高強(qiáng)大變形屈服錨索承載特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

楊 棟，王全成，姜昭群

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734）

錨索在邊坡加固及防治工程修復(fù)中應(yīng)用廣泛[1]，但在地質(zhì)條件復(fù)雜多變的邊坡加固中，由于大變形作用，容易造成常規(guī)錨索出現(xiàn)成片被拉斷的破壞現(xiàn)象。如雅礱江上游某電站在建設(shè)過程中，由于開挖卸荷大變形的作用，錨索最大超限幅度大于設(shè)計(jì)噸位的40%以上(如設(shè)計(jì)為2 000 kN 的錨索實(shí)測值達(dá)到2 660 kN，設(shè)計(jì)噸位為1 000 kN 的錨索實(shí)測值達(dá)到 1 440 kN）[2]。內(nèi)蒙古長山壕露天礦場，邊坡傾倒大變形造成預(yù)應(yīng)力錨索被拉斷、錨具失效、錨索夾片彈出，夾片最大彈射距離達(dá)到96 m[3]。既要防止變形過大引起邊坡失穩(wěn)，又要防止錨索受力過大超限破壞，這是一個難以兩全的問題，而屈服錨索則能很好解決這一難題。屈服錨索又稱之為大變形錨桿、讓壓錨桿等，在外營力的作用下，以位移抵消力的作用，產(chǎn)生較大變形后仍能提供可靠錨固力。陶志剛等[2]通過屈服錨桿加固層狀反傾巖體邊坡室內(nèi)大型物理模擬試驗(yàn)，證明屈服錨桿具有大變形、高恒阻以及吸收能量的特性，能有效控制邊坡失穩(wěn)變形。

屈服錨索結(jié)構(gòu)形式以摩擦型、剪切型及活塞型最為常見。如加拿大Cone 錨桿采取摩擦型[4]，主要構(gòu)成部分包含一體成型的光圓桿體和尾部錐形擴(kuò)大頭，錐形頭前端還包含一個攪拌頭，非恒阻，行程120 mm；澳大利亞Roofex 錨桿[5]，由光圓的實(shí)心鋼筋、能量吸收裝置和錨固套筒組成，噸位80 kN，行程300 mm。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已研發(fā)出數(shù)十種大變形錨桿并廣泛應(yīng)用于地下支護(hù)工程中[6]。何滿潮等[7]、王琦等[8]研制的恒阻大變形錨桿，其恒阻裝置包括恒阻套管和恒阻體，恒阻套管內(nèi)表面為螺紋結(jié)構(gòu)，利用摩擦輸出恒力，噸位150～300 kN，行程0.3 m，形成完備的理論設(shè)計(jì)方法及技術(shù)體系，并在采礦巷道圍巖支護(hù)中得到大量成功應(yīng)用。張紅軍等[9]研制的屈服錨桿，結(jié)構(gòu)形式與恒阻大變形錨桿類似，由錐形套及滑移套管組成，起始屈服力為180～240 kN，行程為150～1 000 mm，破斷力約350 kN。張勇等[10]在錨索錨頭處設(shè)置鋼套筒，與帶有彈簧絲的鋼絞線擠壓成型，依靠摩擦輸出力，最大輸出力為190 kN，但張拉過程中荷載出現(xiàn)驟降跳動的現(xiàn)象，不利于錨索整體穩(wěn)定。黃河等[11]提出一種基于讓壓套筒、帶孔桿段及抗剪螺栓的屈服裝置，其破壞荷載為21 kN。殷齊浩等[12]試制1 種全長黏結(jié)大變形讓壓錨桿，由擴(kuò)張錨固頭、桿體、波紋套筒、托盤和阻尼螺母組成，阻力峰值約28 kN?；粜窳恋萚13]在托盤下安裝3 組讓壓彈簧來解決巷道錨固效果不佳的問題，行程0.3 m，用扭力扳手施加預(yù)應(yīng)力，力矩約200 N·m。一般而言，滑坡邊坡加固所需錨固力大于400 kN，巖質(zhì)邊坡甚至可達(dá)到1 000，2 000 kN，而上述屈服錨索結(jié)構(gòu)存在噸位低、行程小的問題，不能滿足大變形情形下的邊坡加固。屈服錨索數(shù)值模擬方面，主要關(guān)注抗沖擊性能、恒阻黏滑機(jī)理及考慮讓壓性能的本構(gòu)二次開發(fā)。如何滿潮等[14]采用LSDYNA 軟件對恒阻大變形錨桿沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)錨桿的膨脹量、伸長量和沖擊力等主要動態(tài)力學(xué)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合度均較高。朱淳等[15]對恒阻大變形錨桿恒阻黏滑機(jī)理進(jìn)行模擬。項(xiàng)力等[16]、朱安龍等[17]考慮屈服錨索的橫向剪切性質(zhì)及主動讓壓性能，對材料二次開發(fā)。

針對以上問題，本文提出基于擠壓摩擦型屈服套的大噸位屈服錨索，成功研制400，500，1 000，1 500 kN級屈服錨索，以滿足邊坡加固的需求，并進(jìn)行室內(nèi)張拉試驗(yàn)，研究其承載特性及可靠性。

1 屈服錨索工作原理

高強(qiáng)大變形屈服錨索核心部件為其獨(dú)特的內(nèi)錨頭結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)向帽、保護(hù)套筒、承力板、密封螺栓及數(shù)個與鋼絞線連接的屈服套、P 錨組成（圖1）。通過特制擠壓機(jī)，利用屈服套的塑性變形，將原本分離的鋼絞線及屈服套通過擠壓作用在屈服套內(nèi)壁形成凹痕，與鋼絞線緊密貼合。當(dāng)施加外力足夠克服屈服界面的靜止摩擦力時，鋼絞線滑移。此時屈服套固定不動，鋼絞線沿此凹痕界面滑移，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，接觸界面處于滑動摩擦，滑動摩擦系數(shù)相對穩(wěn)定，因此屈服套能夠以較為穩(wěn)定的恒力輸出。由于屈服錨索內(nèi)錨頭由數(shù)個擠壓-摩擦型屈服套組成，其噸位可根據(jù)屈服套數(shù)量調(diào)整，因此大大提高了屈服錨索的性能。屈服行程即為圖中屈服套與P 錨的間距，可根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)。P 錨功能為：當(dāng)屈服行程完結(jié)后，P 錨可對屈服套限位，使其極限承載力充分發(fā)揮鋼絞線的抗拉強(qiáng)度。

圖1 高強(qiáng)大變形屈服錨索結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of yield anchor cable

2 屈服套室內(nèi)試驗(yàn)研究

使用特制擠壓機(jī)將屈服套和鋼絞線擠壓成型后，使用張拉系統(tǒng)進(jìn)行張拉試驗(yàn)，使用錨索測力計(jì)監(jiān)測錨固力，并記錄全過程的位移變化。在鋼絞線滑移前采取荷載控制，滑移后采用位移控制。為研究屈服界面特性，未設(shè)置P 錨。

為獲取合適的噸位、行程及可靠的平穩(wěn)度，單個屈服套根據(jù)不同長度（52，70，80，100，120 mm）、不同外徑（31，33，35 mm）及不同接觸方式（有彈簧、無彈簧）共進(jìn)行8 組張拉試驗(yàn)（表1）。試驗(yàn)加載時，屈服啟動前，按照每級荷載遞增10 kN 施加荷載；屈服啟動后，按照每級屈服位移5 mm 施加荷載。每級荷載施加后，應(yīng)穩(wěn)定5 min 左右。

表1 屈服套室內(nèi)試驗(yàn)分組統(tǒng)計(jì)表Table 1 Group statistics of yield sets

室內(nèi)張拉試驗(yàn)表明，由于 4 組、5 組、6 組中彈簧絲的存在會影響接觸界面的穩(wěn)定性，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力陡降的情形，不夠平穩(wěn)；7 組、8 組擠壓長度不夠，不能提供足夠起始屈服力。最終得到3 種能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)滑移、且錨固力較恒定的3 種屈服套1 組、2 組、3 組。

圖2 為屈服套室內(nèi)張拉試驗(yàn)結(jié)果，圖2（a）表明，1 組屈服套初始起始屈服力約為120 kN，之后穩(wěn)定于100 kN 左右。每級荷載施加時，起始屈服力總是大于直線段的平穩(wěn)輸出力；起始屈服力并非恒定值，隨著屈服位移增大而逐漸增大，但增大的幅度很小，從120 kN 增至130 kN。圖2（b）（c）反映了類似規(guī)律，2 組初始起始屈服力約為135kN，隨后逐漸增長為145 kN，直線段平穩(wěn)輸出力為115～120 kN; 3 組初始起始屈服力約為145 kN，隨后逐漸增長為150～160 kN，直線段平穩(wěn)輸出力約為135 kN。3 組屈服套的屈服行程均大于200 mm。圖2（d）為鋼絞線與1 組試樣（1-1、1-2）、2 組試樣（2-1、2-2）屈服套滑脫過程中力與屈服界面接觸長度關(guān)系曲線，可見恒阻與接觸長度呈線性關(guān)系，斜率基本一致，將所有散點(diǎn)數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到下式，為屈服錨長度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)：

圖2 屈服套室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Laboratory test results of the yield device

F=1.0794S-3.208

式中：F——輸出恒力；

S——擠壓后的屈服套與鋼絞線接觸面長度。

3 大噸位屈服錨索室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

大噸位屈服錨索主要包含400，500，1 000，1 500 kN級屈服錨索，其起始屈服力、屈服行程見表2，采用的屈服套長度及數(shù)量可由單個屈服套室內(nèi)試驗(yàn)成果計(jì)算得出。其中1 500 kN 級屈服錨索由10 根鋼絞線組成，長4 m，起始屈服力約為1 470 kN，屈服行程150 mm，屈服裝置由10 個屈服套組成。

表2 屈服錨索規(guī)格統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of yield anchor cable

屈服錨索室內(nèi)張拉試驗(yàn)在地質(zhì)災(zāi)害防治中心錨固試驗(yàn)室5 000 kN 級錨固張拉平臺上進(jìn)行。試驗(yàn)主要步驟為：屈服裝置制作—錨索制作—安裝張拉系統(tǒng)—預(yù)張拉—張拉至正常工作狀態(tài)—用油缸伸長模擬外營力變化。在這些步驟中，屈服裝置制作及預(yù)張拉是控制試驗(yàn)效果成敗的關(guān)鍵，尤其應(yīng)注意：擠壓屈服套前應(yīng)對鋼絞線進(jìn)行表面除銹處理，編制錨索前應(yīng)通過千斤頂張拉，使其穩(wěn)定滑移10～20 mm；在錨索編制完成后，對單根鋼絞線進(jìn)行預(yù)張拉，盡量使得每根鋼絞線均勻受力。

3.2 屈服錨索工作過程

以1 000 kN 級屈服錨索為例闡述其工作過程，圖3 詳細(xì)記錄了屈服過程中屈服位移對應(yīng)的錨固力。圖3（a）為屈服錨索初始狀態(tài)，圖3（b）—（h）分別為屈服位移為25，30，40，90，100，110，120 mm 時的狀態(tài)，可見整個屈服過程各屈服套同步滑移，受力均勻，屈服錨索位移增長很快，而錨固力增長較為緩慢，基本維持在1 000 ～1 200 kN。

圖3 1000kN 級屈服錨索工作過程Fig.3 Working process of yield anchor cable of 1 000 kN class

3.3 屈服錨索張拉特性分析

圖4 為屈服錨索張拉曲線，其中圖4（a）為 400 kN級拉力型屈服錨索張拉曲線，其起始屈服力為400.5 kN，即當(dāng)張拉力小于400 kN 時（OA段），屈服裝置位移為0。張拉力達(dá)到400.5 kN 后（AB段），屈服裝置開始屈服滑移，此時張拉力增長緩慢，而位移變化很快，屈服行程約100 mm。前文提及，單個屈服套存在起始屈服力隨著位移的增加緩慢增加的現(xiàn)象，由于多個屈服套的累加效應(yīng)，屈服錨索的力值從400.5 kN 增至495 kN。而同樣4 根長4 m 的1 860 鋼絞線組成的傳統(tǒng)錨索，從400.5 kN 增至495 kN，位移僅為2～3 mm，可見屈服裝置使得錨索的延性大大增加，能很大程度上吸收能量。整個有效屈服行程內(nèi)各屈服套（p1、p2、p3、p4）同步滑移，受力均勻。

圖4 屈服錨索張拉曲線Fig.4 Tension curves of yield anchor cable

圖4（b）為500 kN 級拉力型屈服錨索張拉曲線，其起始屈服力為501 kN，當(dāng)張拉力小于501 kN 時（OA段），鋼絞線發(fā)生彈性變形，屈服裝置位移為0。張拉力達(dá)到501 kN 后（AB段），屈服裝置開始屈服滑移，整個屈服行程約100 mm，力值從501 kN 增至600 kN。

圖4（c）為1 000 kN 級壓力型屈服錨索，其起始屈服力為1 050 kN，當(dāng)張拉力小于1 050 kN 時（OA段），鋼絞線發(fā)生彈性變形，屈服裝置位移為0。張拉力達(dá)到1 000 kN 后（AB段），屈服裝置開始屈服滑移，整個屈服行程約150 mm，力值從1 050 kN 增至1 239 kN。

圖4（d）為1 500 kN 級壓力型屈服錨索，當(dāng)張拉力小于1 234 kN 時（OA段），鋼絞線發(fā)生彈性變形，屈服裝置位移為0。當(dāng)張拉力大于1 234 kN 且小于起始屈服力1 470 kN 時（AB段），為屈服裝置自我調(diào)整階段。由于裝配錨索過程中形成的初始不均勻，受力較大的屈服套率先滑移，此時錨索仍以彈性變形為主，屈服套產(chǎn)生很小的滑移。當(dāng)張拉力大于1 470 kN 時（BC段），張拉力增長緩慢，而位移變化很快，屈服裝置開始屈服，屈服行程約150 mm，力值從1 470 kN 增至1 690 kN，最后回落至 1 601 kN。

3.4 屈服錨索極限承載力

若邊坡發(fā)生較大變形，此時屈服錨索屈服行程完結(jié)時，若沒有限位裝置，則屈服錨索的極限承載力會偏低。以500 kN 級錨索為例，其極限承載力約為600 kN，不能充分發(fā)揮鋼絞線的抗拉能力，顯然在工程實(shí)踐中是危險的。因此在屈服套外側(cè)設(shè)置P 錨作為安全裝置，其同樣由擠壓機(jī)擠壓而成，但在接觸界面添加彈簧絲，故接觸面咬合十分牢固，即使鋼絞線斷裂，P 錨也不會滑移。屈服行程完結(jié)后，此時屈服套與P 錨完全貼合，圖5 為400，500 kN 級屈服錨索在屈服行程完結(jié)后的狀態(tài)及破斷試驗(yàn)結(jié)果。屈服錨索整體破斷力與常規(guī)錨索一致，呈現(xiàn)彈性階段（OA）、彈塑性階段（AB）及破壞階段（BC），極限承載力分別為1 050，1 047 kN；破斷現(xiàn)象為鋼絞線斷絲，P 錨未滑移。由此可見，雙向調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力錨索在屈服行程完結(jié)后仍能發(fā)揮傳統(tǒng)錨索的工作性能，具有較高的安全儲備。

圖5 錨索極限承載力試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of the ultimate bearing capacity

4 結(jié)論

（1）通過單根屈服套室內(nèi)試驗(yàn)，獲得3 種可穩(wěn)定輸出恒阻的屈服套，其起始屈服力分別為120，135，145 kN，屈服行程大于200 mm。試驗(yàn)表明，單根屈服套起始屈服力總是大于直線平穩(wěn)段恒力；輸出恒力與屈服界面長度呈線性關(guān)系。單根屈服套的試制及力學(xué)特性是屈服錨索研究的基礎(chǔ)。

（2）成功研制400，500，1 000，1 500 kN 級高強(qiáng)大變形屈服錨索，行程可達(dá)200 mm。屈服過程平穩(wěn)，各屈服套受力均勻、位移同步。高強(qiáng)大變形屈服錨索的噸位和行程還可進(jìn)一步拓展，可為邊坡大變形加固提供一種新的解決方案。

（3）本文室內(nèi)試制了拉力型及壓力型2 種不同類型屈服錨索，其制作工藝、施工工藝及加固效果尚需工程實(shí)踐檢驗(yàn)。