高强大变形屈服锚索承载特性室内试验研究

杨 栋，王全成，姜昭群

（中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734）

锚索在边坡加固及防治工程修复中应用广泛[1]，但在地质条件复杂多变的边坡加固中，由于大变形作用，容易造成常规锚索出现成片被拉断的破坏现象。如雅砻江上游某电站在建设过程中，由于开挖卸荷大变形的作用，锚索最大超限幅度大于设计吨位的40%以上(如设计为2 000 kN 的锚索实测值达到2 660 kN，设计吨位为1 000 kN 的锚索实测值达到 1 440 kN）[2]。内蒙古长山壕露天矿场，边坡倾倒大变形造成预应力锚索被拉断、锚具失效、锚索夹片弹出，夹片最大弹射距离达到96 m[3]。既要防止变形过大引起边坡失稳，又要防止锚索受力过大超限破坏，这是一个难以两全的问题，而屈服锚索则能很好解决这一难题。屈服锚索又称之为大变形锚杆、让压锚杆等，在外营力的作用下，以位移抵消力的作用，产生较大变形后仍能提供可靠锚固力。陶志刚等[2]通过屈服锚杆加固层状反倾岩体边坡室内大型物理模拟试验，证明屈服锚杆具有大变形、高恒阻以及吸收能量的特性，能有效控制边坡失稳变形。

屈服锚索结构形式以摩擦型、剪切型及活塞型最为常见。如加拿大Cone 锚杆采取摩擦型[4]，主要构成部分包含一体成型的光圆杆体和尾部锥形扩大头，锥形头前端还包含一个搅拌头，非恒阻，行程120 mm；澳大利亚Roofex 锚杆[5]，由光圆的实心钢筋、能量吸收装置和锚固套筒组成，吨位80 kN，行程300 mm。据不完全统计，我国已研发出数十种大变形锚杆并广泛应用于地下支护工程中[6]。何满潮等[7]、王琦等[8]研制的恒阻大变形锚杆，其恒阻装置包括恒阻套管和恒阻体，恒阻套管内表面为螺纹结构，利用摩擦输出恒力，吨位150～300 kN，行程0.3 m，形成完备的理论设计方法及技术体系，并在采矿巷道围岩支护中得到大量成功应用。张红军等[9]研制的屈服锚杆，结构形式与恒阻大变形锚杆类似，由锥形套及滑移套管组成，起始屈服力为180～240 kN，行程为150～1 000 mm，破断力约350 kN。张勇等[10]在锚索锚头处设置钢套筒，与带有弹簧丝的钢绞线挤压成型，依靠摩擦输出力，最大输出力为190 kN，但张拉过程中荷载出现骤降跳动的现象，不利于锚索整体稳定。黄河等[11]提出一种基于让压套筒、带孔杆段及抗剪螺栓的屈服装置，其破坏荷载为21 kN。殷齐浩等[12]试制1 种全长黏结大变形让压锚杆，由扩张锚固头、杆体、波纹套筒、托盘和阻尼螺母组成，阻力峰值约28 kN。霍旭亮等[13]在托盘下安装3 组让压弹簧来解决巷道锚固效果不佳的问题，行程0.3 m，用扭力扳手施加预应力，力矩约200 N·m。一般而言，滑坡边坡加固所需锚固力大于400 kN，岩质边坡甚至可达到1 000，2 000 kN，而上述屈服锚索结构存在吨位低、行程小的问题，不能满足大变形情形下的边坡加固。屈服锚索数值模拟方面，主要关注抗冲击性能、恒阻黏滑机理及考虑让压性能的本构二次开发。如何满潮等[14]采用LSDYNA 软件对恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验进行数值模拟，发现锚杆的膨胀量、伸长量和冲击力等主要动态力学参数与试验结果吻合度均较高。朱淳等[15]对恒阻大变形锚杆恒阻黏滑机理进行模拟。项力等[16]、朱安龙等[17]考虑屈服锚索的横向剪切性质及主动让压性能，对材料二次开发。

针对以上问题，本文提出基于挤压摩擦型屈服套的大吨位屈服锚索，成功研制400，500，1 000，1 500 kN级屈服锚索，以满足边坡加固的需求，并进行室内张拉试验，研究其承载特性及可靠性。

1 屈服锚索工作原理

高强大变形屈服锚索核心部件为其独特的内锚头结构，由导向帽、保护套筒、承力板、密封螺栓及数个与钢绞线连接的屈服套、P 锚组成（图1）。通过特制挤压机，利用屈服套的塑性变形，将原本分离的钢绞线及屈服套通过挤压作用在屈服套内壁形成凹痕，与钢绞线紧密贴合。当施加外力足够克服屈服界面的静止摩擦力时，钢绞线滑移。此时屈服套固定不动，钢绞线沿此凹痕界面滑移，产生旋转，接触界面处于滑动摩擦，滑动摩擦系数相对稳定，因此屈服套能够以较为稳定的恒力输出。由于屈服锚索内锚头由数个挤压-摩擦型屈服套组成，其吨位可根据屈服套数量调整，因此大大提高了屈服锚索的性能。屈服行程即为图中屈服套与P 锚的间距，可根据设计调节。P 锚功能为：当屈服行程完结后，P 锚可对屈服套限位，使其极限承载力充分发挥钢绞线的抗拉强度。

图1 高强大变形屈服锚索结构示意图Fig.1 Sketch of yield anchor cable

2 屈服套室内试验研究

使用特制挤压机将屈服套和钢绞线挤压成型后，使用张拉系统进行张拉试验，使用锚索测力计监测锚固力，并记录全过程的位移变化。在钢绞线滑移前采取荷载控制，滑移后采用位移控制。为研究屈服界面特性，未设置P 锚。

为获取合适的吨位、行程及可靠的平稳度，单个屈服套根据不同长度（52，70，80，100，120 mm）、不同外径（31，33，35 mm）及不同接触方式（有弹簧、无弹簧）共进行8 组张拉试验（表1）。试验加载时，屈服启动前，按照每级荷载递增10 kN 施加荷载；屈服启动后，按照每级屈服位移5 mm 施加荷载。每级荷载施加后，应稳定5 min 左右。

表1 屈服套室内试验分组统计表Table 1 Group statistics of yield sets

室内张拉试验表明，由于 4 组、5 组、6 组中弹簧丝的存在会影响接触界面的稳定性，产生预应力陡降的情形，不够平稳；7 组、8 组挤压长度不够，不能提供足够起始屈服力。最终得到3 种能实现平稳滑移、且锚固力较恒定的3 种屈服套1 组、2 组、3 组。

图2 为屈服套室内张拉试验结果，图2（a）表明，1 组屈服套初始起始屈服力约为120 kN，之后稳定于100 kN 左右。每级荷载施加时，起始屈服力总是大于直线段的平稳输出力；起始屈服力并非恒定值，随着屈服位移增大而逐渐增大，但增大的幅度很小，从120 kN 增至130 kN。图2（b）（c）反映了类似规律，2 组初始起始屈服力约为135kN，随后逐渐增长为145 kN，直线段平稳输出力为115～120 kN; 3 组初始起始屈服力约为145 kN，随后逐渐增长为150～160 kN，直线段平稳输出力约为135 kN。3 组屈服套的屈服行程均大于200 mm。图2（d）为钢绞线与1 组试样（1-1、1-2）、2 组试样（2-1、2-2）屈服套滑脱过程中力与屈服界面接触长度关系曲线，可见恒阻与接触长度呈线性关系，斜率基本一致，将所有散点数据用最小二乘法进行拟合，得到下式，为屈服锚长度设计提供了依据：

图2 屈服套室内试验结果Fig.2 Laboratory test results of the yield device

F=1.0794S-3.208

式中：F——输出恒力；

S——挤压后的屈服套与钢绞线接触面长度。

3 大吨位屈服锚索室内试验

3.1 试验概况

大吨位屈服锚索主要包含400，500，1 000，1 500 kN级屈服锚索，其起始屈服力、屈服行程见表2，采用的屈服套长度及数量可由单个屈服套室内试验成果计算得出。其中1 500 kN 级屈服锚索由10 根钢绞线组成，长4 m，起始屈服力约为1 470 kN，屈服行程150 mm，屈服装置由10 个屈服套组成。

表2 屈服锚索规格统计表Table 2 Statistical table of yield anchor cable

屈服锚索室内张拉试验在地质灾害防治中心锚固试验室5 000 kN 级锚固张拉平台上进行。试验主要步骤为：屈服装置制作—锚索制作—安装张拉系统—预张拉—张拉至正常工作状态—用油缸伸长模拟外营力变化。在这些步骤中，屈服装置制作及预张拉是控制试验效果成败的关键，尤其应注意：挤压屈服套前应对钢绞线进行表面除锈处理，编制锚索前应通过千斤顶张拉，使其稳定滑移10～20 mm；在锚索编制完成后，对单根钢绞线进行预张拉，尽量使得每根钢绞线均匀受力。

3.2 屈服锚索工作过程

以1 000 kN 级屈服锚索为例阐述其工作过程，图3 详细记录了屈服过程中屈服位移对应的锚固力。图3（a）为屈服锚索初始状态，图3（b）—（h）分别为屈服位移为25，30，40，90，100，110，120 mm 时的状态，可见整个屈服过程各屈服套同步滑移，受力均匀，屈服锚索位移增长很快，而锚固力增长较为缓慢，基本维持在1 000 ～1 200 kN。

图3 1000kN 级屈服锚索工作过程Fig.3 Working process of yield anchor cable of 1 000 kN class

3.3 屈服锚索张拉特性分析

图4 为屈服锚索张拉曲线，其中图4（a）为 400 kN级拉力型屈服锚索张拉曲线，其起始屈服力为400.5 kN，即当张拉力小于400 kN 时（OA段），屈服装置位移为0。张拉力达到400.5 kN 后（AB段），屈服装置开始屈服滑移，此时张拉力增长缓慢，而位移变化很快，屈服行程约100 mm。前文提及，单个屈服套存在起始屈服力随着位移的增加缓慢增加的现象，由于多个屈服套的累加效应，屈服锚索的力值从400.5 kN 增至495 kN。而同样4 根长4 m 的1 860 钢绞线组成的传统锚索，从400.5 kN 增至495 kN，位移仅为2～3 mm，可见屈服装置使得锚索的延性大大增加，能很大程度上吸收能量。整个有效屈服行程内各屈服套（p1、p2、p3、p4）同步滑移，受力均匀。

图4 屈服锚索张拉曲线Fig.4 Tension curves of yield anchor cable

图4（b）为500 kN 级拉力型屈服锚索张拉曲线，其起始屈服力为501 kN，当张拉力小于501 kN 时（OA段），钢绞线发生弹性变形，屈服装置位移为0。张拉力达到501 kN 后（AB段），屈服装置开始屈服滑移，整个屈服行程约100 mm，力值从501 kN 增至600 kN。

图4（c）为1 000 kN 级压力型屈服锚索，其起始屈服力为1 050 kN，当张拉力小于1 050 kN 时（OA段），钢绞线发生弹性变形，屈服装置位移为0。张拉力达到1 000 kN 后（AB段），屈服装置开始屈服滑移，整个屈服行程约150 mm，力值从1 050 kN 增至1 239 kN。

图4（d）为1 500 kN 级压力型屈服锚索，当张拉力小于1 234 kN 时（OA段），钢绞线发生弹性变形，屈服装置位移为0。当张拉力大于1 234 kN 且小于起始屈服力1 470 kN 时（AB段），为屈服装置自我调整阶段。由于装配锚索过程中形成的初始不均匀，受力较大的屈服套率先滑移，此时锚索仍以弹性变形为主，屈服套产生很小的滑移。当张拉力大于1 470 kN 时（BC段），张拉力增长缓慢，而位移变化很快，屈服装置开始屈服，屈服行程约150 mm，力值从1 470 kN 增至1 690 kN，最后回落至 1 601 kN。

3.4 屈服锚索极限承载力

若边坡发生较大变形，此时屈服锚索屈服行程完结时，若没有限位装置，则屈服锚索的极限承载力会偏低。以500 kN 级锚索为例，其极限承载力约为600 kN，不能充分发挥钢绞线的抗拉能力，显然在工程实践中是危险的。因此在屈服套外侧设置P 锚作为安全装置，其同样由挤压机挤压而成，但在接触界面添加弹簧丝，故接触面咬合十分牢固，即使钢绞线断裂，P 锚也不会滑移。屈服行程完结后，此时屈服套与P 锚完全贴合，图5 为400，500 kN 级屈服锚索在屈服行程完结后的状态及破断试验结果。屈服锚索整体破断力与常规锚索一致，呈现弹性阶段（OA）、弹塑性阶段（AB）及破坏阶段（BC），极限承载力分别为1 050，1 047 kN；破断现象为钢绞线断丝，P 锚未滑移。由此可见，双向调节预应力锚索在屈服行程完结后仍能发挥传统锚索的工作性能，具有较高的安全储备。

图5 锚索极限承载力试验结果Fig.5 Test results of the ultimate bearing capacity

4 结论

（1）通过单根屈服套室内试验，获得3 种可稳定输出恒阻的屈服套，其起始屈服力分别为120，135，145 kN，屈服行程大于200 mm。试验表明，单根屈服套起始屈服力总是大于直线平稳段恒力；输出恒力与屈服界面长度呈线性关系。单根屈服套的试制及力学特性是屈服锚索研究的基础。

（2）成功研制400，500，1 000，1 500 kN 级高强大变形屈服锚索，行程可达200 mm。屈服过程平稳，各屈服套受力均匀、位移同步。高强大变形屈服锚索的吨位和行程还可进一步拓展，可为边坡大变形加固提供一种新的解决方案。

（3）本文室内试制了拉力型及压力型2 种不同类型屈服锚索，其制作工艺、施工工艺及加固效果尚需工程实践检验。