恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析

李　晨，何满潮，宫伟力

(1．中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京　100083;2．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)



恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析

李晨1，2，何满潮1，宫伟力1，2

(1．中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083;2．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)

摘要:随着煤矿开采深度的不断增加，深部围岩的瞬时冲击明显增多，且荷载大小往往超过传统泊松比支护材料的屈服强度致使支护失效。而具有高支护阻力和大拉伸量的新型恒阻大变形锚杆已在静力作用下验证了其具有负泊松比效应，能良好的满足井下巷道冲击大变形控制的需求。为了研究恒阻大变形锚杆在动态冲击下的防冲力学特性，通过自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆冲击拉伸实验系统对某批次恒阻大变形锚杆进行了动态冲击拉伸实验。实验结果表明该锚杆能够保持恒定阻力产生结构变形来吸收冲击能量，并表现出了良好的负泊松比效应，进而验证了恒阻大变形锚杆比传统锚杆具有更好的动态防冲性能。

关键词:恒阻大变形锚杆;负泊松比效应;冲击拉伸实验;结构变形

李晨，何满潮，宫伟力．恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析［J］．煤炭学报，2016，41(6):1393－1399．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1909

Li Chen，He Manchao，Gong Weili．Analysis on impact dynamics of negative Poisson’s ratio effect of anchor bolt with constant resistance and large deformation［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1393－1399．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1909

随着经济建设的高速发展，世界各国对能源的需求日益增加。随着浅层资源的减少，煤矿地下开采深度日益加深。而深部地下巷道开挖深受高应力和复杂地质环境的影响，引发诸如岩爆、冲击地压、瓦斯爆炸和突水等重大工程灾害［1－3］，已严重威胁了工人生命安全和国家财产。作为煤矿巷道有效支护方式之一，锚杆支护技术可以有效改善围岩结构，加强巷道结构强度并显著改善巷道围岩的稳定性［4－5］。

由于煤矿开采深度的日益增加，地质环境愈发复杂，由非线性大变形破坏导致的突发性工程灾害和重大恶性事故频发［6－8］。包括传统锚杆、锚索、U型钢支架在内的传统支护材料本身不能适应深部冲击力作用下围岩的瞬间大变形，究其原因是因为这些支护材料属于传统泊松比材料，即塑形硬化材料，在受到冲击力荷载下瞬间达到屈服强度而丧失承载能力导致支护失效［9－10］。

泊松比也称横向变形系数，定义为材料纵向受拉或受压时负的横向应变与纵向应变之比，是反映材料受外力作用时抵抗外力形变大小的力学性能指数［11－13］，用公式表示为 ν=－εx/εy(εx表示横向应变，εy表示纵向应变)。常见泊松比材料在受外力拉伸时垂直截面方向发生收缩而受压时发生膨胀，通常认为，几乎所有的材料泊松比值均为正，如橡胶和软微生物器官为0.5，铅为0.45，铝为0.33，普通的铁为0.27［14－17］。

20世纪80年代，生物医学家首次发现了负泊松比(Negative Possion’s ratio)材料，或称“拉胀材料”(auxetic material)［18］。具有负泊松比特性的材料在某一方向受到拉伸(或压缩)时，在与之垂直的方向上会发生膨胀(或收缩)，这种现象在热力学上是可能的，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比的存在。泊松比材料在受弯曲力作用后材料中部呈现“马鞍形”，而近年来发现的一些特殊结构的负泊松比材料则出现“上凸”的明显界面，引起了专家和学者的广泛重视。

与传统材料相比，拉胀材料除了泊松比为负这一明显特性外，还表现出其他独特的物理力学性能，如剪切刚度、断裂韧性、抗压痕性和能量吸收能力等方面都比普通泊松比材料有所提高。此外，负泊松比材料具有良好的应力分散效应，具有极高的剪切模量和极低的体积模量。由于负泊松比材料相较于泊松比材料具有更强的物理力学特性，也就可以被同时认定为结构材料和功能材料［19－21］，有望用于航空航天、汽车工业、人体防护及国防等诸多领域。

基于负泊松比材料和具有负泊松比效应材料的特殊力学特性，以及矿用支护材料存在的诸多问题和缺陷，何满潮教授于2007年研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆(CRLD)。通过多批次静力拉伸实验，成功验证了恒阻大变形锚杆在静力作用下具有良好的负泊松比效应［22－23］。静力拉伸实验表明，该锚杆不仅可以良好的满足深部软岩大变形巷道对于锚杆恒定的高支护阻力和大拉伸量的需求，而且成功克服了传统支护材料“颈缩失效”的缺点［24］。

现今，专家和学者对具有负泊松比效应材料的大量研究工作主要集中在微观结构下的静力学特性的研究。与静态和准静态不同，冲击荷载作用下，结构和惯性效应将主要影响材料的动态响应特性［24－25］。即在动态冲击作用下，恒阻大变形锚杆能否呈现出由结构变形导致的负泊松比效应仍是未知。本文采用自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统，对某批次恒阻大变形锚杆进行动态冲击拉伸实验，从支护阻力、锚杆伸长量和膨胀量等方面对锚杆的动态力学性能进行分析，并验证该锚杆的负泊松比效应。

1　样品选择

1.1恒阻大变形锚杆的结构和工作原理

恒阻大变形锚杆由恒阻装置、连接套、杆体、托盘、球垫和螺母组成(图1)。

图1　恒阻大变形锚杆结构示意Fig.1　Structure of constant resistance and large deformation bolt

从图1可以看出，恒阻装置包括恒阻套管和恒阻体，但恒阻体通过连接套与杆体相连成为一体且材料相同，恒阻套管内表面与外表面均为螺纹结构，恒阻套管材料强度低于恒阻体和杆体强度。恒阻大变形锚杆设计恒阻力为杆体材料屈服强度的80% ～90%，确保恒阻装置发挥作用时，杆体和恒阻体不因外部荷载超过屈服强度而发生塑形变形。

恒阻大变形锚杆工作原理如下:

(1)当围岩变形能较小时，即杆体所受轴力小于设计恒阻力时，恒阻装置不发生任何移动，此时锚杆依靠杆体的弹性变形来抵抗岩体变形破坏。

(2)随着围岩变形能的积累，杆体所受轴力大于设计恒阻力时，恒阻装置内恒阻体沿套管内壁发生摩擦位移，整个过程保持恒阻特性，此时锚杆依靠恒阻装置的结构变形来抵抗岩体变形破坏。

(3)经历上述2个过程之后，变形能得以充分释放，当外部荷载减小后，恒阻体停止摩擦位移，围岩再次处于相对稳定状态。

1.2恒阻大变形锚杆的参数

本次实验采用的是编号为MG－15－1，MG－15－4，MG－15－5和MG－15－6的恒阻大变形锚杆，全长平均为1 262 mm，恒阻装置中套筒外螺纹最粗处和最细处直径平均为32.5和29.5 mm，套筒内螺纹最粗处和最细处直径平均为28和25 mm，锚杆参数见表1，锚杆如图2所示。

表1　锚杆试样基本物理参数Table 1　Basic physical parameter of bolt samples

图2　恒阻大变形锚杆Fig.2　CRLD bolts

2　冲击拉伸实验系统及方案

2.1实验设备

本实验采用的是中国矿业大学(北京)何满潮教授在原霍普金森拉杆动力冲击实验系统的基础上自主研制的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统(图3)。该系统可以检验恒阻大变形锚杆在动力冲击下拉伸变形特性，系统主要由动力冲击加载系统、锚杆冲击拉伸系统和数据采集系统组成，可以进行单根、双根和锚杆群动力冲击拉伸实验。

图3　霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统Fig.3　SHTB-elongation＆impacting experiment system for CRLD

动力加载系统(图4)主要包括动力加载系统(采用氮气释放加载使子弹具有一定初速度，理论释放气压可达5 MPa)、光电测速系统(采用2点测速原理测定子弹速度)和杆件系统(本实验系统杆件系统采用高强度铸钢件，包括子弹和入射杆)。

图4　动力加载系统示意Fig.4　Schematic of dynamic loading system

单根锚杆冲击拉伸系统的锚杆冲击部分(图5)，主要由导向架、冲击钢管、复合式承载盘、试样固定座，及锚杆试样等组成。其中，冲击钢管由导向架支撑导向，保证其与霍普金森拉杆同轴。锚杆试样通过试样固定座固定于工作台上，保证其与冲击钢管同轴。试样固定座采用高强度铸钢件，采用高强度螺栓紧固于工作台上，保证冲击时的稳定性。

数据采集系统(图6)主要由力传感器、电荷放大器、数据采集仪和数据测试分析软件等部分构成。其中，YFF－2系列传感器是利用石英晶体的纵向压电原理，将“力”转换成“电荷”的变换装置。传感器产生的电荷正比于被测外力，通过INV1870(DLF)电荷放大器将电荷按比例地转换成电压，再用INV3020型数据采集仪读出被测力的大小及其变化。最后通过DASP数据测试分析软件导出数据并通过origin软件做出荷载－位移曲线以供分析。

2.2实验方法

利用恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统，采用控制气源强度的方法分别对单根锚杆进行冲击拉伸实验，通过实验结果分析锚杆可承受的最大恒阻力、单次撞击轴向伸长量和直径变形量等力学性能参数，拟合锚杆的荷载－位移曲线，分析恒阻大变形锚杆的动态力学特性。

图5　锚杆冲击部分示意Fig.5　Schematic of impacting part for single CRLD

图6　数据采集系统示意Fig.6　Schematic of data acquisition system

实验的准备和测试工作主要由3部分组成:

(1)进行冲击拉伸实验之前，对4根锚杆试样分别进行轴向和径向的分段标定测量工作，包括:锚杆试样总长度、恒阻装置长度、套筒长度、套筒直径和杆体直径。锚杆每5环作为一段，测量直径时用十字法测量a－a'，b－b'两格垂直方向的直径，标注方法如图7所示。

图7 锚杆测量Fig.7　Measurement of CRLD bolts

(2)单次冲击时，首先应检查各工作组件的螺丝紧固程度，保证冲击时的稳定性;其次将系统和各传感器清零，并设定好加载系统的气源强度(以1，1.5，2，2.5，3.0 MPa的气源压强加载，每组20次，至3.0 MPa后，若锚杆未从套管内冲出，则依次进行循环冲击加载)进行加载;当单次冲击结束后，测定速度、力和位移等数据。

(3)当锚杆试样从套筒中完全冲出后实验结束。实验结束后拆卸下锚杆，对实验后的锚杆试样进行测量，测量内容包括锚杆试样总长度、恒阻装置长度、套筒长度、套筒直径和杆体直径。

3　恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验

根据实验测量数据，对数据进行处理，并利用origin软件做出曲线，分析恒阻大变形锚杆的动态力学特性。具体分析过程如下:

3.1恒阻大变形锚杆膨胀量分析

在恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验结束后，测定各锚杆试样恒阻装置1～9测点处外螺纹最粗处膨胀量的变化情况，4根锚杆恒阻装置实验前后在a－a'，bb'方向上的变化分别如图8所示。

从图8中可以看出，锚杆试样实验前恒阻装置外螺纹最粗处直径约为32.5 mm，实验后约为34 mm，实验前后恒阻装置在a－a'方向和b－b'方向上外螺纹最粗处直径平均膨胀约1.5 mm。

3.2恒阻大变形锚杆伸长量分析

锚杆试样的实验数据汇总见表2。从表中可以看出，4根锚杆试样均有较大的伸长量，平均为454.25 mm，锚杆平均伸长率达到35.79%。

3.3恒阻大变形锚杆负泊松比效应分析

泊松比定义为材料纵向拉伸受拉或收压时负的横向应变(径向应变)与纵向应变(轴向应变)之比，而负泊松比则为正的横向应变与纵向应变之比。公式表述为

其中，νnpr为等效负泊松比;εx为横向应变;εy为纵向应变。

在本文恒阻大变形锚杆动态冲击拉伸实验中，横向应变应为恒阻装置外螺纹最粗处直径变形量(Δd)与初始直径(do)的比值(εx=Δd/do，纵向应变应为锚杆的总伸长量(Δl)与初始长度(lo))的比值(εy=Δl/ lo)，横向应变与纵向应变的比值即为恒阻大变形锚杆的等效负泊松比(νnpr=εx/εy)。

经过计算，本批次恒阻大变形锚杆的等效负泊松比约为－0.126(表3)。

图8　实验前后锚杆试样膨胀量变化Fig.8　Change of expansion of CRLD bolts before and after experiment

表2　锚杆伸长量实验数据汇总Table 2　Tension experimental data of bolt samples

表3　恒阻大变形锚杆等效负泊松比分析Table 3　Analysis table of equivalent negative Poisson’s ratio of CRLD

3.4恒阻大变形锚杆受力分析

单根锚杆冲击拉伸实验结束后，读取单次冲击后锚杆数据并绘制冲击力－时间曲线，图9分别为MG－15－1锚杆试样在经受气源压强为2.0 MPa第4次冲击和MG－15－4锚杆试样在经受气源压强为3.0 MPa下第15次冲击时的25 ms完整冲击力－时间曲线。

从图9中可以看出，恒阻大变形锚杆在经受动态冲击时，在极短的时间内冲击力达到峰值，并在10 ms的时间内锚杆恒阻装置发挥作用产生结构变形致使受力迅速归零，表明了恒阻大变形锚杆具有良好的适应动态冲击的能力。

图9　单次冲击时锚杆试样的冲击力－时间曲线Fig.9　Force-time curve of single impacting

冲击力－时间曲线绘制完成后，在所有的曲线中找出冲击力峰值和平均冲击力(恒阻力)绘制成锚杆受力数据汇总(表4)。

从表4中可以看出，动态冲击过程中恒阻大变形锚杆试样承受冲击力峰值可达828.71 kN。同批次锚杆承受的冲击力峰值约为815 kN，承受冲击力平均值为143.24 kN，在承受较大冲击力的同时也表现出良好的恒阻特性。

表4　锚杆受力实验数据汇总Table 4　Force experimental data of bolt samples

4　结　　论

(1)经受动态冲击时，恒阻大变形锚杆膨胀较为明显。实验前后恒阻装置外螺纹最粗处直径平均膨胀量可达约1.5 mm，此为恒阻大变形锚杆与传统锚杆(受拉时收缩变细)相比最为明显的区别之一。

(2)经受动态冲击时，恒阻大变形锚杆伸长较大。实验前后的锚杆平均拉伸量可达454.25 mm，拉伸率达到35.79%。与传统的吸能锚杆相比，恒阻大变形锚杆不仅避免产生“颈缩”的现象，而且显著改善了拉伸量。

(3)经受动态冲击时，恒阻大变形锚杆负泊松比效应显著，即出现锚杆轴向拉伸的同时径向膨胀变粗的结构变形现象，说明了恒阻大变形锚杆的负泊松比效应是由结构变形导致的，其等效负泊松比约为－0.126。

(4)恒阻大变形锚杆具有较高的防冲能力。恒阻大变形锚杆在动态冲击拉伸过程中能够承受较大的冲击力，单次冲击最高可承受约820 kN的冲击力而保持稳定。在不同气源压强冲击下，恒阻大变形锚杆承受的拉力平均值可达140 kN，且整个过程中恒阻大变形锚杆保持良好的稳定工作状态而未产生拉断破坏。

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中图分类号:TD353

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1393－07

收稿日期:2015－12－20修回日期:2016－05－05责任编辑:常琛

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51304210);国家自然科学基金资助项目(51404278)

作者简介:李晨(1988—)，男，陕西华阴人，博士研究生。E－mail:100500618@qq．com。通讯作者:何满潮(1956—)，男，河南灵宝人，教授，博士生导师，博士。E－mail:hemanchao@263．net

Analysis on impact dynamics of negative Poisson’s ratio effect of anchor bolt with constant resistance and large deformation

LI Chen1，2，HE Man-chao1，GONG Wei-li1，2
(1．State Key Laboratory for Geomechanics＆Deep Underground Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing100083，China; 2．School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing100083，China)

Abstract:With the increase of coal mining depth，the number of instantaneous impact of deep surrounding rock increase significantly，and the impacting force is always greater than the yield strength of the traditional Poisson’s ratio supporting materials which leads to supporting failure．With the high support resistance and large tensile value，the Constant Resistance and Large Deformation bolt(CRLD)verifies its negative Poisson’s ratio effect under the static condition and can meet the requirements of deep large deformation．In order to study the impact resistance mechanism of CRLD under dynamic condition，this paper introduced impact and tensile experiments through SHTB-Elongation＆Impacting Experiment System for CRLD with independent intellectual property rights．The experiment results verify that the CRLD bolt，with large deformation resistance under the action of impact while keeping structural deformation，shows a good effect of negative Poisson’s ratio and has a better performance than that of traditional cables with good impact resistance effect．

Key words:CRLD;negative Poisson’s ratio effect;impact and tensile experiments;structural deformation