关于螺纹螺栓在冲击载荷下动态行为的显式数值研究 Lina Yesenia Marulanda Javier A. Vallejos Jorge I. Velásquez

《Applied Sciences》：Explicit Numerical Study on Dynamic Behavior of Threadbar Under Impact Loading Lina Yesenia Marulanda, Javier A. Vallejos and Jorge I. Velásquez

为解决深部采矿中锚杆动态承载与能量耗散能力评估的难题，研究人员通过建立全尺寸三维显式数值模型，模拟了螺纹锚杆在直接冲击加载下的动态行为。该模型成功再现了锚杆-注浆体-钢管体系的复杂相互作用，揭示了系统各部件在荷载、位移及能量耗散方面的响应机制，为动态荷载条件下锚杆的优化设计提供了重要工具。

　　

随着采矿作业向更深的区域拓展，以满足不断增长的矿产资源需求，地下岩体承受的应力条件日益严苛，地震活动、岩爆等动力灾害的风险也随之升高。在深部高应力环境中，传统的巷道支护体系常常面临失效的风险，如何确保支护结构能够在突发性的动力荷载下保持稳定，并有效吸收冲击能量，成为保障矿山安全生产的核心难题之一。其中，螺纹锚杆作为一种广泛应用的全长锚固式支护构件，其抵抗冲击荷载的“耐力”究竟如何，长期以来是工程师和科研人员关注的焦点。实验室的直接冲击测试是评估锚杆性能的“试金石”，但这类实验往往“代价不菲”，需要投入大量时间、资金和精力进行试件制备与设备搭建。有没有一种方法，能让我们“未动先看”，在物理实验前就对锚杆的动态行为“了然于胸”呢？数值模拟，正是这样一把强大的“虚拟钥匙”。发表在期刊《Applied Sciences》上的一篇研究，便成功锻造了这把钥匙，为我们揭开了螺纹锚杆在冲击荷载下动态响应的神秘面纱。

为了回答锚杆在动态荷载下的复杂行为问题，研究团队开展了一项系统的数值模拟研究。首先，研究人员基于真实实验室配置（参考CANMET-MMSL的直落式冲击测试系统），在FLAC3D软件中建立了一个全尺寸三维显式动力模型。这个模型精细地还原了所有核心部件：冲击质量块、反力框架、带有真实螺纹的锚杆、水泥注浆体以及作为围岩的钢管，实现了对锚杆-注浆体-钢管复合体系相互作用的显式分析。其次，研究为每种材料设定了先进的本构模型：锚杆钢采用考虑应变率效应的J2塑性（von Mises）模型，并通过动态增大系数（Dynamic Increase Factor, DIF）来表征钢材在高应变率下的强度强化；水泥注浆体则采用了“黏聚力弱化-内摩擦角强化”（Cohesion Weakening-Friction Strengthening, CWFS）模型，结合基于围压和塑性应变的剪胀（Dilatancy）模型，以模拟其峰后损伤软化和体积膨胀行为。最后，通过将模型预测的荷载-位移曲线、能量吸收结果与已发表的实验室动态测试数据进行比对，完成了模型的校准与验证。随后，研究对锚杆总长、直径、冲击质量块重量、钢管厚度等多个关键参数进行了系统的参数化分析，以评估它们对系统动态响应的影响，揭示了主导锚杆系统动态性能的关键因素。

模拟结果

5.1. 参数分析

参数化分析揭示了各因素对系统动态响应的系统化影响。当锚杆总长从3.2米缩短为3.0米和2.3米时，在裂管（模拟的岩体不连续面）区域的应力分布发生变化，表明锚杆在缺乏围压约束的区域更易失效。对锚杆长度、直径、冲击质量和钢管厚度的综合比较分析显示：

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  锚杆直径：直径增大（如从22毫米增加到25毫米），显著提升了锚杆的屈服强度、系统刚度及能量吸收能力，同时减少了总位移。
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  冲击质量：增加冲击质量主要增大了锚杆的总位移和系统吸收的总能量，但对屈服荷载和刚度影响相对有限。
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  钢管厚度：钢管厚度对系统响应，尤其是注浆体的性能，有最显著的影响。更厚的钢管（如10毫米对比3.5毫米）提供了更强的侧向约束，从而大幅提升了注浆体的承载能力、降低了其变形，并最终增强了整个锚杆系统的刚度和峰值荷载。相反，锚杆总长在本研究参数范围内对全局响应指标影响较小。

5.2. 能量耗散

能量吸收能力是评价支护系统动态性能的关键指标。分析表明，冲击质量和锚杆总长是影响锚杆能量吸收能力最显著的参数。通过对比不同参数配置下的模拟结果与实验室测试数据，研究绘制了能量-位移关系趋势图。结果显示，冲击质量越大，系统吸收的能量和产生的位移越大；而增大锚杆直径或钢管厚度，则在吸收相近能量的情况下，能显著减小系统的最终位移，表明其提升了系统的“刚性”和效率。数据点主要聚集在24-32千焦能量和150-175毫米位移的区域内，这与采用较大冲击质量的测试和模拟结果相符。

讨论与结论

本研究的成果，为理解全长注浆螺纹锚杆在直接冲击荷载下的动态响应提供了详尽的评估。通过与实验室尺度的动态测试数据对比，模型在全局荷载-位移响应、峰值轴向荷载、刚度和能量吸收能力方面均显示出良好的一致性，验证了所提出的三维显式模拟框架在分析动态支护问题上的可靠性。

更重要的是，模型超越了对宏观响应的简单复现，其显式表征锚杆螺纹几何、注浆体复杂本构行为和围岩约束的能力，揭示了那些在简化的一维或等效结构单元模型中无法捕捉的物理相互作用机制。具体而言，模拟展现了锚杆螺纹导致的局部应力集中和机械咬合效应，这使得荷载传递呈现空间非均匀性，并引发了注浆体的局部损伤演化，而这些在采用预设黏结参数的平滑杆或缆索单元模型中通常被均质化处理。注浆体采用的CWFS模型，成功模拟了其随塑性变形累积而发生的黏聚力逐渐丧失、内摩擦角逐步发挥以及剪胀性衰减的过程。结合显式建模的钢管约束，模拟清晰地揭示了围压水平如何主导注浆体损伤演化、刚度退化和应力重分布。在围压减弱的区域（如模拟的裂管部位），注浆体损伤更早发生，变形局部化现象更为明显，这与实验室动态测试的观察结果一致。

从参数分析中得出的系统性规律，为支护设计提供了清晰的指导。增大锚杆直径是提升轴向承载力、系统刚度和能量吸收效率的有效途径。增大冲击质量主要增加系统的动能输入，体现为更大的位移和能量耗散。在研究的参数中，钢管厚度（即围压水平）对系统响应，特别是注浆体行为，具有最强的影响力，它通过控制损伤发展模式，从根本上决定了系统的承载和变形特性。相较之下，锚杆长度在本研究探讨的范围内影响较弱。

总而言之，这项研究采用的集成化建模策略，为分析冲击荷载下注浆螺纹锚杆体系内耦合的荷载传递、损伤局部化和能量耗散机制，提供了一个物理意义明晰的框架。这些机制在将锚杆、注浆体和围岩独立处理或通过理想化等效模型进行表征时是无法解析的。研究结果强调了在评估支护系统动态性能时，显式考虑围压效应和注浆体行为的重要性，并为高应力采矿环境中吸能锚杆的初步设计与优化提供了宝贵的洞见。该建模方法可进一步扩展至其他类型的岩土加固系统，服务于更安全、更经济的深部资源开采。