創(chuàng)新點

（1）本文首次從宏觀視角系統(tǒng)分析其在拉伸荷載下的變形特征，包括全過程變形監(jiān)測、斷口形態(tài)對比及頸縮機制探討，為揭示新型NPR錨桿韌性材料宏觀失效模式提供了新視角。

（2）通過對不同標(biāo)距點的全過程變形監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)材料，新型NPR錨桿韌性材料具有更好的均勻變形特性，且在拉伸變形失效全過程早期階段就開始發(fā)生均勻變形，證明NPR錨桿能更早、更持續(xù)地吸收變形能，適應(yīng)巖土體大變形需求。

（3）通過力學(xué)機制分析NPR錨桿均勻變形特性及頸縮現(xiàn)象不顯著的原因，并通過LS-DYNA 算法揭示了螺紋肋結(jié)構(gòu)是促使鋼筋在拉伸過程中能夠更好地均勻變形的宏觀因素之一。

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拉伸荷載條件下新型NPR錨桿韌性材料宏觀變形特征分析

作者：陶志剛^1,2,3, 隋麒儒^1,2, 豐于翔^1,2, 孟志剛, 姚旭龍, 何滿潮^1,2

單位：1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點實驗室；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與土木工程學(xué)院；3. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院；4. 浙大寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院

引用格式：

陶志剛，隋麒儒，豐于翔，等.拉伸荷載條件下新型NPR錨桿韌性材料宏觀變形特征分析[J].綠色礦山，2025，3(1)：44?50.TAO Zhigang，SUI Qiru，F(xiàn)ENG Yuxiang，et al. Macroscopic analysis of deformation characterization of anov-el NPR bolt ductile material under tensile action[J]. Journal of Green Mine，2025，3(1)：44?50.

摘要

巖土工程在受到復(fù)雜地質(zhì)條件的綜合作用時極易產(chǎn)生大變形災(zāi)害響應(yīng)，傳統(tǒng)金屬支護材料因不能夠忍受大變形而發(fā)生失效破壞現(xiàn)象。為應(yīng)對大變形災(zāi)害，研發(fā)了新型NPR錨桿韌性材料( Negative Poisson’s Ratio bolt)。為了探索新型NPR錨桿韌性材料的宏觀變形特征，開展了NPR錨桿室內(nèi)拉伸對比試驗。采用NPR錨桿專用試驗機，并利用相機進行全過程變形特征記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：NPR錨桿具有更好的均勻變形特性，且在拉伸變形失效全過程早期階段就開始發(fā)生均勻變形；對不同鋼筋進行失效斷口分類：主要分為“分層型斷口”和“纖維–基體之間的界面破壞類斷裂型斷口”；通過力學(xué)機制分析NPR錨桿均勻變形特性及頸縮現(xiàn)象不顯著的原因：發(fā)現(xiàn)NPR鋼在拉伸變形失效后的頸縮處曲率半徑更大，使其頸縮現(xiàn)象不明顯，這是由于其最大均勻應(yīng)變與最大應(yīng)變差值相對較小所致；通過LS-DYNA算法對螺紋肋結(jié)構(gòu)和光圓結(jié)構(gòu)對于鋼筋變形的影響進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果證明螺紋肋結(jié)構(gòu)使得鋼筋在拉伸過程中能夠更好地均勻變形，吸收變形能。綜上所述，通過對新型NPR錨桿韌性材料的變形特征的宏觀分析，有助于更好地揭示其靜力拉伸性能，為準(zhǔn)靜態(tài)工程實踐提供了有價值的參考。

引言

在巖土工程領(lǐng)域中，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)作為一種重要的支護和加固材料，往往發(fā)揮著重要的主動控制作用。無論是在隧道工程、能源工程，還是在邊坡工程等重要領(lǐng)域，錨桿(索)都得到了廣泛的工程應(yīng)用。眾所周知，巖土工程往往面臨著極為復(fù)雜的綜合地質(zhì)作用，在這樣的環(huán)境作用下，巖土體大變形災(zāi)害常有發(fā)生。傳統(tǒng)鋼筋作為錨桿(索)的主要制作材料之一，屬于小變形材料，延伸率較低，因無法有效忍受巖土體大變形而出現(xiàn)頸縮、拉斷等失效現(xiàn)象，從而發(fā)生“錨索炸彈”的次生事故。

因此，2009—2014年，筆者團隊基于“理想塑性材料”的理念研發(fā)出2代具有恒阻大變形特性的新型預(yù)應(yīng)力支護材料，稱之為結(jié)構(gòu)型韌性材料和材料型韌性材料。結(jié)構(gòu)型材料是通過恒阻套筒與恒阻體的精密幾何組合，實現(xiàn)其在準(zhǔn)靜力拉伸荷載作用下發(fā)生內(nèi)部摩擦滑移而產(chǎn)生恒定阻力的韌性材料。該結(jié)構(gòu)的巧妙之處是不通過改變傳統(tǒng)金屬材料的屬性，而是利用恒阻套筒與恒阻體之間的幾何設(shè)計，實現(xiàn)摩擦滑移恒阻力低于傳統(tǒng)材料屈服強度的92%～95%，最終實現(xiàn)保障傳統(tǒng)金屬材料不被拉斷破壞的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)型材料完美實現(xiàn)了材料在軸向拉伸過程中徑向變粗，是一種具有負(fù)泊松比( Negative Poisson’s ratio，NPR)效應(yīng)的新材料。因此，研發(fā)的新材料也稱為NPR韌性材料。結(jié)構(gòu)型NPR材料是一種成熟的韌性材料，但其并非材料自身力學(xué)特性的提升，而是通過結(jié)構(gòu)彌補了材料屬性的小變形瓶頸。基于此，2014年筆者團隊通過改變冶金技術(shù)，研發(fā)了材料本身具有一定負(fù)泊松比特點的新型材料型NPR韌性材料。本文所探索的新型NPR錨桿韌性材料就是上述材料型韌性材料。韌性材料在巖土體發(fā)生大變形時吸收變形能，從而控制巖土體變形，實現(xiàn)無損控制巖土體大變形。

目前，對于NPR錨桿(索)的研究已取得了一定成果，現(xiàn)有研究大多集中在NPR錨桿的力學(xué)性能和工程應(yīng)用方面，如靜力拉伸特性、動態(tài)拉伸特性、拉剪特性、軸向落錘沖擊特性、徑向落錘沖擊特性以及其錨固巖體的剪切力學(xué)特性研究。新型韌性材料NPR錨桿具備傳統(tǒng)錨桿所無法比擬的優(yōu)良特性，如更高的抗拉強度、更好的延展性、韌性以及抗沖擊性等。在拉伸作用下，其性能表現(xiàn)對于保障工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要?，F(xiàn)有研究在分析NPR錨桿變形特性時主要聚焦在微觀層面，缺乏從宏觀角度進行分析和研究。拉伸是錨桿在工程服役過程中最常面臨的受力狀態(tài)，對新型韌性NPR錨桿在拉伸作用下的變形特征和響應(yīng)規(guī)律進行宏觀分析，不僅有助于揭示NPR錨桿的工作機理和臨界失效模式，還能為工程設(shè)計和施工提供重要的理論依據(jù)與技術(shù)支持，繼而采取有效的預(yù)防措施和改進方法，提高NPR錨桿的可靠性和耐久性，確保工程的安全與可持續(xù)發(fā)展。

部分圖片

圖 1 拉伸試驗裝置示意

圖 2 不同鋼筋的應(yīng)力?應(yīng)變曲線示意

圖 3 不同鋼筋拉伸變形失效全過程不同標(biāo)距點位移變化對比

圖 4 不同鋼筋拉伸失效后斷口對比及簡要分類

圖 5 拉伸情況下頸縮部位關(guān)系

圖 6 不同表面結(jié)構(gòu)鋼筋在拉伸情況下的受力示意

圖 7 2種鋼筋模型約束方式及網(wǎng)格形式

圖 8 不同鋼筋結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力云圖

圖 9 2種結(jié)構(gòu)鋼筋沿縱向頸縮量

第一作者

陶志剛，男，1981年生，博士（后），中國礦業(yè)大學(xué)（北京）隧道工程災(zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點實驗室教授，博士生導(dǎo)師，入選國家“萬人計劃”—青年拔尖人才支持計劃。兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會兼職副秘書長，國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）中國國家小組副主席，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會滑坡與工程邊坡分會副理事長、地殼應(yīng)力與地震專業(yè)委員會副主任委員。榮獲斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家（2024年）、中國知網(wǎng)高被引學(xué)者TOP1%榜單（2024年）、國際地質(zhì)災(zāi)害與減災(zāi)協(xié)會（ICGdR）杰出青年科學(xué)家獎、中國交通運輸協(xié)會科技創(chuàng)新青年獎、中國優(yōu)秀青年能源科技工作者等榮譽稱號。

研究方向

主要從事恒阻大變形材料力學(xué)特性研究、滑坡災(zāi)害智能監(jiān)測及臨滑預(yù)警、跨斷層牛頓力測量、隧道大變形開挖補償控制和軍事抗爆沖擊防護工程等方面的科研、教學(xué)工作。

主要成果

主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金（重大專項課題、面上、青年）、深地國家重大科技專項子課題等縱向項目21項，主持服務(wù)國家重大工程建設(shè)技術(shù)攻關(guān)項目50余項。研究成果獲中國專利金獎（R2）、國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會首屆技術(shù)發(fā)明獎（R2）、遼寧省科技進步一等獎（R3）、河南省科技進步一等獎（R3）、中國交通運輸協(xié)會科技進步一等獎（R1）、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科技進步一等獎（R1）等省部級科技獎勵31項。第一（通訊）作者發(fā)表SCI/EI檢索論文100余篇，其中ESI高被引論文13篇、熱點論文6篇，單篇最高引用399次，Scopus學(xué)術(shù)引用3800余次，H指數(shù)30；出版專著與教材8部；授權(quán)國際發(fā)明專利7項、中國發(fā)明專利59項、實用新型專利32項；參編行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團體標(biāo)準(zhǔn)各1項。

通訊作者

隋麒儒，男，1996年生，博士研究生，導(dǎo)師為何滿潮院士、陶志剛教授。主要研究方向為恒阻大變形材料力學(xué)特性研究及應(yīng)用。2024年入選中國科協(xié)青年人才托舉工程博士生專項計劃，主持兩項博士研究生撥尖創(chuàng)新人才培育基金資助項目?？傆嫲l(fā)表高水平論文17篇，其中以第一作者、學(xué)生第一作者以及通訊作者身份發(fā)表論文12篇，涵蓋9篇SCI期刊論文（其中6篇屬于Q1區(qū)）、2篇EI期刊論文以及1篇ESCI期刊論文，其中ESI高被引論文1篇；同時還擁有發(fā)明專利和實用新型專利各1項。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨劉雅清

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運而生。《綠色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

期刊主頁

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