多支點(diǎn)吸能錨桿力學(xué)性能影響因素的研究

王英芳，蔣亞

（1.成都現(xiàn)代萬通錨固技術(shù)有限公司，成都 610000；2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 3209-2008）中對(duì)中空錨桿的抗拉能力和延伸率等力學(xué)性能提出了較高要求。目前傳統(tǒng)中空錨桿產(chǎn)品采用錨桿熱軋式的生產(chǎn)方式，為滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求，只能通過采用較厚的鋼管作為熱軋材料，增加了中空錨桿的壁厚，導(dǎo)致其內(nèi)部空間較小，內(nèi)部注漿變得困難，注漿壓力衰減損失巨大，影響其性能。同時(shí)由于加大鋼材用量，增加了生產(chǎn)成本。本文從錨桿本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和加工方法入手，開發(fā)新型高強(qiáng)度輕型中空錨桿[1]。該錨桿采用鋼號(hào)45的無縫鋼管，控制軋制的生產(chǎn)方式，將加熱裝置、控制軋制裝置以及多個(gè)溫度感應(yīng)裝置全部設(shè)置安裝在同一條智能生產(chǎn)線上，使得加熱、控制軋制、冷卻三個(gè)步驟在同一生產(chǎn)線上一次完成。生產(chǎn)過程中，通過不斷的溫度檢測(cè)、反饋，對(duì)加熱設(shè)備、軋制設(shè)備和熱處理的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高錨桿本體的力學(xué)強(qiáng)度。另一方面，如圖1(a)所示,在錨桿體設(shè)置多個(gè)旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)構(gòu)和自由段(隔離護(hù)套中的錨桿體)。轉(zhuǎn)動(dòng)錨桿體使旋轉(zhuǎn)膨脹結(jié)構(gòu)膨脹與錨孔壁相互擠壓形成支點(diǎn)，錨桿即刻形成對(duì)圍巖的支護(hù)作用。然后通過高壓注漿充實(shí)錨孔和圍巖，同時(shí)使這些支點(diǎn)和錨固材料（通常為水泥漿或水泥砂漿）結(jié)合形成穩(wěn)固的錨固段，錨固段與其間的自由段構(gòu)成一個(gè)完整的錨固單元。當(dāng)圍巖膨脹變形或是滑移時(shí)，錨固段承擔(dān)荷載，而其間的自由段則受拉變形，在高荷載水平下均勻伸長(zhǎng)，吸收圍巖變形過程中釋放的能量，使巖體逐步進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的低能態(tài)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)錨桿的柔性支護(hù)。為適應(yīng)不同軟、硬種類的圍巖，膨脹結(jié)構(gòu)可選擇不同形式，圖1(b)顯示為A型膨脹結(jié)構(gòu)，適用于較硬圍巖；圖1(c)顯示為B型膨脹結(jié)構(gòu)，適用于較軟圍巖。每個(gè)錨固單元獨(dú)立發(fā)揮支護(hù)功能，任何一個(gè)單元受到破壞不影響另一單元的錨固功能，充分利用錨桿。普通錨桿的錨固力大小與形成時(shí)間與錨固劑材料凝結(jié)性能有關(guān)。但無論選用哪種錨固劑都不可能立即形成錨固力，而多支點(diǎn)吸能錨桿由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在將錨桿插入錨孔后，只需旋轉(zhuǎn)錨桿，膨脹結(jié)構(gòu)就可以立即形成錨固力，這可大大提升工程施工的安全性。多支點(diǎn)吸能錨桿完全失效需要吸收三種能量，即：彈性形變吸收能量、塑性變形吸收能量和頸縮變形吸收能量，具有很強(qiáng)的支護(hù)能力，而普通錨桿僅能在彈性變形區(qū)發(fā)揮作用。

圖1 多支點(diǎn)吸能錨桿結(jié)構(gòu)圖

2 錨桿試件原料及試驗(yàn)方法

本文采用試件為45號(hào)鋼材質(zhì) (見表1)，試樣直徑為Φ25mm。試驗(yàn)方法為GB/T 228.1-2010,采用標(biāo)準(zhǔn)為GB50086-2015，測(cè)試儀器為SCS032-1型萬能試驗(yàn)機(jī)。

表1 試件材質(zhì)元素分析(%)

3 試件制備與性能測(cè)試

工藝路線：熱處理無縫鋼管→中頻感應(yīng)加熱→三軸錨桿滾軋機(jī)→ 控溫軋制（進(jìn)口溫度650～700oC，出口溫度350～400oC)→冷卻→錨桿→鋸切→錨桿拉伸。

無縫鋼管經(jīng)高溫正火或球化退火后軋制加工螺紋，軋輥傾角≈7o，軋輥轉(zhuǎn)速≈50轉(zhuǎn)/分，加熱電流≈50A。試樣1、2為一組，通過正火與退火處理；試樣3、4為一組，只通過正火處理；試樣5、6為一組，通過退火處理。

表2 錨桿試件熱處理?xiàng)l件及其力學(xué)性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)果與分析

錨桿試樣的力學(xué)性能主要受到熱處理?xiàng)l件和軋制條件的影響[2，3]，本文選擇軋制溫度為700℃ 以下，既考慮到利用變形組織的再結(jié)晶過程提高塑形，也考慮到保留熱處理后材料強(qiáng)度，因此確定生產(chǎn)工藝中軋制進(jìn)口溫度為650-700℃[4]，而主要討論熱處理?xiàng)l件對(duì)性能的影響。

從6組試樣的熱處理?xiàng)l件及其對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)來看，第1、2號(hào)試樣進(jìn)行了高溫正火以及球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為444 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為706 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為21%。第3、4號(hào)試樣只進(jìn)行了高溫正火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為383 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為620 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為15%。第5、6號(hào)試樣沒有進(jìn)行高溫正火，只進(jìn)行了球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產(chǎn)品平均屈服強(qiáng)度約為445 MPa、平均抗拉強(qiáng)度約為704 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率約為22%。6組試樣的抗拉強(qiáng)度均大幅優(yōu)于其他同尺寸中空錨桿485 MPa的抗拉強(qiáng)度值[5]。

進(jìn)行高溫正火和球化退火都是為了便于其后錨桿螺紋的軋制加工，同時(shí)正火和球化退火溫度都能有效降低無縫鋼管制備過程中的內(nèi)應(yīng)力[6]。球化退火可使冷卻過程中產(chǎn)生的片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w，有效降低硬度，為其后的軋制加工提供條件，減少材質(zhì)基體內(nèi)部的尖端裂紋，提高塑形變形能力。軋輥機(jī)上軋制螺紋后，表面形變強(qiáng)化提高基體強(qiáng)度。試樣3、4只進(jìn)行了高溫正火處理，其屈服、抗拉強(qiáng)度和變形能力都比較小，因?yàn)樵摐囟认?，奧氏體晶粒充分生長(zhǎng)而尺寸偏大，基體強(qiáng)度因晶間缺陷較多而下降。而試樣1、2的屈服、抗拉強(qiáng)度和形變數(shù)值有所上升，表明球化退火能減輕部分高溫正火帶來的不利因素。在球化退火過程中，滲碳體球化，減輕了片狀珠光體對(duì)基體材料的割裂程度，使試樣的強(qiáng)度和變形能力都有所提高。試樣5、6的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)與試樣1、2的數(shù)據(jù)相近，表明球化退火對(duì)試樣強(qiáng)度和形變能力起到主要作用。在后續(xù)的錨桿螺紋軋制過程中，軋機(jī)進(jìn)口溫度設(shè)置為650～700oC，出口溫度350～400oC，使熱處理影響因素終獲得較高強(qiáng)度和較大變形能力的錨桿產(chǎn)品。

圖2 錨桿使用效果圖

現(xiàn)有普通中空錨桿的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，安裝完成的中空錨桿和錨孔壁相接觸的僅有錨頭和

止?jié){塞，兩個(gè)配件承受了所有端面壓力，當(dāng)錨孔內(nèi)形成1MPa壓力，則會(huì)對(duì)錨桿及止?jié){塞產(chǎn)生約1300N(約130kg)拉拔力，壓力越高，錨頭和止?jié){塞越難以長(zhǎng)期保持錨固能力。文獻(xiàn)報(bào)道：對(duì)普通錨桿可通過熱處理材料本身和加粗錨桿尾部的方式提高錨桿性能[7]，且實(shí)際效果顯著，類似本文采用熱處理基體材料和特殊膨脹結(jié)構(gòu)增大錨固面。多支點(diǎn)吸能錨桿如圖2(b)所示，在錨孔內(nèi)有多個(gè)膨脹結(jié)構(gòu)錨固點(diǎn)的支撐，錨桿體鎖緊之后能夠承受超過50000N（約5000 kg）以上拉拔力，即使是超高壓注漿和保壓也均可順利實(shí)施。即使部分支點(diǎn)間發(fā)生斷裂，其余支點(diǎn)間的錨固作用仍能發(fā)揮。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)多支點(diǎn)吸能錨桿抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的研究，得到以下主要結(jié)論：試驗(yàn)的熱處理?xiàng)l件對(duì)錨桿強(qiáng)度和形變能力有明顯的影響，高溫正火處理獲得的平均屈服強(qiáng)度383 MPa、平均抗拉強(qiáng)度620 MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率15%，低于球化退火處理后獲得的平均屈服強(qiáng)度445 MPa、平均抗拉強(qiáng)度704MPa、平均斷后伸長(zhǎng)率22%。提高后的力學(xué)性能，配合多支點(diǎn)吸能錨桿的特殊結(jié)構(gòu)，能有效提高錨桿的支護(hù)能力。