恒阻內(nèi)錨吸能錨桿性能試驗(yàn)研究

馬池帥

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖中心，湖北 武漢 430205）

0 引言

巖爆的發(fā)生具有“強(qiáng)突發(fā)性、強(qiáng)破壞性和瞬時(shí)大變形”的特征［1?3］，其往往伴隨著能量的猛烈釋放和瞬時(shí)的動(dòng)量傳播。控制技術(shù)要根據(jù)巖爆發(fā)生的可能性與強(qiáng)弱程度，提出減小巖爆災(zāi)害規(guī)模與等級(jí)的工程控制措施及相對(duì)應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方法，努力實(shí)現(xiàn)“弱巖爆不壞、中巖爆可修、強(qiáng)巖爆不垮”的目標(biāo)。在現(xiàn)有的巖爆防護(hù)方案中，已注意到吸能構(gòu)件對(duì)巖爆硐室進(jìn)行支護(hù)的重要性，引入讓壓吸能錨桿或其他防沖吸能支護(hù)構(gòu)件［4?9］，雖有成功應(yīng)用的案例，但在吸能錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、讓壓吸能支護(hù)機(jī)理、吸能特性以及基于能量平衡理論的聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面還有待進(jìn)一步研究。本研究根據(jù)現(xiàn)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(nèi)錨讓壓錨桿，通過(guò)室內(nèi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證新型吸能錨桿的性能。

1 巖爆作用下錨桿支護(hù)系統(tǒng)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(jiān)硬巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙來(lái)弱化巖體。在地下復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境的影響下，錨桿的錨固性能會(huì)大大降低。當(dāng)錨桿受到的巖爆剪切力超過(guò)錨固系統(tǒng)的剪切強(qiáng)度時(shí)，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(fā)生具有強(qiáng)突發(fā)性和瞬時(shí)大變形的特征，短時(shí)間內(nèi)積聚的大量沖擊能量?jī)H依靠圍巖的變形是無(wú)法完全釋放的。而現(xiàn)有的錨桿支護(hù)系統(tǒng)不具備讓壓的主動(dòng)性。當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，錨固系統(tǒng)的薄弱部位（如螺紋段尾部）會(huì)成為最先被破壞的區(qū)域，從而出現(xiàn)錨桿螺紋脫扣或斷裂，最終導(dǎo)致整個(gè)錨固系統(tǒng)失效。

1.3 錨桿懸空

巖爆發(fā)生時(shí)，沖擊應(yīng)力波在到達(dá)隧道洞室表面后會(huì)發(fā)生反射，從而形成反射拉伸應(yīng)力波。當(dāng)疊加的應(yīng)力波強(qiáng)度高于圍巖強(qiáng)度時(shí)，表面圍巖體會(huì)發(fā)生層裂剝離，導(dǎo)致錨桿托板懸空，失去托錨基礎(chǔ)。這種破壞形式常出現(xiàn)于傳統(tǒng)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(dāng)托板安裝質(zhì)量較差時(shí)，很容易出現(xiàn)因托板松動(dòng)而導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失效。

1.4 錨桿與圍巖整體失效

普通錨固系統(tǒng)的作用范圍為距臨空面2～3 m，而在強(qiáng)巖爆或極強(qiáng)巖爆環(huán)境中，具有沖擊危險(xiǎn)的應(yīng)力或能量集中區(qū)域一般距洞壁3～4 m外，且高等級(jí)巖爆在發(fā)生前會(huì)出現(xiàn)多次明顯的低等級(jí)巖爆現(xiàn)象，導(dǎo)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(jí)巖爆發(fā)生時(shí)形成的強(qiáng)大沖擊載荷會(huì)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(nèi)錨吸能錨桿及其結(jié)構(gòu)特征

在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，本研究提出新型套管式內(nèi)錨讓壓錨桿（見圖2）。套管式內(nèi)錨讓壓錨桿通過(guò)擠壓套與桿體的徑向擠壓、滑移，拉伸錨桿桿體，從而實(shí)現(xiàn)恒阻讓壓。內(nèi)錨讓壓錨桿由中空桿體（外表面做非黏結(jié)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(guò)螺紋與螺母相連，中間為光圓段，在光圓段的內(nèi)端設(shè)有止退羽翼，讓壓裝置末端設(shè)有阻擋件和注漿帽。

在受到圍巖荷載的作用時(shí)，軸向外載荷（拉力）會(huì)作用到墊板上，推動(dòng)桿體向孔外拉伸，滑移粗糙段桿體與讓壓錨具產(chǎn)生相對(duì)摩擦滑移，通過(guò)滑動(dòng)摩擦力（即讓壓力）實(shí)現(xiàn)彈性滑移變形彈性讓壓后，可通過(guò)桿體的承載強(qiáng)度來(lái)保持錨固性能。

3 恒阻內(nèi)錨吸能錨桿性能試驗(yàn)

3.1 試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)包括10組試件，前2組為傳統(tǒng)錨桿，后8組為讓壓吸能錨桿，對(duì)其分別進(jìn)行靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)沖擊拉伸試驗(yàn)。吸能構(gòu)件內(nèi)外徑分別為42 mm和50 mm、阻尼材料厚度為5 mm、圓臺(tái)體高度為50 mm，錨桿的基本參數(shù)見表1。

表1 錨桿試樣基本物理參數(shù)

3.2 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了分析內(nèi)錨讓壓吸能錨桿的最大靜力拉伸長(zhǎng)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(xué)特性，驗(yàn)證所提出的理論模型的正確性，開展內(nèi)錨讓壓吸能錨桿靜力拉伸試驗(yàn)。錨桿所能提供的最大錨固力取決于內(nèi)錨固段的錨固性能。為對(duì)比錨桿的極限承載力，NR?32?1錨桿選擇直接拉伸試驗(yàn)，未進(jìn)行錨固。利用WLH?600微機(jī)控制電液伺服大變形錨桿臥式拉力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)（見圖3）對(duì)恒阻內(nèi)錨吸能錨桿采用位移控制加載法進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，加載速度為2 mm/min。

圖4為試件靜力拉伸時(shí)吸能錨桿（索）軸力?位移曲線圖。由圖4可以看出，在整個(gè)拉伸過(guò)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(qiáng)化段3個(gè)作用歷程，恒阻力特性顯著，與理論分析的錨桿支護(hù)機(jī)理類似。布設(shè)吸能構(gòu)件能有效延緩錨桿的屈服受力彈性讓壓后通過(guò)桿體的承載強(qiáng)度繼續(xù)保持錨固性能。具體數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)值的500 mm；恒阻力的平均值在136.5 kN左右，與理論計(jì)算恒阻力基本一致；NR?32?1錨桿（夾持兩端，無(wú)錨固段）的極限力為234.6 kN，錨桿本身被拉斷，基本達(dá)到錨桿桿體材料的屈服極限，而其他錨桿因受限于內(nèi)錨固段的錨固性能，錨桿?砂漿界面破壞失去錨固基礎(chǔ)，極限承載力均值為173 kN，與理論分析結(jié)果相差不大?？偽漳芰孔兓c極限力趨勢(shì)類似。普通錨桿的變形能力和吸能特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于讓壓吸能錨桿，試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明讓壓吸能錨桿具有良好的吸能特性和優(yōu)越的變形能力。

表2 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果匯總

3.3 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用重錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，檢驗(yàn)吸能錨桿抵抗和吸收沖擊能量的性能?？傮w上看，在沖擊拉伸過(guò)程中，荷載?位移曲線與靜力拉伸類似，也有3個(gè)階段（見圖5），即初始軸力增長(zhǎng)階段、恒阻波動(dòng)階段和屈服強(qiáng)化階段。通過(guò)錨桿的彈性變形、恒阻滑移摩擦和塑性屈服進(jìn)行能量吸收。與靜態(tài)拉伸試驗(yàn)相比，沖擊拉伸錨桿軸向力存在明顯的上下波動(dòng)，這是因?yàn)殄^桿桿體與讓壓構(gòu)件內(nèi)表面阻尼材料間存在粗糙度不均勻的情況，導(dǎo)致局部動(dòng)態(tài)摩擦阻力增大或縮小，呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)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(nèi)錨固段的錨固性能）。表3為沖擊拉伸試驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)態(tài)拉伸下吸能錨桿（索）的吸能阻力和靜態(tài)拉伸相差不大。

表3 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果匯總

4 結(jié)論

本研究對(duì)巖爆作用下支護(hù)系統(tǒng)的典型破壞特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低等級(jí)巖爆常發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表面巖體層裂剝離的現(xiàn)象，造成錨桿托板懸空或錨固段脫黏滑移，此時(shí)錨桿支護(hù)系統(tǒng)失效，將失去對(duì)圍巖加固的作用。而高等級(jí)巖爆會(huì)進(jìn)一步造成錨桿支護(hù)區(qū)域的圍巖發(fā)生猛烈的破壞，使錨桿與圍巖整體失效。針對(duì)沖擊危險(xiǎn)隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞特征及沖擊載荷對(duì)錨桿?圍巖支護(hù)系統(tǒng)的特殊要求，本研究提出一種新型恒阻滑移內(nèi)錨讓壓支護(hù)技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，在沖擊或靜態(tài)拉伸中，內(nèi)錨讓壓錨桿表現(xiàn)出良好的自我保護(hù)與沖擊適應(yīng)性，讓壓吸能特性良好。