恒阻內錨吸能錨桿性能試驗研究

馬池帥

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖中心，湖北 武漢 430205）

0 引言

巖爆的發生具有“強突發性、強破壞性和瞬時大變形”的特征［1?3］，其往往伴隨著能量的猛烈釋放和瞬時的動量傳播。控制技術要根據巖爆發生的可能性與強弱程度，提出減小巖爆災害規模與等級的工程控制措施及相對應的支護優化方法，努力實現“弱巖爆不壞、中巖爆可修、強巖爆不垮”的目標。在現有的巖爆防護方案中，已注意到吸能構件對巖爆硐室進行支護的重要性，引入讓壓吸能錨桿或其他防沖吸能支護構件［4?9］，雖有成功應用的案例，但在吸能錨桿結構設計、讓壓吸能支護機理、吸能特性以及基于能量平衡理論的聯合支護設計優化等方面還有待進一步研究。本研究根據現有巖爆破壞錨桿的失效破壞特征和巖爆控制原則，提出一種新型恒阻滑移內錨讓壓錨桿，通過室內靜態和動態試驗進一步驗證新型吸能錨桿的性能。

1 巖爆作用下錨桿支護系統典型破壞特征

在巖爆的沖擊作用下，典型錨桿失效形式可歸納為4種類型，如圖1所示。

1.1 錨固段脫黏滑移

常用的巖爆局部解危措施有鉆孔卸壓、水壓致裂等，使完整的堅硬巖體內部產生大量的裂隙來弱化巖體。在地下復雜應力環境的影響下，錨桿的錨固性能會大大降低。當錨桿受到的巖爆剪切力超過錨固系統的剪切強度時，容易造成錨固段與圍巖之間的滑脫。

1.2 錨桿外端部螺紋脫扣

巖爆的發生具有強突發性和瞬時大變形的特征，短時間內積聚的大量沖擊能量僅依靠圍巖的變形是無法完全釋放的。而現有的錨桿支護系統不具備讓壓的主動性。當受到沖擊載荷時，錨固系統的薄弱部位（如螺紋段尾部）會成為最先被破壞的區域，從而出現錨桿螺紋脫扣或斷裂，最終導致整個錨固系統失效。

1.3 錨桿懸空

巖爆發生時，沖擊應力波在到達隧道洞室表面后會發生反射，從而形成反射拉伸應力波。當疊加的應力波強度高于圍巖強度時，表面圍巖體會發生層裂剝離，導致錨桿托板懸空，失去托錨基礎。這種破壞形式常出現于傳統錨桿中，或孔口增加彈簧、橫向壓縮鋼管、塑料壓縮筒等的吸能錨桿中。當托板安裝質量較差時，很容易出現因托板松動而導致錨固系統失效。

1.4 錨桿與圍巖整體失效

普通錨固系統的作用范圍為距臨空面2～3 m，而在強巖爆或極強巖爆環境中，具有沖擊危險的應力或能量集中區域一般距洞壁3～4 m外，且高等級巖爆在發生前會出現多次明顯的低等級巖爆現象，導致淺部圍巖體裂隙張開，形成板狀劈裂破壞。在這種情況下，高等級巖爆發生時形成的強大沖擊載荷會作用到錨固作用范圍的巖體上，并在瞬間一次性將隧道摧垮。

2 恒阻內錨吸能錨桿及其結構特征

在總結現有研究成果的基礎上，本研究提出新型套管式內錨讓壓錨桿（見圖2）。套管式內錨讓壓錨桿通過擠壓套與桿體的徑向擠壓、滑移，拉伸錨桿桿體，從而實現恒阻讓壓。內錨讓壓錨桿由中空桿體（外表面做非黏結處理）、讓壓裝置（包括讓壓錨具、滑移桿體、套管和阻擋錐件）、托盤和緊固螺母（傳力裝置）組成。外端通過螺紋與螺母相連，中間為光圓段，在光圓段的內端設有止退羽翼，讓壓裝置末端設有阻擋件和注漿帽。

在受到圍巖荷載的作用時，軸向外載荷（拉力）會作用到墊板上，推動桿體向孔外拉伸，滑移粗糙段桿體與讓壓錨具產生相對摩擦滑移，通過滑動摩擦力（即讓壓力）實現彈性滑移變形彈性讓壓后，可通過桿體的承載強度來保持錨固性能。

3 恒阻內錨吸能錨桿性能試驗

3.1 試件準備

試驗包括10組試件，前2組為傳統錨桿，后8組為讓壓吸能錨桿，對其分別進行靜態拉伸和動態沖擊拉伸試驗。吸能構件內外徑分別為42 mm和50 mm、阻尼材料厚度為5 mm、圓臺體高度為50 mm，錨桿的基本參數見表1。

表1 錨桿試樣基本物理參數

3.2 靜態拉伸試驗及結果分析

為了分析內錨讓壓吸能錨桿的最大靜力拉伸長度、恒阻力以及吸能特性，從而更全面地闡述恒阻大變形錨桿的力學特性，驗證所提出的理論模型的正確性，開展內錨讓壓吸能錨桿靜力拉伸試驗。錨桿所能提供的最大錨固力取決于內錨固段的錨固性能。為對比錨桿的極限承載力，NR?32?1錨桿選擇直接拉伸試驗，未進行錨固。利用WLH?600微機控制電液伺服大變形錨桿臥式拉力試驗機系統（見圖3）對恒阻內錨吸能錨桿采用位移控制加載法進行靜態拉伸試驗，加載速度為2 mm/min。

圖4為試件靜力拉伸時吸能錨桿（索）軸力?位移曲線圖。由圖4可以看出，在整個拉伸過程中，同普通錨桿相比，吸能錨桿明顯分為初始彈性軸力上升段、恒阻滑移段和屈服強化段3個作用歷程，恒阻力特性顯著，與理論分析的錨桿支護機理類似。布設吸能構件能有效延緩錨桿的屈服受力彈性讓壓后通過桿體的承載強度繼續保持錨固性能。具體數據詳見表2。

由表2可知，讓壓吸能錨桿的最大拉伸滑移變形量為432.1～458.1 mm，小于設計值的500 mm；恒阻力的平均值在136.5 kN左右，與理論計算恒阻力基本一致；NR?32?1錨桿（夾持兩端，無錨固段）的極限力為234.6 kN，錨桿本身被拉斷，基本達到錨桿桿體材料的屈服極限，而其他錨桿因受限于內錨固段的錨固性能，錨桿?砂漿界面破壞失去錨固基礎，極限承載力均值為173 kN，與理論分析結果相差不大。總吸收能量變化與極限力趨勢類似。普通錨桿的變形能力和吸能特性遠遠小于讓壓吸能錨桿，試驗結果充分說明讓壓吸能錨桿具有良好的吸能特性和優越的變形能力。

表2 靜態拉伸試驗結果匯總

3.3 動態拉伸試驗及結果分析

采用重錘試驗機進行動態試驗，檢驗吸能錨桿抵抗和吸收沖擊能量的性能。總體上看，在沖擊拉伸過程中，荷載?位移曲線與靜力拉伸類似，也有3個階段（見圖5），即初始軸力增長階段、恒阻波動階段和屈服強化階段。通過錨桿的彈性變形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服進行能量吸收。與靜態拉伸試驗相比，沖擊拉伸錨桿軸向力存在明顯的上下波動，這是因為錨桿桿體與讓壓構件內表面阻尼材料間存在粗糙度不均勻的情況，導致局部動態摩擦阻力增大或縮小，呈現小幅度的波動起伏。恒阻滑移讓壓后軸向力躍至接近最大錨固力（≤極限破斷載荷，取決于內錨固段的錨固性能）。表3為沖擊拉伸試驗結果，動態拉伸下吸能錨桿（索）的吸能阻力和靜態拉伸相差不大。

表3 動態拉伸試驗結果匯總

4 結論

本研究對巖爆作用下支護系統的典型破壞特征進行分析，發現低等級巖爆常發生時，會出現表面巖體層裂剝離的現象，造成錨桿托板懸空或錨固段脫黏滑移，此時錨桿支護系統失效，將失去對圍巖加固的作用。而高等級巖爆會進一步造成錨桿支護區域的圍巖發生猛烈的破壞，使錨桿與圍巖整體失效。針對沖擊危險隧道錨桿支護結構破壞特征及沖擊載荷對錨桿?圍巖支護系統的特殊要求，本研究提出一種新型恒阻滑移內錨讓壓支護技術，并對其進行試驗驗證。試驗結果表明，在沖擊或靜態拉伸中，內錨讓壓錨桿表現出良好的自我保護與沖擊適應性，讓壓吸能特性良好。