基于金属塑性流动的新型吸能锚杆恒定承载力参数研究及其工程优化

为解决深部开采中传统锚杆伸长率不足(低于10%)和承载力不稳定的问题，中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室团队提出了一种基于金属塑性流动的新型吸能锚杆。通过建立球-矩形接触力学模型和有限元(FEM)数值模拟，揭示了钢球直径(2-5mm)、间隙距离(1-3mm)、 sleeve材料(20#/45#/40Cr/TC4/27Si-Mn)和钢球数量(1-9个)对恒定承载力(200-550kN)的影响规律。研究发现当嵌入深度>1mm时，多球系统的承载力呈线性增长(T≈nF)，且波动幅度显著降低。该研究为深部矿山支护系统设计提供了可调控、低成本(30-60美元/套)的解决方案，相关成果发表于《Results in Engineering》。

　　

随着开采深度增加，地质应力条件日益严峻，岩爆、煤爆等动力灾害频发。传统螺纹钢锚杆虽能有效控制岩体变形，但其伸长率不足10%，难以满足大变形条件下的能量吸收需求。自1970年代以来，Cone-bolt等吸能锚杆相继问世，但受限于摩擦耗能机制和钻孔损伤问题，其性能稳定性与成本效益始终难以兼得。中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的研究团队另辟蹊径，提出了一种基于金属塑性流动原理的新型吸能锚杆，通过钢球在套管内的可控塑性变形实现能量耗散，兼具50%高伸长率和可调恒定承载力的双重优势。

研究人员采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法开展系统研究。首先基于滚动接触理论建立球-矩形接触力学模型，推导出包含钢球半径R、间隙距离L、接触面积A和最大接触压力p_max的承载力积分方程。随后通过ABAQUS软件构建包含钢筋、套管、钢球的三维有限元模型，采用Ramberg-Osgood本构关系描述20#钢等材料的弹塑性行为，设置0.03摩擦系数的硬接触算法模拟多体相互作用。为验证模型准确性，将数值模拟结果与实验室拉拔试验数据进行对比，三组试件的承载力相对误差均小于3%。

关键研究发现包括：

1. 接触压力分布规律：接触压力沿弧长呈正弦函数分布，最大接触压力与钢球半径正相关，与间隙距离负相关。当钢球半径R=2.5mm时，系统呈现最优承载力特性。

2. 几何参数影响：单球工况下，承载力随钢球直径增大从2.97kN(3mm)提升至11.65kN(5mm)；多球系统则存在临界半径，R=2.5mm时承载力达峰值534.87kN。间隙距离在1-2mm范围内每减小0.5mm，承载力平均提升31.5%。

3. 材料性能关联：27Si-Mn钢套管因兼具高屈服强度(835MPa)和高弹性模量(220GPa)，其承载力达27.25kN，较20#钢(10.22kN)提升167%。而TC4钛合金虽屈服强度更高(846MPa)，但因弹性模量较低(105GPa)，承载力反降17.3%。

4. 稳定性优化机制：当单球嵌入深度>1mm时，塑性流动区完全形成，荷载波动幅度(COV)可从12.16%降至3.19%；采用9球布置时，承载力达127.17kN且波动幅度较单球降低85%。

这项研究通过建立"球-套-筋"接触力学模型，首次量化了金属塑性流动型锚杆的承载力调控规律。工程应用表明，采用R=2.5mm钢球、L=1.5mm间隙、27Si-Mn套管的9球配置，可实现>300mm变形下的550kN稳定承载力，成本仅为NPR锚杆的1/5。该成果为深部矿山支护提供了兼具高性能与低成本的技术方案，相关参数优化方法已被纳入《金属矿山支护设计规范》修订稿。未来研究可进一步探索动态冲击载荷下的塑性流动响应机制，推动该技术在隧道工程与边坡加固领域的应用。