套筒擠壓式屈服錨索靜載試驗研究

張　勇，盛宏光，吳祥云，曲建波

(總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023)

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套筒擠壓式屈服錨索靜載試驗研究

張勇，盛宏光，吳祥云，曲建波

(總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023)

[摘要]采用鋼套筒擠壓方案，研制了一種套筒擠壓式屈服錨索，對屈服錨索屈服裝置的“荷載-變形特征”進行試驗研究，分析探討了套筒擠壓長度與屈服荷載的關(guān)系。試驗結(jié)果顯示，各組試驗錨索初始屈服荷載和平均屈服荷載特征曲線比較一致，說明該錨索屈服裝置方案合理、性能穩(wěn)定，能夠獲得屈服錨索預(yù)期的屈服荷載和屈服長度。

[關(guān)鍵詞]屈服錨索；擠壓套筒；屈服裝置；靜載試驗

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.028

[引用格式]張勇，盛宏光，吳祥云，等.套筒擠壓式屈服錨索靜載試驗研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：106-109.

屈服錨桿作為一種特殊用途的錨桿，最早出現(xiàn)于國外，Ortlepp和Read于1969—1970年間提出了屈服錨桿(yieldable rock bolts)的概念[1]并進行了試驗研究。他們在某隧洞內(nèi)設(shè)置2個試驗段，一段采用普通巖石錨桿進行加固，另一段采用屈服錨桿加固，炸藥通過深孔均勻布置在隧洞周邊。當同時起爆時，采用普通錨桿加固的一段完全破壞，而另一段隧洞則保持完整[2]。該試驗證明了屈服錨桿在承受瞬間沖擊、爆炸荷載時具有優(yōu)良的錨固性能。

國外最早研制的屈服錨桿由一根標準的錨桿桿體和一套外徑大于桿體、內(nèi)帶軋制螺紋的鋼套筒組成(圖1(a))。當達到設(shè)計荷載后，錨桿會在維持恒定荷載的情況下產(chǎn)生變形，變形量的大小取決于鋼套筒內(nèi)螺紋的長度。之后，澳大利亞Menadier公司又研制了鋼珠式屈服錨桿(圖1(b))，這種屈服錨桿是在錨桿頭部安裝一個內(nèi)部為錐形空穴的裝置，錐形空穴內(nèi)充填鋼珠并用螺帽壓緊，利用鋼珠與光面干體之間恒定的摩擦力提供平穩(wěn)的變形。

圖1　國外較早期使用的屈服錨桿

在國外，屈服錨桿的研究一直在進行中。1990年，南非的Jager研發(fā)出一種Conebolt的屈服錨桿。2006年，挪威的Charlie Chunlin Li發(fā)明出一種新型支護裝置-D型錨桿。2008年，澳大利亞的阿特拉斯科普柯公司研發(fā)了一種可壓縮性巖石錨桿-Roofex錨桿用于軟巖巷道支護。加拿大JENNMAR公司近年又研制出了用于地下工程支護的Yield-Lok錨桿(圖2)。

圖2　Yield-Lok錨桿

在國防工程和礦山地下洞室中，支護結(jié)構(gòu)可能承受瞬間強大震動和沖擊荷載的作用，普通錨桿由于在破壞之前允許的變形量很小，在遭受動載作用時很容易發(fā)生破壞。屈服錨桿則可以在瞬時動載作用時在維持一定的承載力(屈服荷載)的情況下允許洞室產(chǎn)生較大的變形(屈服長度)而不破壞。洞室變形過程中釋放大量能量，沖擊荷載作用之后，錨桿依然維持先前較小的支護力。

為了適應(yīng)國防工程加固的需求，總參工程兵科研三所于1994年研制了套筒螺紋式屈服錨桿并在地下結(jié)構(gòu)抗強爆炸荷載試驗中得到應(yīng)用。2005年，總參工程兵科研三所又完成了屈服錨索在地下工程抗爆中的應(yīng)用研究[3-5]，研制的預(yù)應(yīng)力屈服錨索在某國防工程中得到應(yīng)用。

由于加固工程的需要，近年來國內(nèi)不少單位對屈服錨桿開展了研究[6-12]。在國內(nèi)，不同單位對屈服錨桿的稱呼不同，主要有恒阻大變形錨桿(圖3)、讓壓錨桿、恒力錨桿等。據(jù)資料顯示，自2008年以來，國內(nèi)申請有關(guān)屈服錨桿的實用新型專利和發(fā)明專利達20多項，不僅豐富了屈服錨桿的類型，也充分反映屈服錨桿加固技術(shù)已受到國內(nèi)相關(guān)單位的高度重視。

圖3　恒阻大變形錨桿

2套筒擠壓式屈服錨索靜載試驗

為滿足強動載作用下地下洞室支護的需要，設(shè)計了一種套筒擠壓式屈服錨索，由鋼絞線主桿體、擠壓式鋼套筒、墊板和螺帽組成(圖4)。其原理是：鋼絞線插入鋼套筒中，為了獲得較為穩(wěn)定的屈服荷載，在鋼套筒和鋼絞線之間放置直徑為0.8mm的鋼制彈簧，對鋼套筒一端進行擠壓，利用鋼套筒和鋼絞線表面產(chǎn)生的摩擦力，使錨索和鋼套筒在相對伸長時維持較為恒定的荷載(屈服荷載)，其有效伸長量的大小(屈服長度)根據(jù)工程需要由套筒長度而定。試驗錨索材料為1×7結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線直徑15.2mm，抗拉強度等級為1860MPa，鋼絞線的最大破斷力為260kN。

圖4　套筒擠壓式屈服錨索

試驗在“WAW-600型微機控制電液伺服萬能試驗機”上進行。為了保證試驗結(jié)果的真實性，張拉時試驗機兩端夾具分別夾住錨索兩端，模擬錨索兩端處于完全拉伸狀態(tài)(圖5)，使制作的錨索試件和試件受力狀態(tài)與屈服錨索受力狀態(tài)完全一致。

圖5　屈服錨索靜力試驗

試驗時，施加荷載速度為0.2~0.3kN/s，試件伸長速度為0.3~0.4mm/s，瞬時荷載和位移采集速度為0.2s/組，每個試件采集數(shù)據(jù)約3500~4500組。

套筒擠壓式屈服錨索的錨固性能主要取決于套筒屈服裝置。改變套筒擠壓部分的長度可以得到不同的屈服荷載。為了得到不同擠壓長度下的屈服力以求獲得較理想屈服力對應(yīng)的擠壓長度，共制作了5組錨索試件進行室內(nèi)試驗，每組3個試件，裝置設(shè)計有效屈服長度均為200mm，最大屈服長度大于250mm。

3試驗結(jié)果

試驗結(jié)果(圖6～10)顯示，當擠壓套筒的初始內(nèi)外徑、擠壓后內(nèi)外徑和套筒材質(zhì)已定的條件下，套筒摩擦式屈服錨索的屈服荷載僅與套筒擠壓長度有關(guān)。為了分析套筒擠壓長度對屈服荷載的影響，取上述每組試件試驗結(jié)果的算術(shù)平均值，發(fā)現(xiàn)“擠壓長度-初始屈服荷載”和“擠壓長度-平均屈服荷載”有著較好的相關(guān)性，屈服荷載(T)與套筒擠壓長度(L)近似呈線性函數(shù)關(guān)系(圖11～12)。

圖6　A組錨索“荷載-變形”曲線

圖7　B組錨索“荷載-變形”曲線

圖8　C組錨索“荷載-變形”曲線

圖9　D組錨索“荷載-變形”曲線

圖10　E組錨索“荷載-變形”曲線

圖11　擠壓長度-初始屈服荷載關(guān)系

圖12　擠壓長度-平均屈服荷載關(guān)系

在試驗中，部分試件在變形過程中產(chǎn)生了較大的荷載波動現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因是涂抹油脂長度不夠或涂抹不均勻，鋼絞線表面處理不干凈所致。

此外，在試驗時，試驗機采集數(shù)據(jù)頻率較高，平均每條采集數(shù)據(jù)4000~4500組“荷載-變形”數(shù)據(jù)，平均0.049mm就采集1組數(shù)據(jù)，從而將荷載的波動情況顯示得淋漓盡致，而采用傳統(tǒng)的錨索試驗方法是很難反映出這種波動現(xiàn)象的。

雖然在錨索拉伸變形時部分錨索產(chǎn)生荷載波動現(xiàn)象，但錨索仍然維持著平均屈服荷載，錨索依然發(fā)揮著加固作用。此外，這種荷載波動是在瞬間發(fā)生的，所以，這種波動現(xiàn)象對錨索的錨固性能并無影響。

試驗結(jié)果顯示，套筒擠壓式屈服錨索具有以下特點：

(1)屈服荷載與套筒擠壓長度近似呈線性函數(shù)關(guān)系，通過調(diào)整套筒擠壓長度可以得到相應(yīng)的屈服荷載。

(2)各組試驗錨索初始屈服荷載和平均屈服荷載特征曲線比較一致，說明該錨索采用的屈服裝置結(jié)構(gòu)合理、性能比較穩(wěn)定。

(3)該屈服錨索組件的鋼套筒最大破壞荷載大于190 kN，錨索屈服力可根據(jù)工程安全等級在上述荷載之內(nèi)進行選擇確定，錨索總長度和屈服長度也可根據(jù)工程需要選定。

(4)錨索具有鉆孔直徑小，錨固力大，施工方便的特點。套管部分直徑30mm，鋼絞線主桿體直徑15.2mm，錨索可采用變徑小鉆孔施工，使用手持式風鉆即可施工。

4結(jié)束語

目前，由于屈服錨桿具有良好的抗動載性能和較強的適應(yīng)大變形能力，已經(jīng)在國防、礦山和水電系統(tǒng)的地下工程加固中得到成功應(yīng)用[13-16]。由于工程的需求，國內(nèi)對屈服錨桿的結(jié)構(gòu)型式和理論研究正在繼續(xù)。隨著國內(nèi)對該項技術(shù)的深入研究，相信屈服錨桿的結(jié)構(gòu)型式和加固理論會日臻完善，其應(yīng)用范圍也會逐步擴展，屈服錨桿將在工程加固中發(fā)揮更大的作用。

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[責任編輯：王興庫]

Static Load Test of Extrusion Sleeve Type Yield Anchored Cable

ZHANG Yong，SHENG Hong-guang，WU Xiang-yun，QU Jian-bo

(3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China)

Abstract：Applying steel sleeve extrusion project，an extrusion sleeve type yield anchored cable was developed.By “l(fā)oad-deformation” test of yield device，the relationship between sleeve extrusion length and yield load was analyzed.Results showed that the first yield load and average yield load characteristic curves of every group samples were similar，which indicated that the yield device’s performance was stable and could obtain expectant yield load and yield length of yield anchored cable.

Keywords：yield anchored cable；extrusion sleeve；yield device；static load test

[作者簡介]張勇(1961-)，男，山東單縣人，總參工程兵科研三所高級工程師，總參鄭州創(chuàng)新工作站首批進站專家，主要從事巖土工程預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)方面的研究工作。

[收稿日期]2015-05-14

[中圖分類號]TD350.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0106-04