一种新型倒刺锚杆创新研究

1.引言

锚杆一般由放置于孔道的直粗钢筋和后注浆体构成，其承载力主要取决于三方面：锚杆钢筋的受拉能力、注浆体和孔壁的粘结能力、锚杆钢筋和注浆体之间的粘结能力[1]。在锚杆材质和直径确定即确定锚杆受拉能力的情况下，如何提高注浆体和孔壁的粘结能力以及锚杆钢筋和注浆体之间的粘结能力是提高锚杆承载能力的关键，其中注浆体和孔壁粘结能力更为关键[2][3][4]。倒刺锚杆正是针对解决这一问题而提出。

2.倒刺锚杆结构构造

创新发明了一种新型的倒刺锚杆，由母体锚杆和子体倒刺构成，母体锚杆一般采用HRB400 或HRB500 粗钢筋，子体倒刺为四周带有外扩薄片如倒刺的中空结构，可以通过内置螺纹和母体锚杆螺纹连接固定，也可通过焊接和母体螺杆连接。子体倒刺沿母体锚杆成一定间距布设。成孔后锚杆放入时，倒刺结构的外扩薄片在孔壁约束下，呈微收缩状态紧贴孔壁滑动，到达预定位置后，锚杆在向外拉力作用下，由于孔壁表面呈凹凸糙面，倒刺外扩薄片会顶住孔壁，如果孔壁为硬质岩石，外扩薄片和孔壁之间则为硬接触关系，如果孔壁为软质岩石或土质，外扩薄片则会刺入孔壁，扩大作用范围，提高承载力。倒刺结构典型的构造示意图间图1、图2所示。倒刺和锚杆组合拼装图见图3、图4所示。CAD 尺寸图见图5所示。

Figure 1.Round barbed structure图1.圆型倒刺结构

Figure 2.Square barbed structure图2.方型倒刺结构

Figure of round barb and anchor图3.圆形倒刺与锚杆组合

Figure of Square barb and anchor图4.方形倒刺与锚杆组合

Figure dimension drawing of square barbed anchor (Units：mm)图5.方形倒刺锚杆几何尺寸图(单位：mm)

3.倒刺锚杆承载性能研究

3.1.计算模型

物理力学模型模拟问题涉及大变形、接触高度非线性问题，采用平面应变单元进行分析，模拟倒刺锚杆插入岩孔、拔出岩孔全过程，物理力学模型尺寸见图6所示。

Figure drawing of physical and mechanical model (Units：mm)图6.方形倒刺锚杆几何尺寸图(单位：mm)

采用ABAQUS 软件建立数值计算模型，如图7所示。模型物理力学参数见表1所示[5]。

模型尺寸：倒刺外扩薄板、锚孔凹凸转折处为了提高分析精度，防止接触面发生侵彻问题，细分单元，其大小为1 mm×1 mm 左右，锚杆杆体单元边长大小为5～10 mm 左右，锚孔孔壁外扩300 mm 为岩体，由孔壁向外逐渐放大单元尺寸。

材料本构关系：倒刺采用高强钢弹性本构，锚杆采用四级钢弹性本构，孔壁岩体采用微风化花岗岩岩体弹性本构。

相互作用：倒刺外扩薄片钢和孔壁之间为接触关系，切向摩擦系数为0.6，法向接触为硬接触。孔内注浆体和孔壁之间为绑定约束。

边界条件：孔壁岩体外侧为水平约束和竖向约束，倒刺锚杆轴线水平竖向约束。

载荷：倒刺锚杆根部施加水平向左的强迫位移，即向左插入岩体1000 mm，然后向右外拉200 mm。

Figure 7.Model unit division图7.模型单元划分

Table mechanics indicator表1.物理力学指标表g/mm3 弹性模量MPa 泊松比倒刺 7.85 2.0E5 0.3锚杆 7.85 2.1E5 0.3孔壁岩体 2.6 3.5E4 0.2

3.2.工况——不考虑注浆时插入与拔出承载力分析

倒刺锚杆初始位置距离锚孔端部62.5 mm，向左插入937.5 mm。不同时刻的锚杆和孔壁位置关系及应力云图见图8～10 所示。

Figure relation and Mises stress nephogram of inserting anchor hole 62.5 mm图8.插入锚孔62.5 mm 的位置关系及Mises 应力云图

Figure relation and Mises stress nephogram of inserting anchor hole 615 mm图9.插入锚孔615 mm 的位置关系及Mises 应力云图

Figure relation and Mises stress nephogram of inserting anchor hole 937.5 mm图10.插入锚孔937.5 mm 的位置关系及Mises 应力云图

由图8～10 可以看出，在倒刺锚杆插入的过程中，倒刺外扩薄钢板始终和孔壁接触，当倒刺外扩薄钢板处于孔壁凸起部位时，Mises 应力最大，可达279.8 Mpa，当倒刺外扩薄钢板处于孔壁凹入部位时，Mises应力最小，为21.9 Mpa。

向外拔出的过程见图11所示。

Figure 11.Mises stress nephogram of anchor during external tension图11.锚杆外拉过程中Mises 应力云图

由图11可以看出，由于孔壁假定为理想的硬面，且凹凸处进行了倒角光滑处理，倒刺锚杆在外拉过程中，并未发生“卡住”计算不收敛等问题，带有一定切向摩擦的法向光滑接触导致了外拉过程中倒刺锚杆外扩薄钢板不断收缩、扩张，同时其Mises 应力也发生相应的变化，变化区间为61.2～333.1 Mpa。

文章来源：《中国腐蚀与防护学报》 网址: http://www.zgfsyfhxb.cn/qikandaodu/2021/0209/529.html