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第 43 卷第 6 期煤 炭 科 学 技 术Vol 43No 6 2015 年6 月Coal Science and TechnologyJune2015 锚索力学性能测试与分析 康红普1， 2， 3， 杨景贺1， 2， 3， 姜鹏飞1， 2， 3 1 天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京100013; 2 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院， 北京100013; 3 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京100013 摘要 为了得到不同锚索的力学性能参数， 基于实验室进行的 4 种常用锚索钢绞线的拉伸试验和 5 组锚索托板的压缩试验， 可将钢绞线拉伸载荷位移曲线可分为 4 个阶段 初始承载阶段、 弹性变形 至屈服阶段、 屈服后强化阶段、 破断阶段。钢绞线弹性范围内的位移很小， 其延伸主要发生在屈服之 后， 且随着钢绞线直径增加有增大的趋势。5 组锚索托板承载力明显大于钢绞线承载力。托板压缩 载荷位移曲线可分为 5 个阶段 托板拱部形状与尺寸、 底面平整度是影响托板承载力的主要因素; 托板在不同承载阶段压缩变形量有显著差别; 底面不平整、 呈弓形的托板各阶段压缩量较大; 球形垫 圈发生显著缩颈变形， 并逐步压入托板球窝也影响托板整体变形性能。 关键词 巷道支护; 锚索力学性能; 围岩稳定性控制; 承载特性 中图分类号 TD322文献标志码 A文章编号 02532336 2015 06002905 Tests and analysis on mechanical properties for cable bolts Kang Hongpu1， 2， 3， Yang Jinghe1， 2， 3， Jiang Pengfei1， 2， 3 1 Coal Mining and Design Department， Tiandi Science and Technology Co ， Ltd ， Beijing100013， China; 2 Coal Mining and Design Branch， China Coal esearch Institute， Beijing100013， China; 3 State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization， Beijing100013， China Abstract In order to obtain mechanical feature parameters of different anchor cables， based on tensile tests for four types of cable strands and compressive tests for five groups of cable plates were carried out in laboratory The tensile loaddisplacement curve of the strands can be classified as four stages initial loading stage; elastic deation to yield stage; strengthening stage after yield; broken stage The strand displacement in elastic limit is pretty small， while the strand elongation appears mainly after yield， and it gradually increases with the strand diameter The bearing capacity of five groups of cable plates is obviously higher than that of the cable strands The compressive loaddis- placement curve of the cable plates can be classified as five stages The arch shape， size and bottom smoothness of plate are the main fac- tors affecting its bearing capacity There exist obvious differences on plate compressive deation during various compressive stages The plates with uneven bottom usually have larger compressive deation The domed washer is often pressed to occur necking deation， and squeezed into the plate socket， which also affects the deability of the plate Key words roadway support; mechanical properties of cable bolts; control stability of surrounding rock; bearing characteristic 收稿日期 20150317; 责任编辑 杨正凯DOI 10 13199/j cnki cst201506006 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK04B06 ; 国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目 U1261211 作者简介 康红普 1965 ， 男， 山西五台人， 研究员， 博士生导师。Email kanghp163 com 引用格式 康红普， 杨景贺， 姜鹏飞 . 锚索力学性能测试与分析J 煤炭科学技术， 2015， 43 6 2933， 106 Kang Hongpu， Yang Jinghe， Jiang Pengfei. Tests and analysis on mechanical properties for cable boltsJ Coal Science and Technology， 2015， 43 6 2933， 106 0引言 预应力锚索是巷道围岩控制的重要手段， 它的 广泛应用不仅显著扩大了锚杆的使用范围， 而且大 幅度减少了顶板冒落事故， 提高了巷道的安全程度。 自 1996 年煤炭科学研究总院发明小孔径 28 32 mm 、 树脂药卷锚固预应力锚索以来， 这种锚索在煤 矿得到大面积推广应用1 ， 在大断面巷道、 煤顶和 全煤巷道、 破碎围岩巷道、 高应力巷道、 强烈动压巷 道及沿空巷道等复杂困难条件起到良好的支护加固 作用24 。小孔径树脂锚固预应力锚索具有柔韧性 好、 施工方便、 锚固深度大、 可施加较大预紧力等特 92 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷 点58 ， 由索体、 树脂锚固剂、 锚具和托板组成， 这些 构件的力学性能与匹配性对发挥锚索的整体支护能 力极为重要。锚索索体材料主要是钢绞线， 最早的 锚索钢绞线规格为17 结构、 直径15 2 mm， 这种钢 绞线直径小、 锚固力低、 承载能力小910 。为了克服 这些缺点， 开发出新型 119 结构的钢绞线， 增大了 钢绞线直径 18 22 mm ， 大幅提高了锚索承载能 力与延伸率1112 。同时， 还开发了与新型钢绞线配 套的锚具、 托板， 保证了锚索整体支护能力的发挥。 随着我国煤矿开采深度增加和地质条件的复杂化， 复杂困难巷道所占的比例越来越大， 预应力锚索用 量也逐年增加。锚索从原来的主要用于补强加固， 到目前很多矿区已用作常规支护手段1314 。在锚 索使用过程中出现了一些问题， 其中之一就是锚索 在高应力、 大变形巷道中出现破断现象15 ， 对巷道 围岩稳定性与安全造成威胁。锚索破断与材料、 构 件力学性能密切相关， 基于此， 笔者对现有锚索钢绞 线、 托板的力学性能进行全面、 系统的测试， 在分析 测试结果的基础上提出锚索材料与结构改进建议。 1锚索力学性能测试内容与方法 11测试内容 本次试验包括锚索钢绞线拉伸试验与锚索托板 压缩试验。前者测试不同直径锚索钢绞线的拉伸性 能及承载能力， 后者测试锚索托板的压缩变形特点 及不同阶段的承载能力。 1 锚索钢绞线。锚索钢绞线拉伸试件来自煤 矿支护材料厂， 共 4 种钢绞线， 119 结构 1 种; 17 结构 3 种。随机抽取钢绞线， 按一定长度截取。钢 绞线试件参数见表 1。 表 1锚索钢绞线试件参数 Table 1Parameters of cable strand samples 编 号 钢绞线 结构 公称直 径/mm 实测截面 积/mm2 捻距/mm 试件长 度/mm 平行长 度/mm 111921 8307 72851 200800 21715 2139 92601 200800 31717 8189 72601 200800 41719 0227 22801 120600 2 锚索托板。锚索托板压缩试件是 5 个煤矿 支护材料厂生产的拱形高强度托板， 包括托板和球 形垫圈 图 1 。试件共 5 组， 托板规格均为 300 mm 300 mm16 mm， 即托板长度、 宽度均为 300 mm， 钢板厚度为 16 mm。托板材质均为 Q235 表 2 。 h托板与球垫组合后总高度; hp托板高度; dp托板拱部直径; dp1托板中孔最大内径; dp2托板中孔最小内径; hw调心球垫高度; dw1调心球垫最大外径; dw2能调心球垫最小外径 图 1锚索托板和球形垫圈试件 Fig 1Cable plate and spherical washer samples 表 2锚索托板和球形垫圈试件参数 Table 2Parameters of cable plate and spherical washer samples 编 号 锚索托板尺寸/mm hpdpdp1dp2 球形垫圈尺寸/mm hwdw1dw2 h a581535404552259300700 b631404994202260257795 c601525404202359290740 d581836154772465260650 e561905504862367260670 12测试设备与方法 测试设备采用 JAW1500 型电液伺服材料试验 机， 该设备可进行材料的拉伸和压缩试验。锚索钢 绞线拉伸试验采用标准为 GB/T 52242003 预应力 混凝土钢绞线、 GB/T 2282002 金属材料室温拉伸 试验方法。将钢绞线试件按设定的平行长度， 夹装 在试验机钢绞线卡具内， 启动试验机进行拉伸试验， 直至钢绞线拉断， 记录钢绞线载荷位移曲线。同 时， 在钢绞线试件上安装了引伸计， 以测量钢绞线的 弹性应变， 计算弹性模量。每种钢绞线进行 3 4 个 样品的拉伸试验， 试验结果取平均值， 共 15 个试验。 锚索托板试验采用标准为 GB/T 73142005 金 属材料室温压缩试验方法。将锚索托板与球形垫圈 叠合， 在上加载板与球形垫圈承载面之间， 加装 22 mm 的 119 结构钢绞线锚索的锚具作为加载传力 块。将组合件放置于试验机加载板之间， 启动试验 机进行压缩试验， 直至球形垫圈或锚索托板承载拱 翻转接触下加载板后， 结束加载试验。每组锚索托 板进行 4 5 个样品的压缩试验， 试验结果取平均 值， 共 23 个试验。 2锚索钢绞线力学性能测试结果与分析 21测试结果 以表 1 中锚索对应的尺寸进行了锚索承载能力 试验， 结果见表 3， 拉伸载荷位移曲线如图 2 所示， 03 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 康红普等 锚索力学性能测试与分析2015 年第 6 期 弹性应力应变曲线如图 3 所示， 钢绞线拉伸破断 形式如图 4 所示。图 2 中的位移不仅包括钢绞线拉 伸位移， 还包括钢绞线与夹具之间的滑动位移及试 验机上其他受拉构件的位移。 表 3锚索承载能力试验结果 Table 3Test results of the bearing capacity of cable bolts 编 号 标志点载荷/kN 屈服最大破断 强度/MPa 屈服抗拉 屈强比 弹性模 量/GPa 14835635601 5451 8000 86201 22392632601 7051 8800 91201 33143633581 6501 9030 87202 43533953831 6171 8100 89205 图 2钢绞线拉伸载荷位移曲线 Fig 2The tensile loaddisplacement curve of the strands 图 3钢绞线弹性应力应变曲线 Fig 3The elastic stressstrain curve of the strands 图 4钢绞线拉伸破断形式与断口形状 Fig. 4Tensile break s and fracture shapes of the strands 22测试结果分析 分析锚索钢绞线拉伸试验结果， 可得出以下 4 点结论。 1 钢绞线拉伸载荷与位移的关系曲线可分为 4 个阶段 第 1 阶段， 初始承载阶段; 第 2 阶段， 弹性变 形至屈服阶段; 第 3 阶段， 屈服后强化阶段; 第 4 阶 段， 破断阶段。初始承载阶段的特点是载荷与位移 呈非线性关系， 位移增加速度高于载荷， 这可能是钢 绞线与夹具相对滑动、 钢绞线初期张紧所致; 第 2 阶 段拉伸载荷与位移基本呈线性关系， 当达到弹性极 限后， 曲线偏离线性， 直至屈服; 第 3 阶段钢绞线屈 服后， 虽然载荷仍有所增加， 但增加的速度远小于位 移， 直到钢绞线能承受最大载荷; 第 4 阶段为载荷峰 值点至钢绞线破断， 当钢绞线载荷达到最大值后， 随 着位移进一步增加载荷不断降低， 并很快发生破断。 2 4 种锚索钢绞线的最大承载能力分别为563、 263、 363、 395 kN， 屈服载荷分别为483、 239、 314、 353 kN。屈服强度为 1 545 1 705 MPa， 拉伸强度为 1 800 1 900 MPa， 屈强比为 0 86 0 91。119 结 构、 直径 21 8 mm 的钢绞线最大承载能力、 屈服载 荷分别比传统锚索钢绞线 1 7 结构、 直径 15 2 mm 提高了 1 14 倍、 1 02 倍。 3 4 种锚索钢绞线的弹性模量为 201 205 GPa， 变化不大。钢绞线在弹性范围内的位移很小， 其延伸主要发生在屈服之后， 而且随着钢绞线直径 增加有增大的趋势。 4 锚索拉伸破断有 2 种形式 全部钢丝同时破 断 图 4a 和分次破断 图 4b 。但不论何种破断方 式， 钢丝断口处均发生了明显的径缩。图 4b 中钢绞 线分次破断发生在试验机夹具附近， 可能与两者的 接触条件有关。 3锚索托板力学性能测试结果及分析 31测试结果 以表 2 中对应的锚索托板尺寸分别进行锚索托 板压缩承载能力试验和压缩位移与压缩率试验， 其 结果分别见表 4 和表 5， 锚索托板压缩载荷位移曲 线如图 5 所示， 锚索托板试验后的变形状况如图 6 所示。 表 4锚索托板压缩承载能力试验结果 Table 4Test results of the compressive bearing capacity of the cable plates 编号 承载能力/kN 阶段 阶段 阶段 阶段 a512824985637016 b1558723989818208 c116084351 14291 0809 d51284569328 e364753988896379 13 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷 32测试结果分析 锚索托板压缩试验结果表明， 锚索托板承载与 变形有以下 5 个特征。 表 5锚索托板压缩位移与压缩率试验结果 Table 5Test results of the compressive displacement and compressive ratios of cable plates 序 号 阶段 位移/ mm 压缩 率/ 阶段 位移/ mm 压缩 率/ 阶段 位移/ mm 压缩 率/ 阶段 位移/ mm 压缩 率/ a14207 711 010 114 449 6709 b10112718 723 528 235 552 1655 c415512 416 846 663 052 6711 d11177 110 910 215 7 e09138 011 914 521 642 4652 图 5锚索托板压缩载荷位移曲线 Fig. 5The compressive loaddisplacement curve of the cable plates 图 6锚索托板试验后变形状况 Fig. 6Deation of the cable plates after test 1 典型的锚索托板压缩载荷位移曲线可分为 5 个阶段 第阶段为开始加载至锚索托板底面压 紧、 落平阶段， 该阶段锚索托板、 球形垫圈及与试验 机加载板之间的间隙逐渐闭合， 至锚索托板底平面 与试验机下加载板完全接触; 第阶段为锚索托板 落平至底面周边开始翘起阶段， 该阶段载荷基本呈 线性快速增加， 到一定值时， 锚索托板底面周边开始 翘曲; 第阶段为锚索托板底面周边开始翘曲至最 大载荷阶段， 该阶段锚索托板承载能力继续增加， 但 增加速度低于第阶段， 直至载荷峰值; 第阶段为 锚索托板最大承载点至拱窝翻转落平接触下加载 板， 或球形垫圈接触下加载板， 该阶段锚索托板承载 能力不断降低; 第阶段为锚索托板拱窝或球形垫 圈接触下加载板后再加载， 载荷又迅速增加， 属于钢 板压缩阶段。有的锚索托板在第阶段载荷出现降 低、 增加， 然后又降低的情况 图 5 中曲线 a ; 有的 锚索托板第阶段载荷增加很慢， 压缩量增加很大 时才达到峰值载荷 图 5 曲线 b ， 这可能与锚索托 板拱部直径较小有关。 2 5 组锚索托板底面平整度有较大差别， 压紧、 落平需要 36 4 155 8 kN 的压缩载荷。5 组锚索 托板 4 边开始翘曲前承载力分别为 824 9、 723 9、 843 5、 845 6、 753 9 kN; 分别是 119 股结构、 直径 21 8 mm 钢绞线最大承载能力的 1 47、 1 29、 1 50、 1 50、 1 34 倍; 最大承载力分别为 953 5、 898 1、 1 142 9、 932 8、 888 9 kN; 分别是 119 股结构、 直径 21 8 mm 钢绞线最大承载能力的 1 69、 1 60、 2. 03、 1 66、 1 58 倍。可见， 锚索托板承载能力明显大于 锚索钢绞线承载力。 3 5 组锚索托板压紧、 落平时的压缩量为0 9 10 1 mm; 4 边开始翘曲前的压缩量为 7 0 18 7 mm 压缩率为 10 9 23 5 。最大载荷时， a、 c 组托板的压缩量为 36 6、 46 6 mm 压缩率为 52. 3、 63 0 ; b 组托板的压缩量为 28 2 mm 压 缩率为 35 5 ; d、 e 组托板的压缩量为 10 2、 14 5 mm 压缩率为15 7、 21 6 。d、 e 组托板最大载 荷时的压缩量较小是因为峰值载荷出现在第阶 段。托板第阶段的压缩量达 42 4 52 6 mm， 压 缩率达 65 25 71 1。底面不平整、 呈弓形的 锚索托板 b、 c 组 ， 与底面相对平整的托板相比， 各 节点压缩量大、 压缩率高。 4 在加载过程中， 球形垫圈发生缩颈变形， 直 径减小、 高度增加， 并逐步压入托板球窝内 图 6 。 球形垫圈向托板传力方式， 由球面压力传递， 向孔内 柱面间摩擦力与顶部未缩颈段压力组合传递方式转 化， 不能将载荷有效传递给整个托板拱部， 造成局部 受力增大， 不利于拱部整体承载能力的发挥。托板 与球形垫圈组合件中， 球形垫圈硬度不足， 承载过程 中缩颈下落， 严重影响托板承载能力。 5 托板拱部形状与尺寸、 底面平整度是影响托 板承载力的主要因素。拱高与拱部底圆直径较大、 底面比较平整的托板具有较好的力学性能。 4存在的问题及改进建议 1 钢绞线与锚具的接触条件、 两者强度与刚度 的匹配性对锚索的承载能力有显著影响， 井下锚索 经常在锚具附近破断， 应进行详细的测试与分析。 23 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 康红普等 锚索力学性能测试与分析2015 年第 6 期 2 钢绞线拉伸试验只能分析锚索在受纯拉伸 作用下的力学性能， 而在井下， 锚索不仅受到拉伸作 用， 而且受剪切、 弯曲作用， 应力状态非常复杂。应 开发锚索在不同受力状态下力学性能测试装置， 以 全面了解锚索变形及破断的机理。 3 托板承载能力显著大于钢绞线的承载能力， 对于直径较小的钢绞线这种现象尤为突出。因此， 应测试和分析锚索钢绞线与托板的匹配性， 包括承 载能力与变形性能匹配， 实现既能充分发挥锚索的 整体支护能力， 又能节约支护材料。 4 托板承载能力、 变形性能与托板形状、 尺寸、 材质等多种因素有关， 特别是托板拱高、 拱底圆直 径、 托板底面平整度等对托板力学性影响明显。目 前锚索托板形状与几何尺寸不尽合理， 需要在大量 试验数据的基础上进行优化。 5 球形垫圈与托板几何形状与尺寸、 强度与刚 度不匹配， 导致球形垫圈发生严重挤压变形， 甚至落 入球窝， 严重影响托板整体承载能力。球形垫圈的 几何形状与尺寸、 材质还需进一步优化。 5结论 1 锚索钢绞线拉伸载荷与位移的关系可分为 4 个阶段 初始承载阶段、 弹性变形至屈服阶段、 屈服 后强化阶段、 破断阶段。钢绞线屈强比为 0 86 0. 91。119 股结构、 直径21. 8 mm 的钢绞线屈服载 荷、 最大载荷分别为 483、 563 kN， 比 17 股结构、 直 径 15. 2 mm 钢绞线提高 1 02、 1 14 倍。 2 钢绞线弹性范围内的位移很小， 其延伸主要 发生在屈服之后， 且随着钢绞线直径增加有增大的 趋势。钢绞线有 2 种拉伸破断形式 全部钢丝同时 破断和分次破断， 钢丝断口处均发生明显径缩。 3 典型的锚索托板压缩载荷位移曲线分为 5 个阶段 开始加载至托板底面压平、 压平至底面周边 开始翘起、 底面周边开始翘曲至最大载荷、 最大承载 点至托板拱窝压平、 托板压平后载荷迅速增加。5 组托板最大承载力为 888 9 1 142 9 kN， 明显大于 钢绞线的承载力。托板拱部形状与尺寸、 底面平整 度是影响托板承载力的主要因素。托板与球形垫圈 组合件中， 球形垫圈硬度不足， 承载过程中缩颈下 落， 明显影响托板承载能力。 4 5 组锚索托板在不同承载阶段压缩变形量有 显著差别， 最终的压缩率达 65 2 71 1。底面 不平整、 呈弓形的托板， 与底面相对平整的托板相 比， 各节点压缩量大、 压缩率高。球形垫圈发生显著 缩颈变形， 并逐步压入托板球窝内， 也影响托板整体 变形性能。 5 在钢绞线与锚具、 钢绞线与托板的匹配性方 面， 锚索在不同受力状态下的变形特征与破断机理， 托板与球形垫圈形状、 尺寸、 材质优化， 及两者的匹 配性等方面， 还需作大量的试验与研究工作。 参考文献 1李家螯， 王圣公， 崔惟精 煤巷锚索支护技术J 煤炭科学技 术， 1997， 25 12 2124. 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