消能抗震锚杆的研究进展与思考

Research Advance and Thinking on Energy Dissipation and Seismic Bolts

摘要

消能锚杆在加固边坡工程、基坑工程和巷道工程中具有良好的支护和容错能力，已经被广泛地研究和应用.系统地介绍了传统消能抗震锚杆的研发现状. 根据消能抗震锚杆在外荷载消失后是否可自行恢复，进一步将其分为变形不可自复位型锚杆和变形可自复位型锚杆，并就几种典型消能抗震锚杆的工作机理及优缺点做了分析. 在此基础上，进一步总结了现有抗震锚杆技术存在的主要问题：现在消能锚杆结构存在设计缺陷、不同荷载力学作用机制导致锚杆力学响应存在显著差异、现有消能锚杆无法适应岩土体的动力变形. 最后，基于抗震结构自复位性的特点，提出了一种具有自复位结构的新型多级消能抗震锚杆，该锚杆具有多级缓冲消能的特点，且能实现在外部荷载减小或消失时其消能部件变形可恢复的效果，有望为强震区、爆破区及高地应力区的边坡、隧道、矿井巷道等工程持续提供有效的支护力.

关键词

消能抗震锚杆 / 边坡工程 / 强震作用 / 自复位结构 / 工作原理 / 工程地质

Key words

energy dissipation and seismic bolt / slope engineering / strong seism / self-resetting structure / working principle / engineering geology

0 引言

锚杆支护在采矿、交通、水利、市政工程及其他地下工程领域被广泛应用，以显著改善岩土体的整体强度并维护其稳定性（潘长良等，2003；杨建华等，2016；樊俊等，2018；江飞飞等，2019）. 20世纪60年代以来，随着深部资源开采、公路交通工程发展，各类岩体所处应力环境日趋复杂，涉及到地下工程和边坡工程等的岩土体问题亟待解决，如深部围岩中的硬岩岩爆、软岩大变形，边坡工程中的滑坡、崩塌等（唐礼忠等，2003；王芝银和李云鹏，2003；谢和平，2017；蔡美峰等，2019；吴沛沛等，2019；Kang et al.， 2020；陈志荣等，2022；康永水等，2022；严孝海等，2022）. 大量工程实践和科学研究表明（何满潮等，2004；Li et al.，2019；Wu et al.，2019；王贺等，2020），极端应力条件下岩体变形量远远超过普通锚杆的变形范围，导致其发生断裂失效，其失效行为通常表现为以下几种破坏形式：模式I，锚杆体拉断和剪断；模式II，外锚托盘及螺母破坏；模式III，锚杆与锚固剂拉脱；模式IV，锚固体与围岩脱离；模式V，锚固剂破坏；模式VI，锚孔围岩破碎，如图 1 所示. 而在具有高冲击地压区、爆破区及强震区的边坡、隧道、矿井巷道等工程中，上述失效行为表现得更加显著，由此引发的各种地质灾害给工程建设带来了巨大的经济损失（Sharifzadeh et al.，2020a， 2020b；Wu et al.，2020；Wang et al.，2022）.

鉴于普通锚杆的消能劣势及失效特征，国内外学者致力于提高锚杆消能抗震性的研究，设计了能够适应岩体变形且可持续提供支护抗力的锚杆，即“屈服锚杆”、“可延伸锚杆”、“让压锚杆”、“释压锚杆”、“吸能/消能锚杆”和“应力释放锚杆”等变形消能锚杆（Ansell，2005；郭泽洋等，2019；李景文等，2019；Yokota et al.，2019；王贺等，2020；Sui et al.，2022）. 在国外，Cook et al.（1968）首次提出屈服消能锚杆的概念，并将其应用于南非金矿巷道围岩支护中. 随后，Jager（1994）和Ortlepp（1992）基于冲击防护消能理论设计了用于深井开采岩爆防控的消能锚杆——Cone锚杆；Ortlepp et al.（2001）研发的一种锚杆杆体为波浪形弯曲的屈服-消能锚杆——Durabar锚杆；Charette et al.（2007）研发的一种具有特殊屈服装置（包括光滑杆柄、钢套筒和滑动元件）的剪切型消能锚杆——Roofex锚杆；澳大利亚Garford公司于2008年设计了一种由光滑杆柄的直径与锚箍内径之差提供屈服载荷的摩擦型大变形锚杆——Garford锚杆（Varden et al.，2008）；Wu et al.（2010）提出的一种由一根带有末端扩大头的光圆杆体和聚合物包裹体组成的剪切型大变形锚杆——Yield-Lok 锚杆；Li（2010）设计了一种由多个成桨状或弯曲状锚固单元组成的吸能锚杆——D形锚杆；Knox and Berghorst（2018）研发了一种由杆体、桨形锚固结构、托盘等组成的消能锚杆，可利用桨形锚固结构间杆体的变形来吸收围岩变形能；Zhao et al.（2020）研制了一种由锚固（阻尼）模块、变形模块、混合模块和螺纹段组成的新型吸能螺栓J型螺栓，通过静态拉伸加载和动态冲击试验验证了其吸能能力；Hao et al.（2020）基于理论和实验研究了一种由钢筋、内表面有部分斜度的套管和钢球组成的新型消能锚杆，该锚杆具有高恒阻力和长伸长率的特性；Yokota et al.（2019， 2020）开发了一种由螺纹杆、锚端、锚环和光滑杆组成的新型消能 DC 锚杆，具有高承载力和强变形特性，可实现阶段性让压消能效果. 在国内，有关消能锚杆的研究可追溯到20世纪80年代初，到目前为止，其类型更是多达几十种（王贺等，2020），具有代表性的包括，何亚男和侯朝炯（1987，1991）、何亚男等（1988）提出应用Q235圆钢加工H 型杆体可延伸增强锚杆，其极限载荷提高了33%~40%，延伸量提高了400%~500%；何满潮和冯吉利（2010）、何满潮和郭志彪（2014）、何满潮等（2015）、Chen et al.（2022）基于材料负泊松比效应提出的可用于深部围岩变形控制的恒阻大变形锚杆；王斌等（2014）研发了可用于岩爆灾害的动静组合锚杆；王刚等（2013）、吴学震等（2015）提出了可用于矿山深部开采中高地应力区遇到的软岩大变形和硬岩岩爆等灾害的拉压耦合大变形锚杆. 由此可见，学者们提出了多种类型消能锚杆，在支护工程中取得了显著成效. 然而，上述这些消能锚杆均体现了大变形特点，即其吸能效果主要依赖于锚杆的变形，包括材料变形或结构变形（Zhang et al.，2022a， 2022b）. 但在动荷载作用下，锚杆产生过大变形不利于岩土体的稳定性，这就要求新型消能锚杆既具有良好的消能效果，也要求其变形具有可控性，进而有效地控制岩土体产生过大变形，防止边坡失稳破坏. 同时，在外部荷载消失后，上述消能锚杆的变形可恢复量有限，导致锚杆在经受多次动荷载作用后难以保持良好的抗震性，无法对边坡的岩土体进行长久支护.

本文通过文献调研与分析，对我国消能抗震锚杆的研发现状进行了归纳总结，就几种典型消能抗震锚杆技术工作原理及存在的主要问题做了简要分析. 基于此，本文参考抗震结构自复位性的特点提出了一种具有自复位结构的新型消能抗震锚杆的设计理念. 通过结构可行性分析初步认为，该消能抗震锚杆既可以在动荷载作用时实现快速响应、多级消能抗震的效果，又在外部荷载减小或消失时其消能部分具有变形自恢复的特点，可为强震区、爆破区及高地应力区的边坡、隧道、矿井巷道等工程持续提供有效的支护力，具有重要的工程意义.

1 消能抗震锚杆分类

通过对大量文献资料的查阅，目前，已经公开提出的可用于地下工程和边坡工程支护的抗震消能锚杆种类多样，这有力地促进了地下工程和边坡工程支护技术的发展及基础工程建设的顺利完成. 为了更充分地了解抗震锚杆技术，很多学者对其进行分类评述. 李晓军等（2015）从地下工程支护、城市基坑加固、腐蚀地质工程加固、软土地层工程加固、地下洞室抗爆以及边坡地震灾害治理等工程应用方面介绍了目前国内外的新型岩土锚杆（索）研发现状；郭泽洋等（2019）根据锚杆工作原理类型将可伸长让压锚杆分为结构滑移可伸长让压锚杆和杆体可伸长让压锚杆，又根据可伸长构件所在位置分类将锚杆分为孔内可伸长让压锚杆和孔外可伸长让压锚杆；王贺等（2020）从锚杆工作原理的角度将我国大变形锚杆设计方案划分为三大类，即结构型、材料本质型和其他类型，其中结构型又进一步可分为摩擦型、剪切型和活塞型. 上述文献从工程应用背景及工作原理出发，对锚杆进行了类型划分，在此基础上，本文根据锚杆在动力消散后是否具有有效的变形恢复功能，将消能抗震锚杆分为可自复位抗震锚杆和不可自复位抗震锚杆，其中，可自复位型锚杆根据其自复位的类型及工作原理可进一步分为结构恢复型和四种材料恢复型，如表1所示.

1.1　不可自复位型消能锚杆

不可自复位型锚杆主要是依靠锚杆材料或结构的大变形实现荷载作用下消能让压，如上述提到的Cone锚杆、Durabar锚杆、Roofex锚杆、Yield-Lok锚杆、D形锚杆、DC锚杆、H型杆体可延伸增强锚杆、恒阻大变形锚杆、拉压耦合大变形锚杆等各类让压/消能锚杆均属于不可自复位型锚杆，如图2所示. 由于这些锚杆受材料自身变形（图2a和2b）或结构变形（图2c、2d和2e）的限制，无法使锚杆在荷载消失后产生有效的变形恢复. 因此，该类型锚杆虽具有很好的大变形特点，可用于深部软岩支护工程中，但对于强震区、爆破区的岩体和高地应力区的硬岩支护工程中的适用性需开展进一步验证和研究.

1.2　可自复位型消能锚杆

1.2.1 材料型自复位锚杆

材料型自复位锚杆主要是指依靠材料自身变形实现荷载作用下消能、荷载消失后变形恢复的功能. 本节中，根据自复位部件类型，将材料型自复位抗震锚杆进一步分为4类，包括弹簧型、让压管/环型、托盘型和其他型.

（a）弹簧型自复位部件

图3是几种典型的弹簧型自复位锚杆. 消能部件为压缩型弹簧，且安装于锚头处，如高美奔等（2018）的可适应围岩变形锚杆和Zhang et al.（2021）的压力屈服消能锚杆，通过在锚孔口托盘外增加一个环形或叠层弹簧消能部件，当地下围岩或边坡岩体发生变形时受力挤压弹簧构件，弹簧发生压缩变形，进而达到消能效果，其杆体最大耗能变形量和支护力主要由杆体受力和弹簧的弹性压缩系数提供. 消能部件为拉伸型弹簧，且安装于锚孔内锚杆自由段内，如杜新国等（2018）研发的一种防拉断大变形锚杆，通过在锚杆的自由段安装由套筒、碟形弹簧和连接杆组成的消能装置，当地下围岩变形时，碟形弹簧首先发生拉伸变形消能，弹簧失效后连接杆维持锚杆拉力，以此来达到吸收围岩变形能量的效果. 消能部件为拉伸型弹簧，且安装于锚孔底部，如涂兵雄等（2019）提出一种变形自恢复锚杆，通过在锚孔底部设置由承压钢板、导向杆、高强钢弹簧、挤压钢板和圆筒组成的承压箱，当锚杆承受地震荷载时，通过高强钢弹簧的压缩能消耗冲击能，当地震波消散后弹簧自动回弹伸长，锚头变形自恢复. 由此可知，弹簧型自复位锚杆的消能部件多为高强弹簧，可布置于锚杆全长段任意位置，其受力特点表现为在荷载作用下，依靠弹簧的伸长或压缩变形来实现消耗能量，在荷载消失后，弹簧在自身弹性力的作用下会发生回弹，从而实现锚杆变形自恢复的效果，锚杆承受的往复荷载的能力取决于高强弹簧的刚度.

（b）让压管/环型自复位部件

图4为几种典型让压管/环型自复位锚杆. 刘进晓等（2014）和王爱文等（2017）提出的高强让压锚杆和让压式可伸长锚杆，其基本结构形式为在锚孔外侧安装金属让压管或塑料/橡胶让压管，地下围岩变形时让压管同时受挤压变形. 孙景涛（2017）提出了一种新型多级让压锚杆，该锚杆在锚头处设置了让压球和让压环，当锚杆受力增大时，让压环首先产生变形，当变形超过让压环的极限值后，让压球开始被压缩变形，从而起到多级消能作用. 冯晓巍等（2020）公开的一种变形吸能锚环和防止锚杆断裂弹射的锚杆支护装置及方法，该锚杆吸能部件为锚环，其外侧还有荧光带，即可观测出锚环变形幅度，预判锚杆受力大小，从而对潜在部位的骤然破断起到警示作用. 该类型自复位锚杆的消能性主要取决于让压部件的物理力学特性，如李兆霖等（2015）基于有限元软件Abaqus 研究了让压环的壁厚、中鼓外径、环口外径及高度对高强让压锚杆力学特性的影响，结果表明提高让压环的壁厚和高度，减小让压环的中鼓外径，可有效提高该锚杆的让压荷载和让压距离. 综上所述，该类型自复位锚杆的消能部件多为让压管、让压环和让压球，其受力特点表现为在荷载作用下，依靠这些消能部件的压缩变形来实现消能，在荷载消失后，随着岩体变形恢复，消能部件在自身弹性力的作用下会发生回弹，从而使得锚杆变形恢复.

（c）托盘型自复位部件

图5为几种托盘型自复位部件的基本结构形式，包括了吸能可变形锚杆托盘（姚金蕊等，2013）、让压锚杆托盘（常龙龙和李文胜，2016）、吸能抗震锚杆托盘（李鹏，2018）. 托盘型自复位部件通过在锚孔外侧安装各类不同材料或结构组成的托盘实现变形消能，消能材料件主要由中空梯形钢板、橡胶颗粒混凝土、橡胶颗粒、泡沫铝板、橡胶垫等材料组成. 其受力特点表现为在荷载作用下，围岩产生变形，依靠托盘的特殊材料或结构的压缩变形来实现消能，在荷载消失后，依靠托盘材料或结构弹性力的作用下实现锚杆的变形恢复.

（d）其他自复位部件

其他型自复位锚杆结构不同于上述3种类型，主要依靠弯曲或螺旋锚杆杆体的拉伸变形起到消能作用和一定程度的变形恢复效果. 如图6所示，本文中以两种锚杆为例，对该类型锚杆进行介绍. 图6a为刘锋珍等（2014）提出的一种组合让压型锚杆，该锚杆变形部件包括让压体段和让压壳两部分，当巷道围岩发生变形时，让压体段和让压壳分别发生变形实现双重让压作用，从而使得锚杆支护能够可靠地对围岩稳定承载，避免锚杆破断. 图6b为张开智和姬松涛（2014）研发的一种分段让压锚杆，该锚杆变形部件包括让压阀和螺旋杆体两部分，在高地应力巷道中，当围岩发生变形时，通过让压阀的压缩和螺旋杆体的拉伸来有效避免锚杆的拉断.

1.2.2　结构型自复位锚杆

图7为几种典型结构型自复位锚杆. 消能部件为套筒和楔形块体组成，可安装于锚头处，如李铀等（2007）研发了一种由开缝套筒和锥形楔体组成的适用于大变形支护的新型可伸长锚杆，通过锥形楔体挤压套筒，且在其内部滑移作用实现消能，室内和现场试验结果表明且以锚喷网的联合支护形式在巷道支护工程中取得了很好的支护效果，其在恒定锚固力下最大伸长量达60 mm；吴学震等（2012）提出一种由冷拔杆体、套筒和拔丝模组成的新型高强恒阻大变形锚杆，其受力特点表现为围岩发生变形时会对冷拔杆体产生拉力，由于拔丝模孔口内径小于冷拔杆体直径，二者间产生较大挤压力，冷拔杆在纵向拉力和横向压力的共同作用下，与拔丝模发生相对位移，缓慢拔出，其截面变小而长度增加，以此来实现恒阻连续变形的效果；与之类似，唐治等（2018）也研发了一种由吸能连接套筒、螺纹钢锚杆和尾部吸能装置组成的让位缓冲吸能防冲锚杆，且理论分析及室内冲击实验结果均表明该锚杆具有良好的抗冲击性，平均吸能阻力达到了140 kN（王爱文等，2017）. 此外，消能部件由锚固点和变直径杆体组成，可安装于锚孔内，如 Varden et al.（2008）研发了一种由光圆锚杆体、挤压锚节和螺纹套筒组成的摩擦型大变形锚杆，其受力特点表现为地下围岩膨胀变形导致光圆锚杆体发生拉伸变形，锚固节与光圆杆体的直径差，产生滑动摩擦阻力，可有效提高锚固力；随后，Wang et al.（2012）也提出了一种由拉拔模和拉拔杆组成的新型屈服锚杆，其受力特点表现为巷道围岩变形引起拉丝模和杆之间相对滑移，由于拉丝模的孔径小于拉丝杆的粗端，两者间产生挤压作用，拉伸力进一步增大导致拉杆被缓慢拉出，理论分析结果表明该锚杆具有较大的承载能力和变形能力，从而吸收大量能量保持地下硐室围岩的稳定性. 综合上述研究可知，结构型自复位锚杆的消能部件主要安装于锚头或锚孔内部，其消能结构部件的工作原理具有相似性，即通过消能部件内部装置和杆体结构间的变径挤压和相对滑移作用，以此来抵抗围岩变形，达到吸能效果，当外部荷载消失时，岩体变形恢复，作用在锚杆上的外力消失，由于楔形体直径与套筒内径差，楔形体在套筒的挤压下发生一定的变形恢复，从而实现变形自恢复的功能.

综上所述，前人提出的消能抗震锚杆在外力作用时，通过材料或结构的变形均能给岩体提供持续的支护力，以防止锚杆被拉断. 然而，通过对这些锚杆的结构及受力分析，发现其仍存在一些设计缺陷. 对于材料型自复位锚杆，当消能部件为弹簧、让压管/环、垫板，其变形有限，且仅依靠自身材料有限变形提供的弹性力，在荷载消失后无法实现较大变形恢复. 对于结构型自复位锚杆，从其消能结构可看出，滑移后的楔形结构之间接触区域不平整，在地震动荷载作用下，易发生磨损，难以变形恢复，且可恢复量有限，取决于楔形体的长度. 此外，两类锚杆的消能部件大多布置于锚孔外侧或锚孔底部，这种布置方式将导致锚杆锚头处难以封闭保护、施工复杂以及注浆影响消能部件发挥作用等问题.

2 存在问题

根据上述对现有消能锚杆的种类、工作机理及工程应用背景的分析可知，其种类较多，大多用于隧道、矿井巷道等地下工程，能够得以在强震区和爆破区地下工程和边坡工程中很好地应用推广的较少，究其原因主要有以下几点.

（1）现在消能锚杆存在诸多设计缺陷. 由材料型锚杆的消能部件和结构型锚杆的消能结构的工作原理可知，其无法同时满足荷载发生时快速响应、荷载消失后实现较大变形恢复. 两类锚杆的消能部件或结构大多布置于锚孔外侧或锚孔底部，这种布置方式将导致锚杆锚头处难以封闭保护、施工复杂以及注浆影响消能部件发挥作用等问题.

（2）不同荷载力学作用机制导致锚杆力学响应存在显著差异. 强震、爆破等动荷载下的边坡岩体不同于深部地下工程中的围岩，深部地下工程中的软岩和硬岩在高地应力条件下处于持续受力状态，而地震和爆破等是一个瞬时或短时间的动荷载，其力学作用机制的不同导致了锚杆力学响应特征的差异性. 因此，常用于深部围岩支护工程的消能锚杆是否适用于地震和爆破条件下的边坡工程支护，还需要进一步的验证.

（3）现有消能锚杆无法适应岩土体的动力变形. 现有消能锚杆通过可伸长让压来达到消能作用，但对于地震和爆破条件下的边坡工程，锚杆与岩体在动荷载下均产生变形后，由于岩土体被压密和部分裂隙闭合有一定的变形恢复，而锚杆伸长无法恢复，此时锚杆的支护力降低，近乎失效（涂兵雄等，2019；Ye et al.，2022）. 因此，对于边坡岩体而言，通过材料和结构伸长使得锚杆产生过大变形，以至于无法有效的变形恢复，反而不利于其稳定性.

3 一种自复位结构型消能抗震锚杆

3.1　自复位抗震锚杆构想

本文基于前人的研究，提出了一种自复位结构型抗震锚杆，其部件组成如图8 所示：包括螺母、锚杆杆体、托盘、垫板、消能部件以及锥形锚固结构. 根据施工时是否对锚孔扩孔，可分为3段：扩孔段1、扩孔段 2和锚固段. 扩孔段1主要用于放置消能部件，消能部件内部主要包括外套筒、高强碟形弹簧A、内套筒、高强环形弹簧 B及粘滞缓冲液，如图 9所示. 在外套筒和内套筒发生相对位移时，扩孔段 2提供足够多的滑移空间，实现第二阶段变形消能. 在锚固段杆体端部是锥形锚固结构，用于锚固段注浆锚固增大锚杆与锚固剂之间的抗拉拔力. 此外，粘滞缓冲液一方面可降低动荷载对消能部件的瞬时冲击作用，对内部构件起到保护作用；另一方面，粘滞缓冲液的粘滞性一定程度上可吸收部分能量，达到与高强弹簧协同抗震的效果.

3.2　新型抗震锚杆工作原理

图10为新型锚杆消能部件的工作原理图. 初始状态下，锚杆不受力，消能部件内部结构未发生相对滑移，处于静止状态；当动荷载作用于锚杆时，沿着锚杆轴向上开始产生轴力，锚杆和滑块相对内部套筒产生滑移，环形弹簧B可快速响应，发生拉伸变形，以此来吸收外部荷载的能量，该阶段为第I变形消能阶段；当作用于锚杆轴向上的轴力继续增大时，滑块到达内套筒的两端，达到最大位移，内套筒和外套筒发生相对滑移，内套筒进入扩孔段2，碟形弹簧A具有较高阻尼，可发生压缩变形，以此来达到消能作用，此时为第II变形消能阶段；当动荷载消失后，锚杆的轴向应力逐渐减小，消能部件内部在高强弹簧A、B的作用下，实现了锚杆的变形可恢复性. 由此可见，与现有锚杆技术相比，本文提出的新型消能锚杆以期具有阶段性变形消能和变形恢复的特性，有望应用于强震和爆破条件下的边坡支护工程.

4 总结

本文系统地介绍了传统消能锚杆的研发现状. 就几种典型具有变形可恢复性的抗震锚杆的工作机理做了分析，进一步总结了现有消能锚杆技术存在的主要问题. 并在此基础上，提出了一种具有自复位结构的多级消能抗震锚杆.

（1）现有消能抗震锚杆的类型：我国消能锚杆按其在荷载消失后是否具有可变形恢复性，可划分为可自复位型锚杆、不可自复位型两大类；其中，可自复位型锚杆根据其自复位部件的工作原理，即变形恢复依靠材料自身变形作用或结构间的挤压滑移作用，进一步分为材料型和结构型，而材料型依据其自复位部件的类型又可进一步分为弹簧型、让压管/环型、托盘型和其他型4个亚类.

（2）现有消能锚杆技术研究存在的问题：可自复位锚杆中，材料型锚杆依靠自身变形和结构型锚杆依靠内部结构变形虽能够在一定程度上实现锚杆在动荷载消失后变形恢复的效果，但受目前材料或结构变形的限制，两类型锚杆都难以达到有效变形恢复的效果. 因此，进一步优化锚杆材料和结构以及采用更多手段验证其适用性是今后该类型锚杆的重点研究方向.

（3）新型消能抗震锚杆的设计理念：地震和爆破等动荷载力学作用机制不同于静荷载，锚杆力学响应特征存在显著差异. 结合抗震结构自复位特点，提出一种具有自复位功能的新型消能抗震锚杆. 根据结构可行性分析，发现该新型消能抗震锚杆既可以实现动荷载作用下快速响应和多级消能的效果，又具有在外部荷载减小或消失时可变形恢复的特点. 因此，该锚杆可为强震区、爆破区及岩爆区的边坡、隧道、矿井巷道等工程持续提供有效的支护力，具有重要的工程意义.

需要说明的是，基于前人的研究，本文提出一种具有变形自复位特性的消能抗震锚杆. 目前，相关数值工作已经开展，初步验证了其静动力学特性，也将开展大型振动台模型试验，进一步验证其在强震作用下锚固边坡的加固效果，探索其动力响应规律，揭示其地震动力下锚固机理，以期在实际边坡工程中推广应用.

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基金资助

国家重点研发计划项目(2019YFC1509702)