恒阻内锚吸能锚杆性能试验研究

马池帅

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖中心，湖北 武汉 430205）

0 引言

岩爆的发生具有“强突发性、强破坏性和瞬时大变形”的特征［1−3］，其往往伴随着能量的猛烈释放和瞬时的动量传播。控制技术要根据岩爆发生的可能性与强弱程度，提出减小岩爆灾害规模与等级的工程控制措施及相对应的支护优化方法，努力实现“弱岩爆不坏、中岩爆可修、强岩爆不垮”的目标。在现有的岩爆防护方案中，已注意到吸能构件对岩爆硐室进行支护的重要性，引入让压吸能锚杆或其他防冲吸能支护构件［4−9］，虽有成功应用的案例，但在吸能锚杆结构设计、让压吸能支护机理、吸能特性以及基于能量平衡理论的联合支护设计优化等方面还有待进一步研究。本研究根据现有岩爆破坏锚杆的失效破坏特征和岩爆控制原则，提出一种新型恒阻滑移内锚让压锚杆，通过室内静态和动态试验进一步验证新型吸能锚杆的性能。

1 岩爆作用下锚杆支护系统典型破坏特征

在岩爆的冲击作用下，典型锚杆失效形式可归纳为4种类型，如图1所示。

1.1 锚固段脱黏滑移

常用的岩爆局部解危措施有钻孔卸压、水压致裂等，使完整的坚硬岩体内部产生大量的裂隙来弱化岩体。在地下复杂应力环境的影响下，锚杆的锚固性能会大大降低。当锚杆受到的岩爆剪切力超过锚固系统的剪切强度时，容易造成锚固段与围岩之间的滑脱。

1.2 锚杆外端部螺纹脱扣

岩爆的发生具有强突发性和瞬时大变形的特征，短时间内积聚的大量冲击能量仅依靠围岩的变形是无法完全释放的。而现有的锚杆支护系统不具备让压的主动性。当受到冲击载荷时，锚固系统的薄弱部位（如螺纹段尾部）会成为最先被破坏的区域，从而出现锚杆螺纹脱扣或断裂，最终导致整个锚固系统失效。

1.3 锚杆悬空

岩爆发生时，冲击应力波在到达隧道洞室表面后会发生反射，从而形成反射拉伸应力波。当叠加的应力波强度高于围岩强度时，表面围岩体会发生层裂剥离，导致锚杆托板悬空，失去托锚基础。这种破坏形式常出现于传统锚杆中，或孔口增加弹簧、横向压缩钢管、塑料压缩筒等的吸能锚杆中。当托板安装质量较差时，很容易出现因托板松动而导致锚固系统失效。

1.4 锚杆与围岩整体失效

普通锚固系统的作用范围为距临空面2～3 m，而在强岩爆或极强岩爆环境中，具有冲击危险的应力或能量集中区域一般距洞壁3～4 m外，且高等级岩爆在发生前会出现多次明显的低等级岩爆现象，导致浅部围岩体裂隙张开，形成板状劈裂破坏。在这种情况下，高等级岩爆发生时形成的强大冲击载荷会作用到锚固作用范围的岩体上，并在瞬间一次性将隧道摧垮。

2 恒阻内锚吸能锚杆及其结构特征

在总结现有研究成果的基础上，本研究提出新型套管式内锚让压锚杆（见图2）。套管式内锚让压锚杆通过挤压套与杆体的径向挤压、滑移，拉伸锚杆杆体，从而实现恒阻让压。内锚让压锚杆由中空杆体（外表面做非黏结处理）、让压装置（包括让压锚具、滑移杆体、套管和阻挡锥件）、托盘和紧固螺母（传力装置）组成。外端通过螺纹与螺母相连，中间为光圆段，在光圆段的内端设有止退羽翼，让压装置末端设有阻挡件和注浆帽。

在受到围岩荷载的作用时，轴向外载荷（拉力）会作用到垫板上，推动杆体向孔外拉伸，滑移粗糙段杆体与让压锚具产生相对摩擦滑移，通过滑动摩擦力（即让压力）实现弹性滑移变形弹性让压后，可通过杆体的承载强度来保持锚固性能。

3 恒阻内锚吸能锚杆性能试验

3.1 试件准备

试验包括10组试件，前2组为传统锚杆，后8组为让压吸能锚杆，对其分别进行静态拉伸和动态冲击拉伸试验。吸能构件内外径分别为42 mm和50 mm、阻尼材料厚度为5 mm、圆台体高度为50 mm，锚杆的基本参数见表1。

表1 锚杆试样基本物理参数

3.2 静态拉伸试验及结果分析

为了分析内锚让压吸能锚杆的最大静力拉伸长度、恒阻力以及吸能特性，从而更全面地阐述恒阻大变形锚杆的力学特性，验证所提出的理论模型的正确性，开展内锚让压吸能锚杆静力拉伸试验。锚杆所能提供的最大锚固力取决于内锚固段的锚固性能。为对比锚杆的极限承载力，NR−32−1锚杆选择直接拉伸试验，未进行锚固。利用WLH−600微机控制电液伺服大变形锚杆卧式拉力试验机系统（见图3）对恒阻内锚吸能锚杆采用位移控制加载法进行静态拉伸试验，加载速度为2 mm/min。

图4为试件静力拉伸时吸能锚杆（索）轴力−位移曲线图。由图4可以看出，在整个拉伸过程中，同普通锚杆相比，吸能锚杆明显分为初始弹性轴力上升段、恒阻滑移段和屈服强化段3个作用历程，恒阻力特性显著，与理论分析的锚杆支护机理类似。布设吸能构件能有效延缓锚杆的屈服受力弹性让压后通过杆体的承载强度继续保持锚固性能。具体数据详见表2。

由表2可知，让压吸能锚杆的最大拉伸滑移变形量为432.1～458.1 mm，小于设计值的500 mm；恒阻力的平均值在136.5 kN左右，与理论计算恒阻力基本一致；NR−32−1锚杆（夹持两端，无锚固段）的极限力为234.6 kN，锚杆本身被拉断，基本达到锚杆杆体材料的屈服极限，而其他锚杆因受限于内锚固段的锚固性能，锚杆−砂浆界面破坏失去锚固基础，极限承载力均值为173 kN，与理论分析结果相差不大。总吸收能量变化与极限力趋势类似。普通锚杆的变形能力和吸能特性远远小于让压吸能锚杆，试验结果充分说明让压吸能锚杆具有良好的吸能特性和优越的变形能力。

表2 静态拉伸试验结果汇总

3.3 动态拉伸试验及结果分析

采用重锤试验机进行动态试验，检验吸能锚杆抵抗和吸收冲击能量的性能。总体上看，在冲击拉伸过程中，荷载−位移曲线与静力拉伸类似，也有3个阶段（见图5），即初始轴力增长阶段、恒阻波动阶段和屈服强化阶段。通过锚杆的弹性变形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服进行能量吸收。与静态拉伸试验相比，冲击拉伸锚杆轴向力存在明显的上下波动，这是因为锚杆杆体与让压构件内表面阻尼材料间存在粗糙度不均匀的情况，导致局部动态摩擦阻力增大或缩小，呈现小幅度的波动起伏。恒阻滑移让压后轴向力跃至接近最大锚固力（≤极限破断载荷，取决于内锚固段的锚固性能）。表3为冲击拉伸试验结果，动态拉伸下吸能锚杆（索）的吸能阻力和静态拉伸相差不大。

表3 动态拉伸试验结果汇总

4 结论

本研究对岩爆作用下支护系统的典型破坏特征进行分析，发现低等级岩爆常发生时，会出现表面岩体层裂剥离的现象，造成锚杆托板悬空或锚固段脱黏滑移，此时锚杆支护系统失效，将失去对围岩加固的作用。而高等级岩爆会进一步造成锚杆支护区域的围岩发生猛烈的破坏，使锚杆与围岩整体失效。针对冲击危险隧道锚杆支护结构破坏特征及冲击载荷对锚杆−围岩支护系统的特殊要求，本研究提出一种新型恒阻滑移内锚让压支护技术，并对其进行试验验证。试验结果表明，在冲击或静态拉伸中，内锚让压锚杆表现出良好的自我保护与冲击适应性，让压吸能特性良好。