套筒挤压式屈服锚索静载试验研究

张　勇，盛宏光，吴祥云，曲建波

(总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023)



套筒挤压式屈服锚索静载试验研究

张勇，盛宏光，吴祥云，曲建波

(总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023)

[摘要]采用钢套筒挤压方案，研制了一种套筒挤压式屈服锚索，对屈服锚索屈服装置的“荷载-变形特征”进行试验研究，分析探讨了套筒挤压长度与屈服荷载的关系。试验结果显示，各组试验锚索初始屈服荷载和平均屈服荷载特征曲线比较一致，说明该锚索屈服装置方案合理、性能稳定，能够获得屈服锚索预期的屈服荷载和屈服长度。

[关键词]屈服锚索；挤压套筒；屈服装置；静载试验

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

[引用格式]张勇，盛宏光，吴祥云，等.套筒挤压式屈服锚索静载试验研究[J].煤矿开采，2015，20(5)：106-109.

屈服锚杆作为一种特殊用途的锚杆，最早出现于国外，Ortlepp和Read于1969—1970年间提出了屈服锚杆(yieldable rock bolts)的概念[1]并进行了试验研究。他们在某隧洞内设置2个试验段，一段采用普通岩石锚杆进行加固，另一段采用屈服锚杆加固，炸药通过深孔均匀布置在隧洞周边。当同时起爆时，采用普通锚杆加固的一段完全破坏，而另一段隧洞则保持完整[2]。该试验证明了屈服锚杆在承受瞬间冲击、爆炸荷载时具有优良的锚固性能。

国外最早研制的屈服锚杆由一根标准的锚杆杆体和一套外径大于杆体、内带轧制螺纹的钢套筒组成(图1(a))。当达到设计荷载后，锚杆会在维持恒定荷载的情况下产生变形，变形量的大小取决于钢套筒内螺纹的长度。之后，澳大利亚Menadier公司又研制了钢珠式屈服锚杆(图1(b))，这种屈服锚杆是在锚杆头部安装一个内部为锥形空穴的装置，锥形空穴内充填钢珠并用螺帽压紧，利用钢珠与光面干体之间恒定的摩擦力提供平稳的变形。

图1　国外较早期使用的屈服锚杆

在国外，屈服锚杆的研究一直在进行中。1990年，南非的Jager研发出一种Conebolt的屈服锚杆。2006年，挪威的Charlie Chunlin Li发明出一种新型支护装置-D型锚杆。2008年，澳大利亚的阿特拉斯科普柯公司研发了一种可压缩性岩石锚杆-Roofex锚杆用于软岩巷道支护。加拿大JENNMAR公司近年又研制出了用于地下工程支护的Yield-Lok锚杆(图2)。

图2　Yield-Lok锚杆

在国防工程和矿山地下洞室中，支护结构可能承受瞬间强大震动和冲击荷载的作用，普通锚杆由于在破坏之前允许的变形量很小，在遭受动载作用时很容易发生破坏。屈服锚杆则可以在瞬时动载作用时在维持一定的承载力(屈服荷载)的情况下允许洞室产生较大的变形(屈服长度)而不破坏。洞室变形过程中释放大量能量，冲击荷载作用之后，锚杆依然维持先前较小的支护力。

为了适应国防工程加固的需求，总参工程兵科研三所于1994年研制了套筒螺纹式屈服锚杆并在地下结构抗强爆炸荷载试验中得到应用。2005年，总参工程兵科研三所又完成了屈服锚索在地下工程抗爆中的应用研究[3-5]，研制的预应力屈服锚索在某国防工程中得到应用。

由于加固工程的需要，近年来国内不少单位对屈服锚杆开展了研究[6-12]。在国内，不同单位对屈服锚杆的称呼不同，主要有恒阻大变形锚杆(图3)、让压锚杆、恒力锚杆等。据资料显示，自2008年以来，国内申请有关屈服锚杆的实用新型专利和发明专利达20多项，不仅丰富了屈服锚杆的类型，也充分反映屈服锚杆加固技术已受到国内相关单位的高度重视。

图3　恒阻大变形锚杆

2套筒挤压式屈服锚索静载试验

为满足强动载作用下地下洞室支护的需要，设计了一种套筒挤压式屈服锚索，由钢绞线主杆体、挤压式钢套筒、垫板和螺帽组成(图4)。其原理是：钢绞线插入钢套筒中，为了获得较为稳定的屈服荷载，在钢套筒和钢绞线之间放置直径为0.8mm的钢制弹簧，对钢套筒一端进行挤压，利用钢套筒和钢绞线表面产生的摩擦力，使锚索和钢套筒在相对伸长时维持较为恒定的荷载(屈服荷载)，其有效伸长量的大小(屈服长度)根据工程需要由套筒长度而定。试验锚索材料为1×7结构预应力钢绞线，钢绞线直径15.2mm，抗拉强度等级为1860MPa，钢绞线的最大破断力为260kN。

图4　套筒挤压式屈服锚索

试验在“WAW-600型微机控制电液伺服万能试验机”上进行。为了保证试验结果的真实性，张拉时试验机两端夹具分别夹住锚索两端，模拟锚索两端处于完全拉伸状态(图5)，使制作的锚索试件和试件受力状态与屈服锚索受力状态完全一致。

图5　屈服锚索静力试验

试验时，施加荷载速度为0.2~0.3kN/s，试件伸长速度为0.3~0.4mm/s，瞬时荷载和位移采集速度为0.2s/组，每个试件采集数据约3500~4500组。

套筒挤压式屈服锚索的锚固性能主要取决于套筒屈服装置。改变套筒挤压部分的长度可以得到不同的屈服荷载。为了得到不同挤压长度下的屈服力以求获得较理想屈服力对应的挤压长度，共制作了5组锚索试件进行室内试验，每组3个试件，装置设计有效屈服长度均为200mm，最大屈服长度大于250mm。

3试验结果

试验结果(图6～10)显示，当挤压套筒的初始内外径、挤压后内外径和套筒材质已定的条件下，套筒摩擦式屈服锚索的屈服荷载仅与套筒挤压长度有关。为了分析套筒挤压长度对屈服荷载的影响，取上述每组试件试验结果的算术平均值，发现“挤压长度-初始屈服荷载”和“挤压长度-平均屈服荷载”有着较好的相关性，屈服荷载(T)与套筒挤压长度(L)近似呈线性函数关系(图11～12)。

图6　A组锚索“荷载-变形”曲线

图7　B组锚索“荷载-变形”曲线

图8　C组锚索“荷载-变形”曲线

图9　D组锚索“荷载-变形”曲线

图10　E组锚索“荷载-变形”曲线

图11　挤压长度-初始屈服荷载关系

图12　挤压长度-平均屈服荷载关系

在试验中，部分试件在变形过程中产生了较大的荷载波动现象，产生这种现象可能的原因是涂抹油脂长度不够或涂抹不均匀，钢绞线表面处理不干净所致。

此外，在试验时，试验机采集数据频率较高，平均每条采集数据4000~4500组“荷载-变形”数据，平均0.049mm就采集1组数据，从而将荷载的波动情况显示得淋漓尽致，而采用传统的锚索试验方法是很难反映出这种波动现象的。

虽然在锚索拉伸变形时部分锚索产生荷载波动现象，但锚索仍然维持着平均屈服荷载，锚索依然发挥着加固作用。此外，这种荷载波动是在瞬间发生的，所以，这种波动现象对锚索的锚固性能并无影响。

试验结果显示，套筒挤压式屈服锚索具有以下特点：

(1)屈服荷载与套筒挤压长度近似呈线性函数关系，通过调整套筒挤压长度可以得到相应的屈服荷载。

(2)各组试验锚索初始屈服荷载和平均屈服荷载特征曲线比较一致，说明该锚索采用的屈服装置结构合理、性能比较稳定。

(3)该屈服锚索组件的钢套筒最大破坏荷载大于190 kN，锚索屈服力可根据工程安全等级在上述荷载之内进行选择确定，锚索总长度和屈服长度也可根据工程需要选定。

(4)锚索具有钻孔直径小，锚固力大，施工方便的特点。套管部分直径30mm，钢绞线主杆体直径15.2mm，锚索可采用变径小钻孔施工，使用手持式风钻即可施工。

4结束语

目前，由于屈服锚杆具有良好的抗动载性能和较强的适应大变形能力，已经在国防、矿山和水电系统的地下工程加固中得到成功应用[13-16]。由于工程的需求，国内对屈服锚杆的结构型式和理论研究正在继续。随着国内对该项技术的深入研究，相信屈服锚杆的结构型式和加固理论会日臻完善，其应用范围也会逐步扩展，屈服锚杆将在工程加固中发挥更大的作用。

[参考文献]

[1]Ortlepp,W.D.and Reed J.D.,Yieldable rock bolts for shock loading grouted bolts for rock stabilization[J].Mining Engineering，1970，6(3)：12-17.

[2]T.H.汉纳.锚固技术在岩土工程中的应用[M].北京：中国建筑出版社，1987.

[3]易梦文.屈服锚杆受力性能的研究[R].洛阳：总参工程兵科研三所，1996.

[4]易梦文.强冲击压力作用下坑道围岩-屈服锚杆支护体系计算方法的研究[R].洛阳：总参工程兵科研三所，1996.

[5]刘玉堂，白彦光，庞有超.屈服锚索在地下工程抗爆中的应用研究[R].洛阳：总参工程兵科研三所，2005.

[6]张国锋，于世波，李国峰，等.巨厚煤层三软回采巷道恒阻让压互补支护研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(8)：1619-1626.

[7]何满潮，郭志飚.恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33(7)：1297-1307.

[8]孙晓明，王冬，王聪，等.恒阻大变形锚杆拉伸力学性能及其应用研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(9)：1765-1771.

[9]邹吉社.高强高预应力让压锚杆支护技术[J].山东煤炭科技，2012(4)：10-11.

[10]张宏吉，郑锦鹏.恒阻大变形锚杆(索)工作原理及特性[J].煤矿支护，2013(3)：52-54.

[11]夏洪满.高恒阻大变形锚索力学特性及现场防冲试验研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2013.

[12]王亚杰.岩爆冲击条件下屈服大变形恒阻锚杆支护[J].岩土锚固工程，2013(4)：29-32.

[13]张新生，蒋涛.让压锚杆在深部软岩巷道支护中的应用[J].煤炭科技，2013(4)；86-87.

[14]胡长浩.恒阻大变形锚杆支护技术在新安煤矿的应用[J].煤炭科技，2012(1)：46-47.

[15]李元，张鹏，张东明，等.防冲抗爆恒阻大变形锚杆在锦屏二级水电站引水隧洞岩爆段施工中的应用[J].成都大学学报，2012，3(3)：285-286.

[16]李剑锋，赵建华.极软岩巷横阻大变形锚杆耦合支护技术研究[J].煤炭工程，2012(7).

[责任编辑：王兴库]

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 “load-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

[作者简介]张勇(1961-)，男，山东单县人，总参工程兵科研三所高级工程师，总参郑州创新工作站首批进站专家，主要从事岩土工程预应力锚索加固技术方面的研究工作。

[收稿日期]2015-05-14

[中图分类号]TD350.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0106-04