伸率、高强度以及能够施加高预紧力的超强吸能理想支护材料。基于此问题，相关学者开展大量研究,并研发出多种能量吸收锚杆，如D-bolt，MCB conebolt，拉压耦合锚杆以及宏观NPR锚杆/索等，在支护工程中都发挥重要的作用，取得良好的支护效果。但这些锚杆一般是由多种材料组合而成的结构，施工工艺复杂，成本居高不下。更为关键的是，这些锚杆的相关组合材料均采用具有泊松比效应(Poission’s Ratio)的普通小变形材料，即在小变形条件下发生颈缩效应然后破断失效的材料。因此，理想支护材料的研发是亟需解决的问题。基于此问题，笔者团队研发出一种新型的高强度、高延性，具有微观NPR(Negative Poisson’s Ratio)效应的超级锚杆钢材料，该材料能够有效平衡钢材高强度和高延性的矛盾，满足理想支护材料的要求，从本质上实现了锚杆的超强吸能特性。

另一方面，深部地下空间岩体往往是由许多乱序分布的节理、裂隙及断层等弱结构面和被其切割的岩块组成的块体系统，其力学作用、变形特征和失稳模式受结构面控制。锚杆支护工程对不稳定块体的错动变形起关键约束作用。现场工程研究表明，锚杆在深部支护工程中往往是由拉力和剪力的综合作用所致，因此锚杆锚固节理岩体抗剪性能的研究对锚固工程具有重要意义。1974年BJURETRO S首次开展加锚节理岩体剪切实验，实验研究了全长黏结型锚杆在不同锚固角度条件下加固含贯通节理的花岗岩体的剪切性能。随后众多学者从锚固角度、节理面粗糙度、锚固方式、加载条件以及预应力等方面开展一系列锚固节理岩体剪切实验。LI等开展了不同锚固角度和注浆强度对锚固剪切性能的实验研究，认为锚固角度为40°～50°，注浆强度为50 MPa时，锚固抗剪效果最佳。LIU等分析了在不同节理面摩擦角条件下锚固角度对锚杆横向剪切抗力的影响，指出当锚固角小于节理面摩擦角时，锚杆的横向剪切抗力接近于0。CUI等开展了CNL和CNS边界条件下锚固节理岩体剪切实验，研究了不同法向边界条件对加锚节理岩体剪切性能的影响。WU等研究了循环剪切荷载条件下锚杆失效特征和节理岩体加固效果。WU等研究了节理面粗糙度对锚固机制的影响，认为节理面剪胀效应能有效提高锚杆对节理面抗剪强度的贡献值，锚杆能够有效抑制节理面的剪胀效应。LI等通过室内剪切实验对比研究了玻璃钢纤维锚杆、螺纹钢锚杆和锚索对混凝土节理面抗剪性能的影响，研究表明锚固岩体剪切刚度受锚杆刚度影响显著。CHEN等和WU等分别对D-bolt和TCC锚杆的锚固剪切特性进行了研究，研究表明吸能锚杆的锚固抗剪性能显著优于普通锚杆。通过相关文献总结不难发现，锚固角度、结构面粗糙度、加载条件等因素对锚杆锚固抗剪作用影响显著，但目前锚杆锚固节理岩体抗剪性能的研究都采用普通PR材料的锚杆，微观NPR钢抗剪性能的研究尚属空白，亟需开展微观NPR钢锚固节理岩体抗剪力学性能的研究。

为此，笔者首先对PR材料、宏观NPR结构以及微观NPR材料的概念和研发历史进行介绍说明；然后开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢静力拉伸实验，对比研究其静力拉伸力学性能和破坏形态；最后在不同法向应力条件下开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的锚固节理岩体以及无锚固节理岩体室内剪切实验，对比分析锚固节理岩体剪切力-剪切位移曲线特征、剪切强度以及锚杆变形失稳模式等，为微观NPR锚杆钢的实际工程应用提供依据。

1 PR材料、宏观NPR结构复合材料和微观NPR材料的特点

1.1 PR材料

PR(Poisson’s Ratio)材料，又称泊松材料，是指具有泊松效应这一类材料的统称，它的概念来源于描述材料物理力学性质的参数——“泊松比”。“泊松比”以法国数学家西莫恩·德尼·泊松命名，定义为材料的横向收缩应变与纵向伸长应变之比的相反数，又称为横向变形系数。通常情况下认为，几乎所有的材料泊松比为正值，具有泊松效应，即材料在受拉伸作用时，横向发生收缩(图1(a)，为材料所受拉力)。相反地，NPR材料(Negative Poisson’s Ratio)，又称负泊松材料，是指材料具有负泊松效应，在受拉伸作用时，横向发生膨胀(图1(b))。材料的负泊松效应不受尺度的影响，可以是宏观结构的整体行为，也可以是内部结构微观尺度的性质表现。1987年，LAKES报道了具有负泊松比效应的聚氨酯泡沫材料。近些年来，NPR材料因其在强度、变形等方面的优良特性和应用潜力逐渐被学者们所关注并得到迅速发展。但目前NPR材料的研究成果大多处于分子等微观尺度，停留在理论和实验阶段，并且由于其高昂的制造成本，距离产业化生产和大规模工业应用仍有一定距离。

图1 PR材料和NPR材料变形示意

1.2 宏观NPR结构复合材料

在工程支护领域，锚杆支护具有十分重要的地位，目前所采用的锚杆材料主要为Q235，MG335以及MG400等普通PR材料，该类材料受拉伸作用时，在较小的变形量下即发生屈服、产生颈缩现象，最终材料破断失效，无法满足深部岩土体大变形灾变的支护要求。面对深部工程建设对刚柔并济支护材料的客观需求，如何研发出具有恒阻大变形、超强吸能性质的理想塑性材料是解决深部支护问题的关键(图2)。2004年，何满潮院士提出理想塑性材料可能是一种NPR材料或结构，并带领笔者所在的深部岩土力学与地下工程国家重点实验室团队开展相关研究，最终于2006年研发出具有恒阻大变形的宏观NPR结构锚杆/索，该锚杆/索通过恒阻锥体和恒阻套管的调控设计，在杆体受拉时带动恒阻锥体发生滑移，从而导致恒阻套管发生膨胀，最终实现锚杆/索伸长同时变粗的NPR效应(图3)。2009年建立宏观NPR结构锚杆/索生产线，有效解决了深部围岩大变形支护问题，在巷道工程、隧道工程等领域得以广泛使用。

图2 理想支护材料示意

图3 宏观NPR结构变形示意

1.3 微观NPR材料

基于宏观NPR结构的研究基础，2014年何满潮院士提出了微观NPR锚杆材料的构想和概念，即研发出一种与普通钢筋外形一致，但具有高强高韧、无屈服平台及超强吸能的理想塑性钢材，从本质上解决钢筋材料小变形的力学特性。课题组将宏观NPR结构的概念融入到钢铁冶炼中，通过微量元素配比、冶炼工艺的改变以及共格界面设计于2018年成功研发出微观NPR锚杆材料，并建立微观NPR材料生产线。本文主要采用静力拉伸实验和锚固剪切实验研究微观NPR锚杆钢的拉伸和剪切性能。

2 微观NPR锚杆钢静力拉伸性能实验研究

2.1 静力拉伸实验设计

为研究微观NPR锚杆钢静力拉伸条件下的破坏形态和力学性能，采用WAW-1000B微机控制电液伺服万能实验机进行静力拉伸实验。如图4所示，该实验机主要由加载系统、控制系统及显示系统构成，实验时通过微机控制高精度电液伺服阀，驱动精密液压缸，对力、位移、变形进行多种模式的自动控制，完成对试样的拉伸、压缩、抗弯抗折实验。本实验选取直径为18 mm的NPR锚杆钢材料，并设置Q235，MG335及MG400三种常用锚杆钢作为对照组进行对比研究。每种类型的锚杆钢准备5根，至少进行3组实验，长度为200 mm，两端各留40 mm的夹持端，实验采用位移控制方式，位移控制速度为1 mm/min。实验机自动实时记录变形-强度曲线，参照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸实验》的相关要求开展相关实验操作和数据采集。

图4 钢筋拉伸实验机

2.2 拉伸实验结果分析

图5为4种锚杆钢静力拉伸实验曲线，曲线可大致分为4个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破断阶段。弹性阶段锚杆拉伸强度和位移基本呈线性变化，达到一定强度后进入屈服阶段，Q235，MG335和MG400三种锚杆的拉伸曲线具有明显的屈服平台，强度出现较小的上下波动，而微观NPR钢没有出现屈服平台。随着拉伸位移的不断增加，锚杆进入塑性强化阶段，拉伸强度不断提升直至达到峰值强度，与普通锚杆不同，微观NPR锚杆在塑性阶段具有显著的恒阻能力。随后进入破断阶段，锚杆拉伸强度随着位移增加迅速减小，最终发生破断。图6为不同类型锚杆钢破断后的实验照片，可直观看出普通锚杆局部变形明显，而微观NPR锚杆钢具有显著整体均匀变形能力，破断时基本无颈缩。

图5 不同类型锚杆钢静力拉伸曲线

图6 不同类型锚杆断后颈缩现象

表1对4种锚杆的屈服强度、抗拉强度、屈强比及最大力延伸率进行统计，Q235，MG335和MG400三种锚杆的抗拉强度分别为560，572和650 MPa，其最大力延伸率分别为16.7%，19.1%和16.3%，而微观

表1 不同类型锚杆拉伸实验结果

NPR钢的抗拉强度为981 MPa，最大力延伸率达到36.6%，相较于普通锚杆，微观NPR锚杆钢大大提高了锚杆材料的强度和变形性能。屈强比是材料屈服强度与抗拉强度的比值，它能够表征材料抵抗变形的能力，其值越大表示材料抵抗变形的能力越强，Q235，MG335，MG400和微观NPR锚杆钢的屈强比分别为0.67，0.63，0.68及0.80，微观NPR锚杆钢的屈服强度和屈强比都显著高于普通锚杆钢，这对深部围岩支护工程锚杆预应力的施加具有重要意义，实现了深部工程的高预紧力支护，有效补偿深部开挖所导致的应力损失，此外，高恒阻力以及高延伸率的特点也使得微观NPR锚杆具有更强的能量吸收和安全储备，能够有效保障深部工程的安全性和可靠性。

3 微观NPR锚杆钢锚固剪切力学性能

3.1 抗剪实验设计

..实验试件制备

为研究微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学性能，制作锚固节理岩体试样进行室内直剪实验，实验采用微观NPR钢与普通PR钢对照实验方法进行研究，设置Q235钢为实验对照组。实验锚杆选用直径为8 mm的微观NPR钢和Q235钢2种光圆钢筋加工而成。如图7所示，钢筋加工为长170 mm的杆体，由于工程中锚杆端部通常会安装垫板以及螺母对锚头端部进行锁定以增强加固效果，因此本实验中钢筋2端进行套丝处理，丝长为10 mm，两端配备螺母和垫片以用于节理岩体的两端锚固。图8为直径8 mm的微观NPR钢和Q235钢在静力拉伸条件下的强度-延伸率曲线，结果显示2种钢材具有明显不同的力学性能。Q235钢作为普通PR钢材的一种，具有明显的屈服平台，屈服强度约为350 MPa，抗拉强度为531 MPa，最大力延伸率约为17.5%。微观NPR钢无屈服平台，其屈服强度为819 MPa，抗拉强度能达到987 MPa，最大力延伸率达到30.8%，具有高强、高延伸率等超常力学特性。

图7 实验锚杆制作

图8 微观NPR钢和Q235钢延伸率-强度曲线

..锚固节理岩体制备

图9为锚固节理岩体试样模型，试样采用工程现场取回的花岗岩岩体加工而成。节理岩体试样尺寸采用边长为150 mm的立方体。研究表明，节理面粗糙度对锚杆锚固剪切性能影响较大，本文只考虑表面形态为平直型的节理。锚固节理岩体试样具体制作流程如图10所示，首先将花岗岩岩体切割为150 mm×150 mm×75 mm(长×宽×高)的长方体作为节理岩体的上下盘，随后在长方体岩块中心处钻孔以便于后续锚杆注浆锚固等工序，参考相关实验文献[38-39]，试样岩体钻孔孔径一般比锚杆直径大2～4 mm，本文钻孔孔径为12 mm。考虑到工程现场节理、断层等结构面之间分布有断层泥等具有粘性的填充物，在上下盘2个长方体岩块之间涂抹2～3 mm厚的素水泥浆粘合制成无锚固节理岩体试样，涂抹的素水泥浆以及钻孔中注浆浆液均采用标号为32.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.42。在室内标准养护7 d，待水泥浆达到其初凝强度后，进行节理岩体的锚固和注浆。锚固时首先将锚杆试样从上下盘中心钻孔中穿入，先将锚杆一端用螺母锁定，然后从另一端进行孔内注浆，注浆完成后同样用垫片和螺母进行锁定。将锚固注浆后的岩体在室内标准养护28 d，待注浆强度达到其终凝强度后，锚固节理岩体试样即制作完成。

图9 锚固节理岩体直剪实验模型

图10 锚固节理岩体试样制作流程

3.2 实验加载路径设计

为研究微观NPR钢和Q235钢2种类型的锚杆对锚固节理岩体力学性能的影响规律，在恒定法向应力条件下(CNL)开展4种法向应力(2，4，8，10 MPa)、3种锚固类型(无锚固、微观NPR钢和Q235锚固)的直接剪切实验。实验采用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的YZW100型微机控制电动应力式直剪仪(图11)，该仪器主要由法向和切向液压加载控制单元、液压伺服控制系统、系统控制显示系统、压力室等组成，其结构性能符合相关实验规范要求。实验开始前首先将试样放入直剪盒中，需要说明的是，由于本文试样两端锚固端头高于岩体试样表面，采用常规直剪盒无法水平稳定放置，因此需对直剪盒进行改进，在直剪盒顶部和底部中心处切割直径15 mm的小孔，实验锚杆能够穿入切割孔，从而保证直剪盒能够水平放置，满足实验加载要求。实验采用应力控制法对试样施加法向应力，法向加载速率为0.1 kN/s。待法向应力达到预设值后稳压10 s，然后采用位移控制法施加水平剪切位移，剪切位移速率为0.01 mm/s，直到锚杆发生破断或者剪切位移量达到30 mm时剪切实验终止。实验过程中剪切力-剪切位移曲线由电液伺服系统实时监测记录。

图11 YZW100型直剪仪

3.3 实验结果分析

..剪切位移剪切力曲线特征分析

无锚固、Q235钢锚固以及微观NPR钢锚固节理岩体试样在不同的法向应力条件下的剪切位移-剪切力曲线如图12所示。

(1)无锚固节理岩体。由图12(a)可见，无锚固节理岩体在不同法向应力条件下，剪切位移-剪切力曲线整体变化趋势较为一致，主要可分为2个阶段：

图12 节理岩体试样剪切力-剪切位移曲线

① 弹性上升阶段。该阶段剪切力和剪切位移基本呈线性关系，剪切位移较小，剪力迅速增大。无锚固节理岩体主要依靠岩体上下盘之间的水泥浆液胶结力提供一定的抗剪强度来抵抗水平剪切力。

② 残余变形阶段。随着剪切荷载的不断增加，剪切力大于水泥浆液的胶结力，节理岩体上下盘之间的胶结作用被破坏，剪切力瞬间跌落。节理面之间胶结脆断，形成贯通破坏面，节理岩体仅依靠节理面两壁之间的物理摩擦力抵抗水平剪切力。曲线表现为随着剪切位移的增加，剪切力呈一条水平直线基本保持稳定状态。无锚固节理岩体剪切破坏具有显著的脆性破坏特征。

(2)Q235钢、微观NPR钢锚固节理岩体。如图12(b)，(c)所示，Q235钢、微观NPR钢锚固节理岩体在不同的法向应力条件下，剪切位移-剪切力曲线整体可分为3个阶段：

① 弹性上升阶段。此阶段与无锚固节理岩体类似，在加载初期剪切力和剪切位移基本呈线性关系。

② 锚固加强阶段。该阶段开始前剪切力发生突降，主要由于剪切力大于节理面水泥浆胶结力导致胶结断裂。与无锚固工况不同，由于锚杆锚固的加强效应，剪切力迅速恢复，锚杆在此阶段充分发挥其抗剪作用，是剪切力的承载主体。在承受一定的剪切荷载以及剪切变形条件下，锚固岩体仍能保持较高的剪切强度。与无锚固节理岩体的脆性破坏特征相比，加锚节理岩体具有显著的延性破坏特征。

③ 锚杆断裂，残余变形阶段。随着剪切位移的不断增加，剪应力突然发生跌落，实验过程中能听见钢筋脆断的声响，此阶段锚杆发生断裂，锚固作用失效。与无锚固节理岩体类似，此阶段节理岩体仅依靠节理面界面摩擦力发挥抗剪作用。

..锚固前后力学特性对比分析

加锚节理岩体抗剪强度是无锚固节理岩体抗剪强度和锚杆抗剪作用的综合效应，是描述剪切特性的重要参数。表2为试样在不同工况条件下的剪切强度及锚固前后强度增量的数据汇总。由于法向应力为2 MPa条件下，微观NPR钢在实验过程中未发生断裂，剪切强度仍有上升趋势，取其在剪切实验终点处的剪切应力作为该实验工况的抗剪强度。从表2可以得到，加锚后的岩体抗剪强度相较于无锚固节理岩体皆有不同程度的提升。Q235钢和微观NPR钢的平均提升强度分别为0.93和2.77 MPa，微观NPR所能提供的抗剪强度最高。

表2 锚固节理岩体剪切实验结果统计

锚固及未锚固节理岩体抗剪强度符合摩尔库伦强度准则(式(1))，为了对数据进行进一步分析，将表2中各锚杆类型的平均剪切强度数据进行参数拟合，拟合结果如图13所示。

图13 锚固前后节理剪切强度拟合曲线

=+tan

(1)

式中，为黏聚力，MPa；为法向应力，MPa；为内摩擦角，(°)；为剪切强度，MPa。

在不同锚杆类型和法向应力条件下，剪切强度和法向应力都具有良好的相关性。无锚固节理岩体黏聚力为0.343 MPa，内摩擦角为31.96°。锚固后拟合曲线斜率和截距都有不同程度的提高，即锚杆的锚固作用对节理岩体的黏聚力和内摩擦角都有提升，将锚固后的节理岩体黏聚力和内摩擦角分别定义为当量黏聚力和当量内摩擦角。Q235钢和微观NPR钢的当量黏聚力分别为0.958和2.796 MPa，当量内摩擦角分别为34.05°和34.14°。以上数据表明微观NPR钢锚固对节理岩体的黏聚力和内摩擦角提升最大，与Q235钢锚固效果相比，微观NPR钢的锚固抗剪效果更好。

深部岩体支护工程中要求支护结构除具有较高的强度提升外，还应具有一定适应变形的能力。因此，在锚杆锚固节理岩体抗剪加固中，锚杆抗剪切作用长度也是其性能的重要体现。根据Q235钢和微观NPR钢锚固节理岩体剪切力-剪切位移曲线，对锚固加强阶段起点和锚固加强阶段终点，定义两者之差为剪切实验过程中锚杆的作用长度，结果见表2，由于法向应力为2 MPa条件下微观NPR锚杆并未发生失效，为便于对比分析，将剪切实验最大剪切位移30 mm作为该工况下的锚固作用终点。Q235钢在4种法向应力条件下的平均作用长度为5.48 mm。微观NPR钢平均作用长度为21.65 mm，是Q235钢剪切变形能力的3.95倍以上。

..锚固节理岩体变形及破坏特征分析

锚杆在锚固岩体中发挥横向抗剪作用时，受到外部荷载和围岩挤压的综合作用，必然会产生一定的横向变形，有必要对剪切实验后的节理岩体、锚杆变形和失稳特征进行分析，图14为剪切实验后的锚固岩体变形失稳。图14(a)为Q235钢锚固节理岩体试样在剪切实验后的变形特征，锚杆在较小的剪切位移条件下直接发生断裂。节理面锚杆两侧形成挤压区和解耦区，挤压区锚杆与孔壁界面产生挤压应力，导致区域内岩体和锚固浆体被挤压破碎，出现明显的椭圆形白色磨损区域。解耦区锚杆与孔壁浆体因拉应力作用发生脱黏分离。图14(b)为法向应力为2 MPa条件下，微观NPR钢锚固节理岩体试样在实验后的变形特征，可以直观的看到锚杆在节理面附近发生局部剪切变形，变形形状呈“S”型。此外，部分试样在加载过程中由于锚杆的挤压作用，在孔口处产生应力集中现象，达到岩体的抗剪强度，试块节理面附近出现裂纹和局部破坏，最终导致试样开裂(图14(c))。但由于试样放置于剪切盒中，破裂锚固岩体以锚杆作为承载主体，仍然保持一定的抗剪能力可继续加载，直到满足实验终止条件。

图14 直剪实验后试样变形失稳

为进一步分析锚杆剪切变形破断特征，每个试样直剪实验做完后将锚杆从锚固岩体中取出。如图15所示，在法向应力为2，4，8及10 MPa的条件下，Q235横向剪切变形量分别为7.32，5.74，6.22和5.93 mm，平均值为6.30 mm。微观NPR钢横向剪切变形量分别为22.13，17.68，12.23和9.86 mm，平均值为15.48 mm。Q235钢在剪切变形量平均为0.79倍锚杆直径时即发生断裂失效，基本呈现出一种剪切脆性破坏的现象。

图15 锚杆变形失稳

微观NPR钢的剪切变形量能达到其直径的1.94倍，微观NPR钢承受横向剪切变形量是Q235钢的2.5倍左右。此外，随着法向应力的不断增大，微观NPR钢剪切变形量呈现出逐渐减小的趋势。分析该情况产生原因，如图16所示，由于锚固岩体受横向剪切力作用会使锚杆产生垂直和平行于锚杆轴线2个方向的力分量和，导致锚杆发生轴向和横向变形和，综合作用后锚杆宏观表现为“S”形变形。

图16 微观NPR钢深部支护变形示意

钢材的轴向变形承载能力远大于其横向剪切方向变形承载能力，在较低的法向应力下，锚杆的轴向和横向变形承载能力都能较好的发挥。而随着法向应力的增大，微观NPR钢的轴向变形被抑制，锚杆横向变形成为承载主体，锚杆的剪切变形量逐渐降低。因此在深部工程中，普通PR锚杆/索往往受剪切或拉剪作用发生脆断，造成突发性的工程灾害，而微观NPR锚杆钢具有良好的岩体抗剪强度提升能力和抗剪切变形能力，在深部支护中具有良好的应用前景。