CN111356819B - 岩石锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无套筒能量吸收岩石锚杆。岩石锚杆的第一端被构造成有助于将锚固组合物混合和/或将岩石锚杆锚固在岩石中。岩石锚杆包含锰合金钢，并且在静态载荷条件下，在其屈服点之后表现出负载能力的增大和位移的增加，直到达到岩石锚杆的断裂或失效点。

Description

岩石锚杆

技术领域

本发明涉及一种用于采矿和隧道作业(包括土木工程应用，例如岩土工程应用和/或建筑物的抗震设计)的岩石锚杆。

背景技术

常规岩石锚杆按其锚固机理分为三种类型：

1.两点固定机械锚杆

2.全封装钢筋锚杆

3.摩擦锚杆

常规机械锚杆对于稳定大型岩石的形变并不是最可靠的。全封装/灌浆钢筋锚杆与灌浆/环氧树脂和岩石熔融，肋条形成与灌浆或树脂的连接。钢筋坚硬但刚性-它具有较高的负载能力，但无法承受大的岩石形变，并且不太可能在大于2-3厘米的形变中幸免(Kabwe和Wang，2015)。顾名思义，摩擦岩石锚杆通过锚杆的壁面和柱形面与岩石相互作用(例如Swellex^TM或Omega^TM锚杆)。它们能承受大的岩石形变，但负载能力较低。例如，标准管缝式锚杆只能承受约50kN的载荷。

钢筋和管缝式锚杆因此是低能量吸收装置，并不最适合于在深矿井中使用，深矿井更容易受到地震活动的影响并且需要支撑件，这些支撑件能够承受高载荷(在发生失效之前吸收大量能量)且能够承受大的形变以避免落石和伴随的致命事故。

下面将讨论一些已知的现有技术：

CN203962010U公开了一种锚杆，其包括杆体和固定组件，其中，固定组件是由高锰钢形成的锚杆。在这些锚杆或其零配件中使用高锰钢的原因尚未公开，但似乎是由于其特有的韧性。其构造复杂。CN203962010U还特别地包括用作脱离装置的套筒，这证实了使用锰钢是因为其韧性而不是因为其形变特性。

CN204080802U公开了一种用于护坡的锚杆，其包括粗糙不锈钢或高锰钢制成的圆形锚杆。它的构造也很复杂。高锰钢用于这些锚杆或其零配件的原因也未披露，但似乎还是因为其韧性。CN204080802U包括一个柔性牵引绳索，当坡度发生变化时，该牵引绳索似乎起到了脱离装置的作用，这证实使用锰钢是因为其韧性，而不是因为其形变特性。

WO2012126042A1公开了一种可充气的摩擦锚杆。锚杆的中央部分由通常由高锰钢制成的可充气主体限定。高锰钢的塑性被用来加大直径，因此增强了摩擦阻力。在岩石锚杆(通常称为摩擦岩石锚杆)中应用摩擦阻力的方法与在本发明中使用锚杆的方法根本不同。

Li(Li，2010)提出，在易受大的形变影响的岩体中使用的理想的能量吸收锚杆应表现出图1的图表(Kabwe和Wang，2015)中所示的特性。这说明理想的能量吸收锚杆应具有高的负载能力和大的形变/位移的能力。

各种能量吸收岩石锚杆的性能和结果在说明书中，分别如图2和3所示，以便于参考(Kabwe和Wang，2015)。

在Kabwe和Wang的研究中，性能最好的锚杆是D-锚杆(US8,337,120)，其通过充分调动锚杆钢的强度和形变能力来吸收能量。如本文中的图4和图5中的图表所示，D-锚杆的静态和动态负载能力相似(Li，2014)。该研究中的其他锚杆基于锚杆滑动的机制进行形变，无论是在灌浆中(锥形锚杆或yield-lok^TM)或通过锚(Garford和Roofex锚杆)。基于滑动的锚杆在图6、7、8和9中的图表中示出，其极限动态载荷低于静态载荷(Li，2014)。

D-锚杆包括微合金碳钢，并由光滑的钢筋构成，多个锚固段(桨叶)沿该钢筋的全长重复布置。尽管钢材是根据屈服强度、极限抗拉伸强度(UTS)和延伸率的最佳组合选择的，但它是碳钢，并未具体说明锰。

碳钢中最重要的缺陷(在很小的尺度上)是位错。位错可以看作是晶体结构两个完美区域之间的扭曲边界或线缺陷造成的结果。这些位错通过叫做滑移(位错滑移)的过程协助钢的形变。在没有这些位错的情况下，需要更大的力来引起钢的形变。

在碳钢的拉伸测试(当施加拉伸载荷时)中，当应力达到临界水平时，测试中的试样最薄弱的部分(沿标距长度上的某处)将发生塑性形变。拉伸负载下的局部延伸将导致同步的区域收缩，使得该位置的真实局部应力高于标距长度上的任何其他位置。因此，预计所有附加形变都将集中在这一应力最大的区域。这是在理想的塑性材料的情况。然而，对于普通材料，这种局部塑性形变应变会使材料变硬，从而使其更能抵抗进一步的损伤。此时，施加的应力必须增加，以在沿标距长度第二最薄弱的位置产生额外的塑性形变。在这里会再次发生材料应变硬化，并且该过程会继续。在宏观尺度上，标距长度均匀地延伸并且横截面积减小。随着载荷的增加，材料的应变硬化能力耗尽，局部区域收缩不再能通过相应增加材料强度来平衡，就达到了一个临界点。在该最大载荷下，由于应力随着实际收缩而不断增加，即使施加的载荷因试样在颈区外的弹性载荷卸载而减小，进一步的塑性形变也会出现在缩颈区内。最终缩颈区会断裂。

因此，本发明的目的是提供一种改进的能量吸收锚杆或屈服锚杆，其在加载开始时表现出刚性行为，以及高强度和卓越的形变特性，使得本发明的岩石锚杆能够克服或缓解与碳钢岩石锚杆相关的问题，并且使得本发明的岩石锚杆能够比现有技术的岩石锚杆表现更好。这种锚杆将有助于对抗失稳问题，例如高应力诱发的失稳问题，包括深矿井常见的岩爆和岩石挤压。

在本说明书中，位移被定义为直径的均匀减小而不会沿着岩石锚杆的整个位移区域缩颈或断裂，其通常是锚杆的光滑杆区域。

参考文献

-Li,C.C.(2010)A New Energy-Absorbing Bolt for Rock Support in HighStress Rock Masses.International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,47,396-404.http://dx.doi.Org/10.1016/i.iirmms.2010.01.005.

-Kabwe,E.and Wang,Y.(2015)Review on Rockburst Theory and Types ofRock Support in Rockburst Prone Mines.Open Journal of Safety Science andTechnology,5,104-121.http://dx.doi.org/10.4236/oisst.2015.54013.

-Li CC,et al.A review on the performance of conventional and energy-absorbing rockbolts.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering(2014),http://dx.doi.oro/10.1016/i.irmge.2013.12.008.

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种无套筒能量吸收岩石锚杆，该岩石锚杆的第一端被构造成有助于将锚固组合物混合和/或将岩石锚杆锚固在岩石中，其特征在于，岩石锚杆包含锰合金钢，并且在静态负载条件下，在其屈服点后，表现出负载能力的增大和位移的增加，直到达到岩石锚杆的断裂点或失效点。

岩石锚杆的第二端被构造成接收固定装置，该固定装置用于将岩石锚杆的第二端相对于岩石表面进行固定。

在静态载荷条件下，负载能力基本是线性增大的。

在静态载荷条件下，岩石锚杆的极限拉伸强度和断裂点基本一致。

在动态负载条件下，达到其屈服点后，岩石锚杆的负载能力和位移增大直至达到某个点或阈值，在该点或阈值处，岩石锚杆第一端从锚固组合物脱离或者从用于将第一端锚固在岩石中的锚固点脱离。当第一端脱离时，锚杆开始相对它的四周犁行或拖行，其继而吸收更多的能量。

本发明的岩石锚杆在静态或动态负载条件下所表现出的负载能力的增加和位移的增大远超过行业标准。

岩石锚杆的动态负载能力大于其静态负载能力。

且在本发明优选的实施方式中，其构造还包括一个或多个加工硬化区，其间的区域限定了位移区或形变区，在突然的动态载荷或静态载荷的影响下，其沿着位移区的长度瞬时从锚固组合物中脱离。

在本发明优选的实施方式中，位移区为未加工硬化的光滑杆(smooth bar)区域。光滑杆区域沿其长度均匀且即时地形变，在施加一系列冲击后，形变即时地且均匀地延伸，对于所受到的每一次冲击，延伸量逐渐变小。

在优选的实施方式中，用于制造岩石锚杆的钢的锰含量在10％到24％的范围内。进一步优选地，用于制造岩石锚杆的钢的锰含量在10％到18％的范围内。最佳地，使用的锰含量约为17％。

岩石锚杆的构造包括两个加工硬化端部区域和其间的光滑杆区域，该构造特别地构造成被使用于具有上述锰含量的岩石锚杆。

由任何其他材料或材料组合制成的岩石锚杆(其具有如上所述的相同构造)将不会达到与本发明的岩石锚杆相当的成功水平。例如，由于碳钢的特性，具有相同构造的碳钢岩石锚杆不会取得与本发明的岩石锚杆相同的成功。

锰合金钢是一种相变诱导塑性钢，在钢的形变过程中亚稳态奥氏体转变为马氏体。钢的机械性能是钢的相变诱导可塑性的结果，其导致加工硬化率的提高，推迟颈缩的开端，并具有良好的可成型性。

在锰合金钢中，亚稳态奥氏体不仅发生塑性形变，而且在拉伸载荷作用下转变为更稳定的α’-马氏体。钢的特殊机械性能与应变诱导相变直接相关。在机械形变过程中会发生特殊的加工硬化和相变。钢的形变是由滑移或位错滑移(如上所述)和马氏体的二次转变共同作用下发生的。由于相变而形成的马氏体片用作平面障碍物，并缩短了位错滑移的平均自由路径。位错堆积在这些面缺陷和基体之间的界面处，并引起显著的阻碍类似位错进度的背应力。这些面缺陷引起的显著加工硬化延迟了局部颈缩，并导致线性位移增加。

就像在许多其他工业应用，(例如“装载箱”或诸如工程机械(yellow machinery)的齿/爪的磨损部件)中使用锰一样，在现有技术的岩石锚杆中使用锰，是因为锰很坚硬并且在连续和重复冲击下加工硬化。据申请人所知，这是首次应用指定的锰含量以协助制造固定用机械岩石锚杆、钢筋锚杆和/或屈服锚杆，其所表现出的能量吸收和位移特性均超过岩石锚杆的行业标准。

加工硬化区包括在第一端处形成的一个或多个浆叶以有助于锚固组合物混合且为与组合物的结合提供更大的表面积。在第二端处，加工硬化区包括形成在杆上用于附接固定装置的螺纹。

固定装置优选为螺母形式，其中岩石锚杆的第二端开设螺纹以接收螺母以便将支承板相对于岩石表面固定。

锚固组合物优选为树脂灌浆。树脂灌浆可包括树脂囊。锚固组合物可以是凝胶灌浆。

岩石锚杆可被机械锚锚固，其中岩石锚杆的第一端构造有机械锚。该锚可包括胀壳。当在岩石锚杆第二端的方向上发生静态或动态岩石运动(岩石为向下运动)时，岩石锚杆的拉伸载荷可被提高。岩石锚杆拉伸载荷的提高导致岩石锚杆未被加工硬化的光滑杆区域的位移，其继而导致岩石锚杆的直径减小。

所导致的位移和直径的减小自然地破坏了在光滑杆区域中所述岩石锚杆和树脂间的结合。岩石锚杆直径的减小导致岩石锚杆在光滑杆区域长度上的加工硬化，其继而增加上述区域中岩石锚杆的拉伸能力，从而随着位移以及直径的减小而增大岩石锚杆的拉伸能力。

岩石锚杆的剪切强度随着拉伸能力的增大而增大。

岩石锚杆直径的缩小和所导致的岩石锚杆拉伸能力的增强通常沿着岩石锚杆的长度在岩石锚杆的螺纹端和异形端之间(即光滑杆区域)发生。

在不同的应用情况下，为了达到岩石锚杆更优的拉伸能力和位移，岩石锚杆的长度和直径是可变的。

鉴于其独特的强化和位移特性，岩石锚杆吸收的能量远大于传统钢制岩石锚杆吸收的能量。

岩石锚杆的动态负载能力可达到556kN。

当在岩石锚杆上多次施加且停止施加静态载荷时，载荷保持不变且锚杆上的载荷没有减小。

附图说明

现在将参见以下非限制性附图来描述本发明，其中：

图1是示出了相对于其他现有技术中岩石锚杆性能的“理想”岩石锚杆性能的曲线图；

图2是示出了多个现有技术的岩石锚杆的位移特性的曲线图；

图3是示出了在拉伸负载测试中，现有技术的岩石锚杆和D-锚杆的负载位移的曲线图；

图4是示出了D-锚杆岩石锚杆的静态拉伸测试结果的曲线图；

图5是示出了D-锚杆岩石锚杆的动态测试结果的曲线图；

图6是示出了Roofex岩石锚杆的静态拉伸测试结果的曲线图；

图7是示出了Roofex岩石锚杆的动态测试结果的曲线图；

图8是示出了Yield-Lok^TM岩石锚杆的静态拉伸测试结果的曲线图；

图9是示出了Yield-Lok^TM岩石锚杆的动态测试结果的曲线图；

图10是安装在岩石中的屈服岩石锚杆的平面图；

图11是岩石锚杆伸长主体的异形端的放大视图；

图12示出在本发明岩石锚杆的第一批静态测试中对样品A-D进行的直接拉伸测试的结果；

图13示出在本发明岩石锚杆的第一批静态测试中对样品D进行的直径测量值；

图14是描述了本发明岩石锚杆在第一批静态测试的直接拉伸测试中观察到的样品A的典型形变载荷或曲线的曲线图。

图15示出了本发明岩石锚杆的第二批静态测试中对5个样品(样品2-6)进行的双重嵌入测试的结果；

图16是描述了本发明岩石锚杆在第二批静态测试的双重嵌入测试中观察到的样品5的典型形变载荷或曲线的曲线图；

图17示出了本发明岩石锚杆的第二批静态测试中对3个样品(样品7-9)进行的直接拉伸测试的结果；

图18是描述了本发明岩石锚杆在第二批静态测试的直接拉伸测试中观察到的样品9的典型形变载荷或曲线的曲线图；

图19示出了在第一批静态测试中本发明岩石锚杆样品所吸收的能量；

图20示出了本发明岩石锚杆在双重嵌入测试中5个被测样品所吸收的能量；

图21示出了本发明岩石锚杆在直接拉出测试中3个被测样品所吸收的能量；

图22是描述了测试1的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图23是描述了测试2的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图24是描述了测试3的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图25是描述了测试4的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图26是描述了测试5的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图27是描述了测试1至5的结果的列表，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的岩石锚杆样品进行的动态落锤测试；

图28是描述了测试6的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至拼合管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图29是描述了测试7的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至拼合管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图30是描述了测试8的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至拼合管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图31是描述了测试9的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至拼合管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图32是描述了测试10的结果的曲线图，测试为对本发明中被灌浆至拼合管中的样品岩石锚杆进行的动态落锤测试；

图33的图表示出了测试6至10的结果，测试为对本发明中被灌浆至连续管中的岩石锚杆样品进行的动态落锤测试；

图34是描述了测试11的结果的曲线图，测试为在测试1后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图35是描述了测试12的结果的曲线图，测试为在测试11后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图36是描述了测试13的结果的曲线图，测试为在测试12后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图37是描述了测试14的结果的曲线图，测试为在测试2后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图38是描述了测试15的结果的曲线图，测试为在测试14后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图39是描述了测试16的结果的曲线图，测试为在测试15后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图40是描述了测试17的结果的曲线图，测试为在测试16后对岩石锚杆进行的第五次落锤测试；

图41是描述了测试18的结果的曲线图，测试为在测试3后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图42是描述了测试19的结果的曲线图，测试为在测试18后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图43是描述了测试20的结果的曲线图，测试为在测试19后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图44是描述了测试21的结果的曲线图，测试为在测试4后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图45是描述了测试22的结果的曲线图，测试为在测试21后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图46是描述了测试23的结果的曲线图，测试为在测试22后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图47的图表示出了测试11至23的结果，测试为对被灌浆至连续管的岩石锚杆样品进行的动态多次落锤测试；

图48是描述了测试24的结果的曲线图，测试为在测试8后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图49是描述了测试25的结果的曲线图，测试为在测试24后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图50是描述了测试26的结果的曲线图，测试为在测试25后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图51是描述了测试27的结果的曲线图，测试为在测试9后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图52是描述了测试28的结果的曲线图，测试为在测试27后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图53描述了测试29的结果的曲线图，测试为在测试28后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图54是描述了测试30的结果的曲线图，在测试10后对岩石锚杆进行的第二次落锤测试；

图55是描述了测试31的结果的曲线图，测试为在测试30后对岩石锚杆进行的第三次落锤测试；

图56是描述了测试32的结果的曲线图，测试为在测试31后对岩石锚杆进行的第四次落锤测试；

图57是描述了测试33的结果的曲线图，测试为在测试32后对岩石锚杆进行的第五次落锤测试；

图58的图表示出了测试24至33的结果，测试为对被灌浆至拼合管的岩石锚杆样品进行的动态多次落锤测试；

图59是示出了颈缩对岩石锚杆的影响，且示出了本发明锰合金钢直径的均匀减小的图；以及

图60是示出了典型的现有技术中的岩石锚杆和本发明中的岩石锚杆(也被称作Corbett锚杆)的负载能力和位移的特性的曲线图；

图61是示出了岩石锚杆的锚犁行经过锚固组合物所产生的影响的曲线图；以及

图62是示出了对本发明的岩石进行动态载荷测试时使用的工作站的简图。

具体实施方式

本领域技术人员应该理解，在不背离本发明所描述的范围的情况下，有可能存在本发明及其特征的各种替代实施例或构造或改编。因此，在不脱离本发明范围的情况下，可以对所描述的岩石锚杆进行修改，使得其可以在其他行业中使用或应用，以辅助和改善加固。因此，适用于本发明的术语“岩石锚杆”可以用来描述类似的锚杆，其被使用或被改编用于土木工程应用，例如岩土工程应用和/或建筑物的抗震设计等。因此，这样的锚杆可以被锚固、嵌入、安装或以其他方式固定在其他环境、或其他材料的主体/体积中。

参见图10，屈服锚杆(10)包括螺纹端(16)，其被构造成接纳螺母(18)和支承板(20)，并且构造有变形的浆叶或异形端(22)。岩石锚杆(10)由锰合金钢制成且包含锰合金钢。用于制造岩石锚杆的钢的锰含量优选在10％到24％的范围内，更优选在10％到18％的范围内，或最优选17％。

岩石锚杆(10)用树脂灌浆(12)安装在钻孔(14)中。安装时，如图11所示的异形端(22)与树脂(12)混合，从而将岩石锚杆固定到岩石(24)上。接着，将螺母(18)拧紧在支承板(20)上，继而拧紧在岩石(24)上。这将在支撑岩石(24)的岩石锚杆(10)上引入拉伸载荷。

在岩石(24)沿支承板(20)的方向发生了静态或动态运动(即岩石(24)向下运动)的情况下，岩石锚杆(10)上的拉伸载荷将增加。这导致了岩石锚杆(10)的锰合金钢的位移。岩石锚杆(10)的位移使岩石锚杆(10)的光滑杆区域(26)中的锚杆(10)直径减小，这同时破坏了在沿着岩石锚杆(10)的光滑杆区域(26)的长度上的岩石锚杆(10)和树脂(12)之间的结合。

岩石锚杆(10)包括一个或多个加工硬化区(22，16)，其间限定出光滑杆区域(26)的长度。加工硬化区(22，16)包括在第一端形成的变形的浆叶(22)，以促进树脂(12)的混合并提供更大的表面积以与树脂结合，而在岩石锚杆(10)的第二端上，加工硬化区包括形成在杆上的螺纹(16)，以用于附接支承板(20)和螺母(18)。在突然的动态载荷或静态载荷的影响下，沿着光滑杆区域(26)的长度，光滑杆区域(26)瞬间与树脂(12)脱离。如果施加或经受连续的冲击，光滑杆区域会随着每次冲击而形变且其直径均匀减小，但是随着每次所受到的冲击延伸量逐渐变小。在动态载荷条件下，岩石锚杆的承载能力和位移增加，直到达到一个点或阈值，在该点或阈值处，岩石锚杆的第一端从锚固组合物中脱离，或者从用于将岩石锚杆的第一端锚固在岩石中的锚固点脱离。当发生这种情况时，第一端开始进行锚犁行，并且岩石锚杆的第一端或锚固区被拖曳犁过周围的岩石和/或树脂，周围的岩石和/或树脂在拉出岩石锚杆的过程中吸收能量。锚犁行的效果如图61所示。

由于上述原因，岩石锚杆(10)不需要采用任何额外的脱离装置，例如套筒或蜡层，以确保岩石锚杆和树脂之间的脱离。由于除了螺母(18)和支承板(20)之外没有使用活动部件或机械附件，因此岩石锚杆(10)也更容易安装。

该过程将沿着岩石锚杆(10)的螺纹端(16)和岩石锚杆(10)的异形端(22)之间的光滑杆区域(26)持续进行。

具有两个加工硬化端部区域和其间的光滑杆区域的岩石锚杆的构造被特别构造为使用上述锰含量制造。由任何其他材料或材料组合制成的岩石锚杆(其具有如上所述的相同构造)将不会达到与本发明的岩石锚杆相当的成功水平。例如，由于碳钢的特性，具有相同构造的碳钢岩石锚杆不会取得与本发明的岩石锚杆相同的成功。

静态测试

在第一批测试中，对由锰合金(Mn-合金)钢制成的2米长锚杆进行了直接拉伸测试。这是为了确定短标距长度测试的可扩展性，并为锚杆被利用树脂灌浆到模拟孔中时锚杆性能建立基线。

为第一批测试准备了试样。这些样品包括直径为25毫米的锰合金钢的光滑杆区域，该区域被切成2m的长度，并在每个端部设置150mm的螺纹，以夹持在测试机中。剩下的测试标距长度为1700mm。

在科学与工业研究理事会(CSIR)的机械工程实验室中使用Mohr&Federhaff500吨的直接拉伸测试机进行拉伸测试。手动控制将机器调到所需的形变速率。自动采集与载荷和形变有关的数据并直接以数字形式存储。

在134(±2)mm/min下对第一批测试中的样品A进行测试。对于测试样品B-D，这减少到90mm/min，以便获得与测试全长常规岩石锚杆时获得的大致相同的应变率。

在第一批测试中，将两个螺母拧紧在锚杆的两端，然后将其安装在测试机上，以便通过螺母将拉伸载荷传递到锚杆上。参见图12，每个锚杆在其全长上均匀位移。对于样品A-C，位移在被破坏前一直稳定增加。参见图13，将样品D的载荷加载至100千牛顿(kN)，并在三个点(位置1至3)处测量直径时保持该载荷。位置1和3在位置2的两侧约500mm处，位置2大约在锚杆的中心部位。在200kN和300kN的情况下重复测量直径。测试在350kN停止，样品卸荷，以便在完整的锚杆上测量载荷后的位移和直径的减小。从350kN(其大约是失效载荷的90％)卸载后，长度和直径都有很小的恢复，但是大部分形变是永久的。当负载停止在100、200和350kN时，载荷没有下降。每个锚杆样品的螺纹都失效了。到达350kN时，在标距长度上均匀地发生约2毫米的直径减小，没有“缩颈”迹象。图59描述了颈缩对岩石锚杆的影响，并描述了上述均匀减小的直径。参见图14中的图表，当直接拉伸测试样品A的力超过180kN时，位移(单位：mm)随着力或载荷的增加而基本上均匀地增加。最大位移约为300mm。

在第二批测试中，对2.15m长的锚杆进行了拉伸测试，并将其灌浆到厚壁钢管中，以模拟岩石锚杆灌浆到岩石中的孔中。第二批测试分为如下所述的“双重嵌入”和“直接拉伸”测试。

以下测试样品是为第二批测试准备的：a.锚杆，其包括由锰合金钢构成的25mm的光滑杆区域，在其最后350mm内形成有变形的浆叶，其中变形的高度为29mm，另一端为150mm的螺纹。锚杆在屈服段上没有任何脱离层。安装前，清洁每个锚杆的锚固端。b.钢管，长2米，外径50毫米，内径36毫米，每端最后350毫米加工成粗内螺纹。每根管的一端通过焊接一个钢帽进行密封。c.树脂囊，直径32mm，长度600mm，设置时间60秒，位于管的后部，直径32mm，长度900mm，设置时间5-10分钟，用于长度平衡。

锚杆安装在树脂试验室安装测试台上。安装参数为：a.转速：250-300rpm，左手；b.给进量(即锚杆安装速度)：21s/m，从安装开始到旋压结束共45秒。

每次安装以后，将制备好的样品放在安装台上1分钟，使树脂硬化，其后取出。安装在测试两天前进行，因此树脂有48小时的固化时间。第一次安装失败，因为锚杆滑入安装装配卡盘的卡爪中。其余9个的安装是一致并且成功的。

安装后，通过在距锚固端1150mm处沿周向分割管道，进一步地制备5个样品，以进行“双重嵌入”测试。

对于双重嵌入测试，在每个锚杆的外露的锚杆螺纹上安装一个小型平板，并将螺母拧紧到管的末端。这模拟了地下安装中垫圈板的作用。拼合管的每一端都被夹在测试机上的夹持卡爪中。然后将管的两部分拉开，模拟岩石中连接处的形变。

参见图15，锚杆在测试的5个样品中表现一致。树脂锚端均未被破坏。锚杆的钢从周围的树脂上脱离，并沿整个测试标距长度均匀移动。所有锚杆的位移至少达到380mm，峰值载荷超过370kN。失效发生在螺纹上或管内，靠近第一个变形的浆叶构造。

参见图16中所示的图表，当力或载荷增加到200kN以上时，样品5的位移基本均匀地增加。所获得的最大位移为大约400mm。

对于直接拉伸测试，每根管的锚端被夹持卡爪夹住，锚杆的自由端由测试机拉出。参见图17，每个锚杆的位移与双重嵌入测试相似。锚杆从树脂中脱离且锚杆自由端从管中拉出至少350mm。没有一个树脂锚端被破坏。

参见图18所示的图表，当力或载荷增加到200kN以上时，样品9的位移基本上均匀地增加。所获得的最大位移为大约400mm。

测试确定了当与用于将锚杆灌浆到岩石中的树脂囊一起使用时，岩石锚杆形成一个非常成功的屈服岩石锚杆系统。

如图60所示，鉴于其独特的强化和位移特性，岩石锚杆吸收的能量比传统钢岩石锚杆吸收的能量要多得多。值得注意的是，由于Corbett锚杆进入市场，理想的标准可能会发生变化，其显示出更优的特性和更好的性能，并变得更强继而取代。

参见图19，当进行第一批测试时，吸收的能量在75到99kJ之间。吸收的能量被略微低估了，因为载荷-形变曲线下的面积近似为矩形和三角形，其均位于实际曲线的内部。

如图20所示，在双重嵌入测试中测试样品吸收的能量在107至118kJ之间。参见图21，直接拉出测试中吸收的能量在103至111kJ之间。

进一步地，埋入树脂中锚杆所吸收的能量始终高于单独的锚杆，尽管埋入锚杆的屈服部分较短。这表明锚固部分的形变有助于能量吸收和/或锚杆与树脂之间的相互作用也有助于能量吸收。如果使用水泥灌浆或锚固机构(例如胀壳)，也同样能够适用。

动态测试

动态测试不同于静态测试，动态测试通过对岩石锚杆施加更大更快的冲击载荷来研究岩石杆的负载能力和形变，以测试在岩石快速移动条件下岩石锚杆的性能。另一方面，静态测试测试在被看作是岩石缓慢移动条件下岩石锚杆的性能。

波兰格洛尼仪器公司(Glowny Instytut Gornictwa，缩写“GIG”)测试和校准实验室(机械设备测试实验室)对本发明的岩石锚杆进行了动态落锤测试。进行该测试的目的是在冲击能量(E)值为50.85kJ，冲击速度(v)为6.0米/秒(m/s)的情况下，检查岩石锚杆对动态载荷的抗阻。上述值为岩石锚杆典型的工业测试标准。

测试中岩石锚杆的长度为2250mm，具有螺纹150mm且锚杆的直径为25mm。岩石锚杆包括350mm变形的桨叶段、1750mm屈服段和150mm螺纹段。

岩石锚杆不是被灌浆至一个连续2100mm的长管(载荷工况2)中，就是被灌浆至一个2100mm的长管中，该管以1225mm(上部管段)/875mm(下部管段)的比例或1225mm:875mm的比例分体(载荷工况1)。然后将灌浆岩石锚杆固定在测试工作站上并进行测试。工作站如图62所示，图(a)显示了灌浆至分体管中的岩石锚杆在测试期间的工作站图表，而图(b)显示了灌浆至连续管中的岩石锚杆在测试期间的工作站图表，且其中：

1-落锤

2-力传感器

3-岩石锚杆固定梁

4a-灌浆至拼合管中的岩石锚杆(用于载荷工况1下的测试)

4b-灌浆至连续管中的岩石锚杆(用于载荷工况2下的测试)

5-冲击板

6-锚杆基座和螺母

冲击能量(E)和冲击速度(v)通过以下公式确定：

其中：

m-落锤质量，千克(kg)

h-坠落高度，米(m)

g-重力加速度等于9.81m/s²

将落锤(m)提升至设定高度(h)，其对应给定的冲击能量(E)和负载速度(v)，其中：

在负载工况1中：E＝50.85kJ且v＝6.0m/s，其对应m＝2825kg且h＝1835mm；并且

在负载工况2中，E＝50.85kJ且v＝6.0m/s，其对应m＝2825kg且h＝1835mm。

允许质量(m)从高度(h)落锤或自由落体至：

-灌浆至连续管中的岩石锚杆的基座

-焊接在管末端上方50mm处的基座

在测试过程中，以19.2千赫(kHz)的采样率(f)记录测量数据。测量的因素是施加在锚杆上的载荷(F)和位移(L)随时间(t)的函数。这些图表用于确定施加在岩石锚杆上的第一力峰值(F₁)和最大载荷值(F_max)。

在对已灌浆至拼合管中的岩石锚杆进行测试后，进一步测量了上下管段之间间隙的长度。力的测量通过应变式传感器进行，位移的测量通过激光传感器进行。传感器连接到HBM-MGCplus型测量放大器，其与记录测量数据的计算机协同工作。

在第一批测试(测试1至10)中，各个锚杆(样品ID1至10)都受到单次冲击。

单次冲击动态落锤测试1至5的结果，涉及连续管岩石锚杆(载荷工况2)，如图22至26和图27中的表所示。第一力峰值(F₁)和最大载荷(F_max)在355.5到416.3kN之间。这些测试后的总位移(L_max)在202到211mm之间。直径从25毫米缩小到23.5至23.7毫米之间。因此，在测试1至5中均观察到岩石锚杆的位移大约为整个锚杆的10％。测试包括具有2个螺母的岩石锚杆(测试1和2)以及具有1个螺母的岩石锚杆(测试3至5)。在所有测试1至5中，测试后岩石锚杆未被破坏，螺母自由活动。

动态落锤测试6至10的结果如图28至32中的图和图33中的表所示，其涉及拼合管(载荷工况1)中的岩石锚杆。

在测试6至10中，F₁和F_max范围在367.3kN和392.8kN之间。直径从25mm减小到23.4到23.8mm之间。测试后的总位移(L_max)在201至212mm之间，因此在测试6至10中观察到的位移约为10％，这与测试1至5中获得的结果相似。测试6至10中的岩石锚杆包括1个螺母。测试后，岩石锚杆未被损坏，螺母可以自由活动。

在测试1至10之后，岩石锚杆仍能完全正常使用。在将要描述的下一批测试中，上述测试中的部分岩石锚杆经历了重复的动载荷态冲击或落锤。这些重复测试是为了模拟岩石锚杆暴露在余震中的性能或本发明的岩石锚杆在地震余震环境中的性能。

在第二批动态测试中(测试11至33)，测试1至4,8至10(样品ID1至4，和8至10)中的锚杆经历了进一步地冲击/落锤。

参见图34至36和47，在多次落锤测试11至13中，其包括ID1样品的第2、3及4次落锤，测试后，观察到总位移的增加。在测试11中，F₁为445.8kN，F_max为514.4kN，且观察到的总位移为342mm(第一次落锤后202mm，加上进一步地140mm)，相当于大约15％的位移。测试后，岩石锚杆未被破坏，螺母自由活动。在测试12中，样品ID1经第3次落锤后，F₁为411.9kN，F_max为516.5kN，且观察到的总位移为705mm，相当于约31％的位移。在测试13中，在第4次落锤后，F₁为365.4kN，F_max为365.4kN，且观察到的总位移大于865mm，相当于约38％的位移。在测试12和13后，锚杆从管上部延伸出，此时，由于锚杆的第一端或锚固点与管中的树脂发生脱离，锚杆丧失功能，因为发生了锚犁行，其随着锚固点的移动吸收能量。测试后杆直径为22.8mm。

参见图37至40和47，观察测试14至17的结果，其涉及样品ID2上的第2至第5次落锤，位移从第1次落锤后的203mm增加到第2次落锤后的342mm，随后在第3落锤后增加到541mm，第4次落锤后619mm，第5次落锤后723。第二次落锤后，锚杆未被损坏，螺母自由活动。在第3次和第4次落锤后，锚杆没有被损坏，螺母自由活动。锚杆从管上部延伸出。第5次落锤后，直径为21.7mm。

测试18至20的测试结果如图41至43和47所示，其包括样品ID3的第2至第4次落锤。位移从第一次落锤后的211mm增加到第二次落锤后的356。第3次落锤后，该值增加至475，第4次落锤后，锚杆从树脂中脱离，没有进行测量。螺母的螺纹被切割。测试后杆直径为22mm。

参见图44至47，测试21至23包括对样品ID4进行的第2次、第3次和第4次落锤测试。有350mm的位移(除了第一次落锤后的207mm，另有143mm)。在第三次落锤后增加至467mm。第4次落锤后，锚杆从管中延伸出，由于锚杆从树脂中脱离，未测量位移。测试后杆直径为22.2mm。

参见图48至50和58，测试24至26包括对样品ID8进行的第2次、第3次和第4次落锤测试。第二次落锤后，位移为346mm。在第三次落锤后增加到461mm，在第四次落锤后增加到650mm。第2次和第3次落锤后，锚杆未被损坏，螺母自由活动。第4次落锤后，锚杆从管中延伸出，测试后杆直径为22.2mm。

参见图51至53和58，测验27至29包括对样品ID9进行的第2次、第3次和第4次落锤测试。第二次落锤后，位移为345mm。在第三次落锤后增加到460mm，在第四次落锤后增加到680mm。在第2次和第3次落锤后，锚杆未被损坏，螺母自由活动。第4次落锤后，锚杆从管中延伸出，测试后杆直径为22.2mm。

参见图54至58，测试30至33包括对样品ID10进行的第2次、第3次、第4次和第5次落锤测试。第二次落锤后，位移为345mm。在第三次落锤后增加到471mm。第2次和第3次落锤后，锚杆未被损坏，螺母自由活动。第4次落锤后，位移为574mm，锚杆未被破坏，螺母自由活动，但锚杆从管中延伸出。第5次落锤后，位移为782mm，杆从管中延伸出。测试后杆直径为21.6mm。

根据上述和图22至58所示的动态测试结果，观察到岩石锚杆成功伸长，而没有损坏或破坏。如对每个样品进行重复落锤测试所示，随着岩石锚杆经历更多次落锤，位移增加，直到岩石锚杆由于从树脂处脱离而失去功能。因此，本发明提供了一种改进的能量吸收锚杆或屈服锚杆，其在载荷开始时表现出刚性特性，以及高强度和改进的形变特性。该锚杆可用于解决失稳问题，例如高应力诱发的失稳问题，包括岩爆和岩石挤压。

通过对动态测试结果的观察，岩石锚杆的动态承载能力达到556kN。

Claims (22)

1.一种无套筒能量吸收岩石锚杆，所述岩石锚杆的第一端构造成有助于将锚固组合物混合和/或将岩石锚杆锚固在岩石中，其特征在于，所述岩石锚杆包括锰合金钢，用于制造所述岩石锚杆的钢的锰含量在10％到24％的范围内，并且在静态载荷条件下，所述岩石锚杆在其屈服点后表现出负载能力和伸长量的增大，直径的均匀减小，而沿着其全部位移区不具有颈缩或断裂，直到达到岩石锚杆的断裂点或失效点，其中所述位移区为所述岩石锚杆的光滑杆区域。

2.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆的第二端被构造成用于接受固定装置以将所述岩石锚杆的第二端相对于岩石表面固定。

3.根据权利要求1或2所述的岩石锚杆，其特征在于，在静态载荷条件下，负载能力基本是线性增大的。

4.根据权利要求3所述的岩石锚杆，其特征在于，在静态载荷条件下，锚杆的极限拉伸强度和断裂点基本一致。

5.根据权利要求4所述的岩石锚杆，其特征在于，在动态载荷条件下，达到屈服点后，沿所述岩石锚杆的位移区的负载能力和直径均匀减小量增大直至达到某点或阈值，在所述点或阈值处，所述岩石锚杆的第一端与锚固组合物的脱离或者从用于将第一端锚固在岩石中的锚固点脱离，且当第一端脱离时，所述第一端开始相对它的四周犁行或拖行，继而吸收更多的能量。

6.根据权利要求2所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆还包括一个或多个加工硬化区，一个或多个加工硬化区之间的区域限定了所述位移区，在突然的动态载荷或静态载荷的影响下，其沿着位移区的长度瞬时从锚固组合物中脱离。

7.根据权利要求6所述的岩石锚杆，其特征在于，所述位移区的光滑杆区域未加工硬化。

8.根据权利要求7所述的岩石锚杆，其特征在于，所述光滑杆区域沿其长度均匀且即时地形变，在施加一系列冲击后，形变即时且均匀地延伸，对于所受到的每一次冲击，延伸量逐渐变小。

9.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，用于制造所述岩石锚杆的钢的锰含量在10％到18％的范围内。

10.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，使用的锰含量为17％。

11.根据权利要求6所述的岩石锚杆，其特征在于，加工硬化区包括在第一端处形成的一个或多个浆叶以有助于锚固组合物混合且为与所述组合物的结合提供更大的表面面积。

12.根据权利要求11所述的岩石锚杆其特征在于，在第二端处，加工硬化区包括形成在杆上的用于附接固定装置的螺纹。

13.根据权利要求12所述的岩石锚杆，其特征在于，所述固定装置为螺母形式，其中所述岩石锚杆的第二端开设螺纹用于安装螺母，以便将支承板相对于岩石表面紧固。

14.根据上述权利要求2所述的岩石锚杆，其特征在于，如果岩石沿所述岩石锚杆第二端的方向发生了静态或动态运动，即岩石向下运动，岩石锚杆上的拉伸载荷将增加。

15.根据权利要求14所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆上拉伸载荷的增加导致光滑杆区域的伸长，继而导致所述岩石锚杆的直径减小。

16.根据权利要求15所述的岩石锚杆，其特征在于，所导致的伸长和直径的减小自然地破坏在所述光滑杆区域中所述岩石锚杆和锚固组合物间的结合。

17.根据权利要求16所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆直径的减小导致岩石锚杆在所述光滑杆区域长度上的加工硬化，继而增加所述区域中所述岩石锚杆的拉伸能力，从而随着直径的减小而增大所述岩石锚杆的拉伸能力。

18.根据权利要求17所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆的剪切强度随着拉伸能力的增大而增大。

19.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，在不同的应用情况下，为了实现所述岩石锚杆更大的拉伸能力和伸长，所述岩石锚杆的长度和直径是可变的。

20.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，锰合金钢为相变诱导塑性钢，其中在钢的形变过程中，亚稳态的奥氏体转变为马氏体。

21.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，所述岩石锚杆的动态负载能力达到556kN。

22.根据权利要求1所述的岩石锚杆，其特征在于，当对所述岩石锚杆多次施加和停止施加静态载荷，载荷保持不变且岩石锚杆上的载荷没有减小。

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