恒阻吸能锚杆力学特性与工程应用

王 琦，何满潮，许 硕，辛忠欣，江 贝，魏华勇

(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. 山东大学 岩土工程中心，山东 济南 250061)

我国地下工程发展迅速，在建设过程中常面临高应力、极软岩等复杂条件。传统支护材料强度与延伸率均难以满足复杂条件的围岩控制要求，易导致支护体系破断失效，围岩大变形现象严重。锚杆支护是调动围岩自承能力的核心，能够改善围岩应力环境，是地下工程中最常用的围岩控制手段之一。

为满足复杂条件围岩的控制要求，锚杆支护应具有以下特性：高支护强度，锚杆的支护强度越高，围岩控制效果越好，同时可避免锚杆受力和冲击过大而破坏；高延伸率，为了适应围岩大变形，锚杆应具有良好的延伸率，能够吸收围岩变形释放的能量；在锚杆具备高强、高延伸率特性的基础上，应施加高预紧力，补偿硐室开挖后的卸荷效应，发挥围岩自身承载能力，提高围岩支护效果。

为提高锚杆的支护强度，众多学者开展了高强锚杆的研究。早期的金属锚杆主要采用屈服强度为235 MPa的圆钢制成，延伸率可达25%。吴学震等研究了屈服强度为368 MPa的锚杆，延伸率为23%。康红普研发了屈服强度为600 MPa的锚杆，延伸率为18%。张东升等采用屈服强度为650 MPa，延伸率为17%的锚杆，研究了高强锚固对断层影响下围岩的支护效果。随着锚杆材料强度的提高，延伸率呈降低的趋势，导致锚杆的变形能力不足，在围岩大变形时易发生破断失效。因此，锚杆应在提高强度的同时，保证具有较高的延伸率，吸收围岩变形释放的能量。

为提高锚杆的延伸率和吸能特性，众多学者针对高伸长量的锚杆开展了研究。何满潮等研发了恒阻大变形锚杆，利用恒阻结构实现锚杆伸长，该恒阻结构最大伸长量可达1 000 mm。张红军等研发了一种增阻大变形锚杆，可利用增阻装置调整锚杆在150～1 000 mm内伸长。刘洪涛等研发了一种可接长锚杆，4 m长锚杆最大伸长量为685 mm。上述锚杆主要通过结构变形实现良好的变形性能，在围岩支护中发挥让压支护的作用，但在现场安装过程中需要对机械结构增加二次扩孔等施工工序，降低了施工效率，且锚杆的整体强度受杆体材料本身强度的限制。因此，对锚杆材料自身进行研究，提高其强度、延伸率和吸能特性十分必要。

为了充分发挥围岩自承能力，在锚杆具备高强、高延伸率特性的基础上，应施加高预紧力。在高预紧力研究方面，康红普院士等在千米深井中应用了屈服荷载为294 kN的高强锚杆，施加的预紧力为80 kN。王宏伟等采用了屈服荷载为235 kN的高强锚杆对软弱破碎围岩进行支护，施加的预紧力为100 kN。研究表明，在一定范围内，对锚杆施加的预紧力越高，围岩控制效果越好，但在锚杆受力过程中，经过强化阶段达到最大力后会发生颈缩破断。因此，在锚杆支护设计时，为保证锚杆具备足够的安全储备，预紧力大小一般为杆体材料屈服荷载的30%～50%。如果锚杆杆体的变形能力提高，荷载-变形曲线接近理想弹塑性，可在保证锚杆具有安全储备的同时，提高锚杆屈服荷载的利用率，对锚杆可施加更高的预紧力。同时，理想弹塑性的杆体材料能够使锚杆在支护时提供恒定阻力，可建立锚杆支护力与围岩位移关系方程，确定锚杆吸能与围岩变形能的大小，实现锚杆支护的定量设计。

综上所述，为使锚杆具有高支护强度、高延伸率和高预紧力的特性，利用笔者团队自主研发的新型微观NPR(Negative Poisson’s Ratio)材料，研制了恒阻吸能锚杆(Constant Resistance and Energy Absorption bolt，以下简称CREA)。开展了新型锚杆、传统锚杆与恒阻大变形锚杆的静力拉伸与动力冲击对比试验，明确了新型锚杆的力学和吸能特性。笔者基于试验研究结果，提出了恒阻吸能锚杆支护理念，并将新型锚杆在大断面隧道和深井巷道的围岩支护中进行应用。

1 锚杆力学性能试验方案

1.1 试验目的

为了明确新型恒阻吸能锚杆的力学与吸能特性，开展新型锚杆与其他类型锚杆的对比试验，选择地下工程中普遍采用的高强锚杆(Common Bolt，以下简称CB)，以及利用机械结构实现高延伸率的恒阻大变形锚杆(Constant Resistance and Large Deformation，以下简称CRLD)进行对比分析。

现场围岩大变形包括缓慢大变形和瞬时大变形，针对围岩缓慢大变形的能量释放方式，开展上述3类锚杆的静力拉伸对比试验，明确新型锚杆的强度、延伸率和恒阻支护能力；针对围岩瞬时大变形的能量释放方式，开展3类锚杆的动力冲击对比试验，明确其抗冲击性能。

1.2 试验方案

开展18CREA锚杆与18普通锚杆(CB18)、22普通锚杆(CB22)以及22恒阻大变形锚杆(CRLD)的对比试验，方案见表1，其中，为S或D；S代表静力拉伸试验；D代表动力冲击试验。

表1 锚杆对比试验方案

1.3 试验材料

1.3.1 恒阻大变形锚杆

笔者团队前期自主研发了恒阻大变形锚杆，由恒阻装置、锚杆杆体、连接套、托盘和螺母等构件组成，如图1所示。

图1 恒阻大变形锚杆Fig.1 Constant resistance large deformation bolt

当锚杆受力低于设计恒阻力时，锚杆变形以杆体的弹性变形为主；当锚杆受力大于或等于设计恒阻力时，杆体沿恒阻装置内壁发生相对滑移，实现锚杆恒阻和大变形的力学特性，因此恒阻大变形锚杆的核心在于恒阻装置，锚杆可实现的力学性能主要取决于恒阻装置参数。

1.3.2 恒阻吸能锚杆

为进一步提高锚杆材料的整体性能，充分利用材料自身特性，笔者团队基于钢材微观晶体共格结构的研究，研发了新型NPR材料，利用该新型材料研制了恒阻吸能锚杆，如图2所示。

图2 新型恒阻吸能锚杆材料Fig.2 New constant resistance energy absorbing bolt material

1.4 试验系统

1.4.1 静力拉伸试验系统

利用恒阻吸能锚杆静力拉伸试验系统进行试验，该试验系统主要有4部分组成：加载控制系统、力-位移监测系统、加载系统和热红外成像系统，如图3所示。

图3 恒阻吸能锚杆静力拉伸试验系统Fig.3 Static tensile test system of CREA bolt

试验前对各锚杆每隔100 mm进行一次标记，以便测量试验后锚杆各段伸长量。试验采用位移加载的方法，以10 mm/min的速率对锚杆匀速拉伸，通过热红外成像系统实时监测锚杆表面温度变化情况。

1.4.2 动力冲击试验系统

利用恒阻吸能锚杆动力学测试系统进行动力冲击试验，该试验系统主要由6部分组成：落锤加载控制系统、受力监测系统、机架、电磁锁、落锤和冲击加载单元，如图4所示。试验系统的基本参数为：最大冲击能量15 000 J；落锤高度0～1 500 mm；落锤质量840，880，920，960，1 000 kg。

本次试验选取质量为1 000 kg的落锤，以固定高度1 000 mm对锚杆进行动力冲击试验。

图4 恒阻吸能锚杆动力学测试系统Fig.4 Dynamic test system of CREA bolt

试验前对各锚杆每隔200 mm进行一次标记，将锚杆穿过落锤与电磁锁，上端固定，并将冲击加载单元固定于锚杆下端部，控制电磁锁将落锤提升至试验高度后，释放落锤使其自由落体，对锚杆进行动力加载。

2 静力试验结果分析

2.1 力学性能

恒阻吸能锚杆CREA-S、普通锚杆CB18-S、CB22-S与恒阻大变形锚杆CRLD-S的荷载-延伸率曲线如图5(a)所示，通过锚杆所受荷载与其横截面积之比计算得到锚杆强度，强度-延伸率曲线如图5(b)所示，各锚杆强度统计如表2和图6所示。

定义各锚杆屈服荷载为弹性与塑性阶段分界点对应的荷载，恒阻吸能锚杆和普通锚杆的破断荷载为锚杆发生破断失效时的荷载。由于恒阻大变形锚杆是由杆体材料和恒阻装置组成的结构，力学性质具有特殊性，定义其破断荷载为杆体从恒阻装置内拉伸脱出时的荷载。

图5 锚杆力学试验曲线Fig.5 Mechanical test curves of bolt

表2 锚杆受力性能对比

图6 锚杆强度对比Fig.6 Comparison of bolt strength

由表2、图5与图6分析可知：

(1)承载能力。相比普通锚杆CB18-S，CB22-S与恒阻大变形锚杆CRLD-S，恒阻吸能锚杆CREA-S的屈服荷载分别为前者的2.06，1.45和1.40倍，屈服强度分别为前者的2.06，2.16和2.09倍。CREA-S的破断荷载分别为CB18-S，CB22-S与CRLD-S的1.66，1.08与1.89倍，破断强度分别为后者的1.66，1.62与2.82倍。直径为18 mm的CREA-S破断荷载略大于直径为22 mm的CB22-S，但破断强度远大于后者，表明恒阻吸能锚杆具有高强特性。

(2)恒阻支护能力。定义锚杆塑性阶段中最大和最小荷载的差值占最小荷载的百分比为塑性强度波动率，例如普通锚杆=(-)/×100%，该值越低，支护阻力，越接近恒定。CREA-S，CB18-S，CB22-S与CRLD-S的塑性强度波动率分别为15.5%，43.0%，54.1%和14.6%。相比CB18-S与CB22-S，CREA-S的塑性强度波动率相比前者分别降低了27.5%与38.6%，与CRLD-S的接近。CRLD-S由于其套筒具有螺纹结构，塑性阶段强度存在波动。结果表明，新型锚杆具有恒阻支护能力。

2.2 变形与吸能特性分析

图5中荷载-延伸率曲线与直角坐标轴围成的面积为单位长度锚杆吸收的能量。对各锚杆的延伸率和单位长度吸能特性进行统计，如表3，4和图7所示。试验结束后对锚杆各段的伸长量进行统计，如图8所示，锚杆热红外图像、红外监测温度和破断形态如图9所示。

表3 锚杆延伸率与吸能特性对比

表4 锚杆变形与吸能均匀程度指标对比

图7 锚杆最大力延伸率与吸能特性对比Fig.7 Comparison of maximum force elongation andenergy absorption characteristics of bolt

图8 锚杆分段伸长量Fig.8 Elongation of each section of bolt

2.2.1 变形特性

(1)整体变形能力。由表3可知，CREA-S的断后延伸率为26.5%，相比普通锚杆CB18-S，CB22-S与恒阻大变形锚杆CRLD-S，分别为后者的1.78，1.26和1.08倍；最大力延伸率为24.4%，分别为后者的1.69，1.52和1.39倍。表明恒阻吸能锚杆具有高延伸率特性。

(2)变形均匀程度。CREA-S各段伸长量最大值为2.7 cm，是最小值1.8 cm的1.50倍，普通锚杆CB18-S和CB22-S各段伸长量最大值分别为最小值的2.29倍和5.5倍，表明恒阻吸能锚杆具有均匀变形特性。CREA-S各段伸长量方差相比普通锚杆CB18-S和CB22-S分别降低了8.5%与87.1%，表明恒阻吸能锚杆由于整体力学性能得到充分发挥，能够均匀变形，而普通锚杆破断段的伸长量远高于其他段，整体的材料性能未能充分发挥。

2.2.2 吸能特性

(1)单位长度吸能能力。CREA-S，CB18-S，CB22-S与CRLD-S单位长度吸收能量分别为58，19，41和33 kJ。相比CB18-S，CB22-S与CRLD-S，CREA-S单位长度吸能分别为其3.05，1.41和1.76倍，表明恒阻吸能锚杆在吸收围岩变形释放的能量方面具有明显优势。

(2)全长吸能能力。在试件拉伸过程中由于外力做功，使外在能量转变为其机械能，机械能以热能的形式表现出来，热红外图像能够反映锚杆吸能特性。

图9表明新型锚杆CREA破断时未出现明显颈缩，锚杆最高温度为35.41 ℃，出现在断口位置，最低温度为30.92 ℃，前者是后者的1.15倍；普通锚杆CB18与CB22发生颈缩破断，断口位置温度最高，分别为48.15和61.55 ℃，锚杆最低温度分别为28.61和22.39 ℃，CB18与CB22温度最大值分别为最小值的1.68，2.75倍，表明恒阻吸能锚杆具有均匀吸能特性。

图9 热红外图像与锚杆各段温度Fig.9 Thermal infrared image and temperature of each section of bolt

CB18与CB22各段温度方差分别为27.09和92.99，CREA各段温度方差为2.16，相比前者分别降低了92.02%和97.68%，表明普通锚杆以局部吸收能量为主，未发挥整体材料性能，恒阻吸能锚杆具有全长吸能特性，整体材料性能得到充分发挥。

2.3 结果分析

(1)在静力强度方面，相比普通锚杆CB18，CB22与恒阻大变形锚杆CRLD，新型恒阻吸能锚杆CREA的屈服强度分别为前者的2.06，2.16和2.09倍，破断强度分别为前者的1.66，1.62与2.82倍，具有高强力学特性。

(2)在恒阻支护能力方面，相比CB18与CB22，新型锚杆CREA的塑性强度波动率相比前者分别降低了27.5%与38.6%，具有恒阻支护能力，且锚杆材料均匀，塑性阶段无明显波动，可实现对围岩的稳定支护。

(3)在静力变形方面，相比CB18，CB22与CRLD，CREA的最大力延伸率分别为前者的1.69，1.52和1.39倍，各段伸长量的方差相比CB18和CB22分别降低了8.5%与87.1%，表明恒阻吸能锚杆具有高延伸率、均匀变形特性。

(4)在静力吸能方面，相比CB18，CB22与CRLD，CREA单位长度吸能分别为其3.05，1.41和1.76倍，且破断时未出现明显颈缩，CREA锚杆各段温度方差相比CB18与CB22分别降低了92.02%和97.68%，表明恒阻吸能锚杆具有全长吸能特性，在吸收围岩变形释放的能量方面具有明显优势。

3 动力试验结果分析

3.1 力学性能分析

各试件的单次冲击力/位移-冲击次数曲线及破断形态如图10所示。单次冲击能量为落锤质量、下落高度与重力加速度的乘积，单次冲击能量为10 kJ。图11为试验结束后锚杆各段的伸长量。

图10 锚杆单次冲击力/位移-冲击次数曲线及破断形态Fig.10 Curres of single impact force/displacementand fracture mode of bolt

图11 锚杆分段伸长量Fig.11 Elongation of each section of bolt

由图10，11分析可知：

(1)动力抗冲击性能。锚杆单次冲击的位移量随着冲击次数的累加呈逐渐降低的趋势，CREA-D与CB18-D单次冲击的平均位移量为36.0与67.9 mm，前者相比后者降低了47.0%，表明相同动力冲击能量作用下新型锚杆产生的变形更小，具有更好的吸能抗冲击能力。

(2)动力变形能力。在动力冲击作用下，CREA-D的延伸率为28.7%，CB18-D的延伸率为18.7%，前者是后者的1.53倍。表明在动力冲击作用下新型锚杆的整体变形性能优于普通锚杆。相比CB18-D，CREA-D各段伸长量的方差比前者降低了33.3%，表明新型锚杆各段伸长量均匀，在动力冲击作用下整体的材料性能得到充分发挥。

3.2 吸能特性分析

普通锚杆与恒阻吸能锚杆单次冲击波形如图12，13所示。选取典型锚杆的前3波峰作为分析对象，对2类材料的波峰峰值和冲击时间进行对比。

图12 普通锚杆单次冲击波形及前3波峰波形Fig.12 Waveform of single impact and the first threepeaks of common bolt

图13 恒阻吸能锚杆单次冲击波形及前3波峰波形Fig.13 Waveform of single impact and the first threepeaks of CREA bolt

由图12,13分析可知：

(1)动力吸能能力。CREA-D在第25次发生破断，断口处未出现明显颈缩，CB18-D在第9次发生颈缩破断。在动力冲击作用下锚杆所吸收的能量为冲击次数与单次冲击能量的乘积，CREA-D和CB18-D单位长度吸收的能量分别为83和30 kJ，前者是后者的2.77倍，表明恒阻吸能锚杆在吸收动力冲击的能量时具有明显的优势。

(2)动能吸收效率。定义锚杆的单次冲击能量与单次冲击所耗时间为锚杆的动力吸能效率。CREA-D与CB18-D单次冲击分别需要4 932，5 729 ms完成，两者动力吸能效率分别为2.03，1.75 J/ms，前者相比于后者的动力吸能效率提高了16.2%，表明恒阻吸能锚杆在受到动力冲击时能够更快吸收能量，可实现对围岩的稳定控制。

3.3 结果分析

(1)在动力力学性能方面，新型恒阻吸能锚杆CREA与普通锚杆CB18单次冲击的平均位移量为36.0与67.9 mm，前者相比后者降低了47.0%，恒阻吸能锚杆具有良好的抗冲击能力。

(2)在动力变形能力方面，CREA和CB18的延伸率分别为28.7%和18.7%，前者是后者的1.53倍，且CREA锚杆各段伸长量的方差相比CB18降低了33.3%，恒阻吸能锚杆具有高延伸率、均匀变形的能力。

(3)在动力吸能特性方面，CREA单位长度吸收的能量是普通锚杆的2.77倍，动力吸能效率比普通锚杆提高了16.2%，具有动力吸能优势明显、吸能效率高的特点。

4 恒阻吸能锚杆支护思路与现场应用

4.1 恒阻吸能锚杆支护思路

根据2.1节新型恒阻吸能锚杆的力学性能试验结果，将图5简化为CREA锚杆与普通锚杆(CB)的力学模型，考虑锚杆设计安全系数，取CREA锚杆的屈服荷载为塑性阶段最大荷载，如图14所示。图14中，为锚杆的屈服荷载，kN；为锚杆的预紧力，kN；为锚杆塑性阶段的最大荷载，kN；为锚杆的最大延伸量，m。

图14 恒阻吸能锚杆力学模型Fig.14 Mechanical model of CREA bolt

上述研究表明，新型恒阻吸能锚杆具有高强、高延伸率、高吸能特性，是一种理想弹塑性材料。

高强度、高延伸率、高预紧力锚杆支护是围岩有效控制手段。在高强、高延伸率支护的基础上，对锚杆施加高预紧力，可及时补偿硐室开挖后围岩临空面的应力损失，使围岩应力达到新的平衡状态，从而保证围岩稳定。

恒阻吸能锚杆在施加高预紧力后仍具有较高的安全储备，因此预紧力可设计为屈服荷载的50%～80%，实现高预紧力支护。基于上述研究，提出了恒阻吸能锚杆支护思路，如图15所示。

图15 恒阻吸能锚杆支护思路Fig.15 Supporting thinking of CREA bolt

4.2 现场应用

基于上述研究，在大断面隧道——青岛地铁6号线隧道和深部高应力矿井——赵楼煤矿应用新型恒阻吸能锚杆进行围岩支护。

4.2.1 大断面隧道现场应用

青岛地铁6号线工程为典型浅埋大断面隧道，隧道开挖面主要位于微风化花岗岩岩层，穿越多条断裂破碎带，局部节理发育，围岩变形及地表沉降严重。暗挖车站风道进主体挑高段处，横断面宽度达27.5 m，高度达21.3 m，如图16所示。隧道断面尺寸大，结构应力复杂，围岩支护困难。

图16 隧道断面尺寸与CREA锚杆现场应用效果Fig.16 Tunnel section size and field application effect ofCREA bolt

原支护方案采用25 mm×5 000 mm中空注浆锚杆，锚杆屈服强度为324 MPa，延伸率为7%，无法对围岩施加预紧力，不能满足大断面隧道围岩控制需求。为对隧道围岩进行有效控制，应用新型恒阻吸能锚杆进行支护，锚杆预紧力设计值为130 kN，现场应用效果如图16所示。

选取浅埋暗挖大断面车站进行锚杆受力和隧道表面位移监测，监测结果如图17所示。结果表明，监测30 d后，锚杆轴力和围岩变形趋于稳定，围岩变形控制在6 mm以内，表明新型恒阻吸能锚杆对大断面隧道围岩具有良好的支护效果。

图17 锚杆受力与围岩变形量Fig.17 Bolt stress and surrounding rock deformation

4.2.2 深部高应力矿井现场应用

赵楼煤矿位于山东省西部巨野矿区，该矿7302工作面最大埋深1 037 m，工作面轨道巷附近实测最大水平应力为33.72 MPa，属于典型的深部高应力巷道，巷道围岩控制困难。

为保证巷道的安全稳定，在7302轨道巷采用新型恒阻吸能锚杆对围岩进行支护，长度为2.4 m，间排距为850 mm×800 mm，预紧力设计值为130 kN。7302工作面布置与现场应用效果如图18所示。

图18 现场工作面布置与CREA锚杆应用情况Fig.18 Layout of working face and application of CREA bolt

选取典型断面进行锚杆受力和巷道表面位移监测，监测结果如图19所示。结果表明，最大两帮收敛量和顶底移近量分别为128 mm和165 mm，锚杆受力最大为153 kN。采用新型恒阻吸能锚杆对深部高应力巷道围岩具有良好的支护效果。

图19 锚杆受力与围岩变形量Fig.19 Bolt stress and surrounding rock deformation

5 结 论

(1)在静力学性能方面，相比普通锚杆，CREA锚杆的屈服强度为前者的2.06倍以上，最大力延伸率和断后延伸率分别为前者的1.52倍和1.26倍以上，单位长度吸收的能量为前者的3.05倍以上，CREA锚杆具有高强、高延伸率、高静力吸能特性。

(2)在动力学性能方面，相比普通锚杆，新型锚杆的单次冲击平均位移量降低了47.0%，断后延伸率是前者的1.53倍，单位长度吸收的能量是前者的2.77倍，CREA锚杆具有良好的抗冲击能力、高延伸率和高动力吸能特性。

(3)提出了恒阻吸能锚杆支护思路，并将CREA锚杆在大断面隧道和深部高应力矿井现场进行了应用，结果表明，采用CREA锚杆的支护方法能够有效控制围岩变形，为地下工程围岩安全稳定控制提供了重要手段。