隧道工程新型吸能錨桿力學性能試驗研究

張恩橋

(中鐵二十五局集團第四工程有限公司 廣西柳州 545007)

1 引言

地下深部巖體開挖時，由于特殊巖體如穩定性較差、破碎程度較大的隧道圍巖往往容易誘發大變形、塌方、巖爆等工程事故[1-2]，錨桿支護逐漸成為改善隧道巖體穩定性的重要措施。傳統錨桿由于伸長量小、承載力低以及容易發生失效的不足，其支護能力已逐漸無法滿足工程巖體穩定性需求，因此急需研發新型工程錨桿以提高圍巖工程施工的安全性和可靠性。

相比傳統錨桿，新型吸能錨桿可以在承受較大變形的同時而不會發生破斷，降低了圍巖失穩的可能性。根據工作機理，吸能錨桿大體可分為材料變形型和結構變形型兩類。材料變形型吸能錨桿主要依靠桿體材料的塑性變形從而提供一定的位移能力，減緩圍巖變形；結構變形型吸能錨桿主要依靠特殊設計的吸能結構的變形從而提供位移能力。Conebolt吸能錨桿首次應用到采礦支護工程中[3-4]；Varden等[5-7]研制了Garford dynamic bolt并基于動力試驗得到了125 kN-275 mm的荷載位移數據；Wang等[8]發現改進后的Garford dynamic bolt在高荷載水平下的變形能力和能量吸收能力得到提高；Li等[9-10]對D-bolt錨桿進行試驗表明，D-bolt最終可延伸13%～15%。

由此可見，高延伸率和高支護阻力是吸能錨桿的兩個顯著特征。如今雖然已經提出了各種各樣的吸能錨桿，但大多數都更適合于礦山巷道且其結構比較復雜。基于既有研究，本研究提出一種可用于隧道工程巖體的新型吸能錨桿，可以提供較高的恒定阻力和位移能力。基于室內靜力拉伸試驗探討新型吸能錨桿的荷載-位移曲線形態特征、錨桿吸收能演化特征及吸能原理。

2 新型吸能錨桿結構原理分析

新型吸能錨桿結構如圖1所示，可以看出，結構部件包括錨桿體、錐形塊、外管體、限位環、錨桿墊板及緊固螺母。限位環位于外管體底部，可以防止新型吸能錨桿在巖體變形過程中產生的位移過大從而失效破壞，也能有效阻止注漿進入錨桿前部吸能結構中影響錨桿正常工作。圍巖產生變形時，錐形塊會在圍巖壓力下進入外管體中，從而使外管體發生膨脹。錐形塊和外管體之間的相對滑動將與圍巖的變形相協調，從而達到吸能支護的效果；變形量達到設定值時，限位環作用下新型錨桿將轉化為剛性支護，從而有效阻止圍巖繼續變形。

圖1 新型吸能錨桿結構示意

3 新型吸能錨桿力學試驗

3.1 吸能錨桿試樣

為測試新型吸能錨桿的力學性能，制作了新型錨桿試驗試件，如圖2所示，紅色框中為錨桿端部的吸能結構。錨桿試樣由上拉桿、鋼套筒、外管體、錨桿體、上下卡扣構成。鋼套筒兩端的內表面螺紋可以與上卡扣、下卡扣外表面的螺紋相配合，從而使試件組裝成一個整體，便于進行拉伸試驗。

圖2 試驗錨桿結構

錨桿結構的上部、中部和下部尺寸分別為120 mm、350 mm和120 mm。其中:(1)鋼套筒高度為350 mm，外徑尺寸為60 mm，上下套筒管口內壁均設置有30 mm的螺紋；(2)錨桿體高度為395 mm，外徑尺寸為28 mm；(3)上拉桿高度為180 mm，上端與下端外徑尺寸分別為25 mm和45 mm；(4)外管體高度為200 mm，內半徑為15 mm，壁厚為5 mm；(5)上下卡扣高度為50 mm，螺紋寬度為30 mm，內半徑為15 mm，壁厚為15 mm。

為研究錐角對新型吸能錨桿力學性能的影響，試驗考慮錐角(α)為5°、7°、10°、15°的工況，錨桿錐形塊的參數h、l恒定。試驗錨桿錐形塊的詳細幾何參數見表1。

表1 錐形塊的詳細幾何參數

3.2 試驗方案

新型吸能錨桿的靜力拉伸試驗在西安科技大學GWE-600B力學試驗機上完成。試驗方案:(1)將吸能錨桿與試驗機組裝，固定上拉桿和光滑鋼筋，將夾具鎖死防止脫落；(2)以0.10 mm/s的速度施加軸向拉伸載荷，直到位移達到200 mm。

由于設置的位移量與外管體長度相同，故錨桿錐形塊與下擋塊將不發生接觸，從而不會出現剛性階段。

4 結果與分析

4.1 荷載-位移曲線形態

圖3為不同錐角下新型吸能錨桿的載荷-位移曲線。其中:Fmax、Fmin分別為最大、最小恒定阻力；載荷-位移曲線的階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為線彈性、短暫下降和恒定阻力階段。可以看出，不同的錨桿錐角將導致恒定阻力大小具有顯著差別。

圖3 不同錐角下新型錨桿荷載-位移曲線

當錐角α＝5°時，荷載-位移曲線包括線彈性階段、瞬時下降階段及恒定阻力階段三個演化階段。加載初期，階段Ⅰ的荷載-位移曲線隨著位移增大近似線性增長。當錐形塊的位移達到57.60 mm時，拉伸荷載出現峰值點，峰值荷載為126.20 kN。隨著位移的增大，荷載-位移曲線出現小幅下降而進入階段Ⅱ，階段Ⅱ持續路徑相對較短；隨后荷載-位移曲線進入恒定阻力階段，該階段的荷載曲線隨著位移增加總體出現緩降趨勢，荷載在81.10 kN和112.30 kN之間波動，平均恒定阻力為95.64 kN。

當錐角α＝7°時，載荷-位移曲線同樣包括線彈性、瞬時下降及恒定阻力階段三個相似演化階段。當錐形塊位移為63.30 mm時，峰值荷載為129.60 kN，相比錐角α＝5°的阻力峰值提高了2.69%，其增幅并不顯著。恒定阻力階段的荷載-位移曲線具有相似的震蕩趨勢，但緩增現象逐漸消失且最大恒定阻力具有增大趨勢。錐角α＝7°時恒定阻力在98.60 kN和130.40 kN間波動，平均恒定阻力為112.85 kN，提高17.99%，新型吸能錨桿的錨固效果相對提高。

當錐角為α＝10°和15°時，拉伸荷載-位移曲線只經歷了線彈性階段及恒定阻力階段兩階段，瞬時下降階段逐漸消失，拉伸載荷-位移曲線震蕩起伏特征逐漸消失，最大恒定阻力(Fmax)變化相對緩和。當錐角為α＝10°，彈性階段錐形塊位移為62.30 mm時的荷載峰值為153.40 kN，恒定阻力階段的荷載波動范圍為34.70 kN，平均恒定阻力達到136.7 kN。當錐角為α＝15°時，彈性階段錐形塊位移為69.20 mm時荷載峰值為207.70 kN，恒定阻力的荷載波動范圍為49.70 kN，平均恒定阻力為186.3 kN。相比錐角α＝5°時，錐角為α＝10°和15°時的峰值荷載分別提高21.55%、64.58%，平均恒定阻力分別提高42.93%、94.79%。可以看出，通過提高錐角可有效提高新型吸能錨桿的工作性能。

4.2 新型錨桿吸收能演化特征

由圖3中錨桿吸能量曲線可以看出，不同錐角下吸能錨桿的吸能量隨加載位移增加大致經歷了無明顯增幅、線性快增兩個階段，階段分界點的位移值大致為30 mm。階段Ⅰ至階段Ⅲ的吸能量呈線性增長，錐角越大，吸能量增幅越顯著。經積分計算可知，錐角為 5°、7°、10°、15°時最大吸收能分別為14.70 kJ、18.20 kJ、22.50 kJ和 33.40 kJ，隨著錐角增加而增大。由此可知，新型錨桿吸收能特征與錨桿受拉變形與失效規律具有相關性。

圖4為拉伸試驗后的套筒管形態特征，從錨桿拉伸失效形態可以看出，新型吸能錨桿的套管只發生膨脹變形，而并未發生軸向壓縮或屈曲變形，這與圖3中載荷-位移曲線出現明顯起伏波動響應特征相對應。

圖4 拉伸試驗后的套筒管形態特征

4.3 新型錨桿吸能機理分析

為直觀展現峰值荷載及平均恒定阻力隨錐角的變化，繪制不同錐角下新型吸能錨桿的峰值荷載、平均恒定阻力與錐角的分布關系，見圖5。隨著錐角增大，峰值荷載、平均恒定阻力分別呈指數和線性函數增加，這說明峰值荷載、平均恒定阻力與錐角的正相關性，錨固效果逐漸增強。

圖5 錨桿峰值荷載、平均恒定阻力與錐角間的關系

針對新型吸能錨桿的吸能機理分析發現，新型錨桿的承載力主要來自于:(1)錐形塊與外管體之間的摩擦力；(2)外管體膨脹產生的力。由于錐形塊的長度保持不變，導致錐形塊的直徑和表面積隨著錐角α的增大而逐漸增大，所以錐角增大時錐形塊和外管體間的摩擦提供了更大的承載力。同時，隨著錐角的增大，外管體的膨脹比k也逐漸增大。由此可以看出，錨桿外管體的膨脹比越大，膨脹過程中提供的承載力越強。因此，在這兩個因素的共同作用下錨桿峰值載荷和平均恒定阻力均隨錐角的增大而增大。

由圖3和圖5可以看出，錐角α＝15°時，錨桿的恒定阻力為186.30 kN，最大吸收能為33.40 kJ。吸能能力相較于普通錨桿有了很大提高。值得注意的是，錐角并不能無限制增加，蔡錦達等[11-12]指出，對于膨脹管而言，為了減少破裂風險故其膨脹比最好保持在1.60以內。通過對膨脹比1.60進行反算，可以得到新型吸能錨桿所能設置的最大錐角為19.70°，與本試驗中的最大錐角相差4.70°。從實際工程應用角度講，為提高新型吸能錨桿結構的可靠性，本研究中錐角α取15°較為合適且試驗結論具有可靠性。

5 結論

本文提出了一種新型吸能錨桿結構，可以提供較高的恒定阻力和位移能力，并基于靜力拉伸試驗驗證了錨桿結構及力學性能的可靠性。主要得到以下結論:

(1)靜力拉伸試驗表明，新型吸能錨桿錐角為5°和7°時荷載-位移曲線大致經歷線彈性階段、短暫下降階段、恒定阻力階段；錐角為10°和15°時錨桿拉伸荷載-位移曲線只經歷線彈性階段及恒定阻力階段，瞬時下降階段逐漸消失。隨著錐角增大，平均恒定阻力、峰值荷載分別呈指數和線性函數增長。

(2)新型吸能錨桿的吸能量-位移曲線經歷無明顯增幅和線性快增兩個階段，分界點位移值大致為30 mm，線彈性至恒定阻力階段的吸能量與位移呈線性相關。錐角為15°時，平均恒定阻力為186.32 kN，最大吸收能為33.40 kJ，錨固和吸能效果最為顯著。

(3)為減小外管體破裂的可能性，建議新型吸能錨桿的最大錐角取15°，此時新型錨桿的外管體只會發生膨脹變形而不會破裂；外管體厚度設置為5 mm時具有更高的工程可靠性。