恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验及其有限元分析
锚杆拉拔力试验报告
锚杆拉拔力试验报告1.引言锚杆是一种常用于土木工程中的支撑装置，其主要功能是固定和稳定地下结构或地表结构。
为了确保锚杆的安全可靠性，需要进行拉拔力试验来评估锚杆的抗拉性能。
本报告将介绍一次锚杆拉拔力试验的过程和结果。
2.实验目的本次试验的目的是评估锚杆的抗拉性能，包括抗拉强度、变形能力以及破坏形态等方面。
通过试验结果的分析，可以为工程设计人员提供有关锚杆的可靠性和安全性的参考信息。
3.实验方法3.1实验材料本次试验选用的锚杆材料为XX型号的高强度合金钢，直径为XX mm，长度为XX mm。
试验所需的其他材料包括锚固液、试验设备等。
3.2实验设备本次试验使用了一台电动液压拉拔试验机，能够提供连续的恒定速度拉拔力。
试验机的拉拔头能够与锚杆连接并施加拉拔力。
试验机还配备了一套数据采集系统，可用于记录拉拔过程中的加载力和位移数据。
3.3实验步骤3.3.1准备工作根据试验设计，选择适当的试验锚杆和试验参数，并进行相应的准备工作，包括清洁试验材料、安装试验装置等。
3.3.2试验操作将试验锚杆安装到试验设备上，并进行调试，确保试验装置的正常运行。
根据试验设计，通过试验机施加拉拔力，并记录相应的拉拔力和位移数据。
3.3.3试验结束当锚杆发生破坏或实验达到设计要求时，停止拉拔试验。
记录并整理试验数据，并对试验结果进行分析和总结。
4.实验结果根据本次试验所得的数据，绘制拉拔力-位移曲线，并计算出相应的最大拉拔力、线性变形范围、抗拉强度等参数。
5.结果分析根据试验结果的分析，得出以下结论：5.1锚杆的抗拉强度符合设计要求；5.2锚杆在拉拔过程中出现了一定程度的变形，但变形范围在可接受的范围内；5.3锚杆的破坏形态表明其具有良好的延性和韧性。
6.结论通过本次试验，我们得出以下结论：锚杆具有良好的抗拉性能，能够满足设计要求。
工程设计和施工人员可以根据本试验结果，合理选用和设计锚杆以确保工程的安全可靠性。
7.建议鉴于本次试验的局限性，建议在进一步的工程实践中，继续开展更多锚杆拉拔力试验，以获得更加全面和准确的数据，为工程设计和施工提供更好的参考信息。
杆杆型冲击拉伸试验装置的二维轴对称弹塑性有限元分析
[M ]uβ+ [ K ]u = f
(7)
其中, [M ] 为总体一致质量矩阵 (数值积分阶数为 3) , [ K ] 为总体刚度矩阵 (数值积分阶数为 2) , u, uβ分别为位移和加速度矢量, f 为外载荷矢量。
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好地连接。从动力学角度而言, 输入杆、试件和输出杆组成的动力学系统在纵向形成了四个物
理的和几何的间断面, 且对试件试验段根部形成了完全的横向约束和应力集中, 从而必然导致
测 试原理中一维平面假设在这些间断面附近发生不同程度的偏离, 这样就对 SH TB 系统产生
了一个较 SH PB 系统更为复杂的理论问题 2 一维测试原理有效性论证。显然, 这个理论问题是
表 1 试件材料的弹塑性本构参数
弹性模量 E (GPa) 屈服应力 Ρc (GPa)
应变 Ε(% ) 0. 5300
0. 6429
70 0. 3197 应力 Ρ(GPa) 0. 3533 0. 3785
0. 7929
0. 3976
1. 043
0. 4106
1. 393 3. 500
0. 4182 0. 4313
的有效性及其相关的问题。
2 有限元模型和有限元分析方法
211 有限元模型 将图 1 中的 SH TB 简化为图 2 中的空间轴对称模型。图中 G1, G2 和 G3 分别为输入杆和输
出杆上应变片的位置, 输入杆和输出杆为均匀各向同性线弹性的等截面圆柱杆, 试件为弹塑性
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锚杆拉拔实验报告
锚杆拉拔实验报告锚杆拉拔实验报告引言锚杆拉拔实验是土木工程中常用的一种试验方法，用于评估锚杆在土体中的承载能力和稳定性。
本实验旨在通过对不同类型的锚杆进行拉拔测试，探究其受力性能和影响因素，为工程设计提供可靠的数据支持。
实验设计本次实验选取了两种常见的锚杆类型进行拉拔测试，分别是螺纹锚杆和槽钢锚杆。
实验采用了标准的拉拔试验设备，包括拉拔机、测力传感器和位移测量仪。
每种类型的锚杆均设置了多个试验样本，以确保结果的可靠性。
实验步骤首先，将锚杆嵌入土体中，确保其稳定固定。
然后，通过拉拔机施加逐渐增大的拉力，同时使用测力传感器实时监测拉力大小。
在拉拔过程中，使用位移测量仪记录锚杆的位移情况，以评估其变形性能。
实验结果与分析通过对螺纹锚杆和槽钢锚杆的拉拔实验，我们得到了一系列的实验数据。
根据实验数据，我们可以计算出每个试验样本的拉力-位移曲线，并分析其力学性能。
螺纹锚杆的拉力-位移曲线呈现出明显的弹性阶段和塑性阶段。
在弹性阶段，拉力与位移呈线性关系，说明螺纹锚杆具有较好的刚度和强度。
而在塑性阶段，拉力增加的速度逐渐减慢，同时位移也增加较快，表明锚杆已经发生了塑性变形。
这一现象可能是由于锚杆与土体之间的摩擦力逐渐增大，导致阻力增加。
槽钢锚杆的拉力-位移曲线与螺纹锚杆有所不同。
在拉力较小的情况下，槽钢锚杆的位移增加较快，而拉力增加较慢。
这可能是由于槽钢锚杆的截面形状导致其在拉拔过程中更容易发生弯曲变形。
随着拉力的增加，槽钢锚杆的位移增加速度逐渐减慢，表明其刚度逐渐增大。
这一特点使得槽钢锚杆在一些特殊工程中具有一定的优势。
影响因素分析除了锚杆类型外，还有一些其他因素可能会对锚杆的拉拔性能产生影响。
例如，土体的性质、锚杆的长度和直径、土体与锚杆之间的摩擦系数等。
这些因素的变化可能会导致拉力-位移曲线的形状和斜率发生变化，从而影响锚杆的承载能力和稳定性。
结论通过本次锚杆拉拔实验，我们对螺纹锚杆和槽钢锚杆的受力性能和影响因素有了更深入的了解。
恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析
恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析李晨;何满潮;宫伟力【摘要】随着煤矿开采深度的不断增加,深部围岩的瞬时冲击明显增多,且荷载大小往往超过传统泊松比支护材料的屈服强度致使支护失效.而具有高支护阻力和大拉伸量的新型恒阻大变形锚杆已在静力作用下验证了其具有负泊松比效应,能良好的满足井下巷道冲击大变形控制的需求.为了研究恒阻大变形锚杆在动态冲击下的防冲力学特性,通过自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆冲击拉伸实验系统对某批次恒阻大变形锚杆进行了动态冲击拉伸实验.实验结果表明该锚杆能够保持恒定阻力产生结构变形来吸收冲击能量,并表现出了良好的负泊松比效应,进而验证了恒阻大变形锚杆比传统锚杆具有更好的动态防冲性能.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)006【总页数】7页(P1393-1399)【关键词】恒阻大变形锚杆;负泊松比效应;冲击拉伸实验;结构变形【作者】李晨;何满潮;宫伟力【作者单位】中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD353李晨，何满潮，宫伟力．恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析［J］．煤炭学报，2016，41(6):1393－1399．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1909Li Chen，He Manchao，Gong Weili．Analysis on impact dynamics of negative Poisson’s ratio effect of anchor bolt with constant resistanceand large deformation［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1393－1399．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1909随着经济建设的高速发展，世界各国对能源的需求日益增加。
恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用
MECHANICAL PROPERTY AND ENGINEERING APPLICATION OF ANCHOR BOLT WITH CONSTANT RESISTANCE AND LARGE DEFORMATION
HE Manchao1，GUO Zhibiao1
，2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
1
引
言
采深度已经超过 1 000 m，相继进入深部资源开采 状态。如瑞士、加拿大、澳大利亚、中国及南非等 国家的金属矿开采深度很多已经超过 1 000 m，有 的甚至超过 3 000 m[1-3]。其中，印度 Kolar 金矿已 有 3 座矿山采深超过 2 400 m，南非 Anglogold 公司
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岩石力学与工程学报
2014 年
西部深井金矿开采深度已达 3 800 m。在中国煤矿 开采方面，许多矿区的开采深度都已超过了 600～ 800 m，深度超过千米的矿井就有数十个，最大开 采深度已超过 1 300 m(如徐州张小楼矿和新汶孙村 矿 ) 。预计在未来的 20 a ，中国很多煤矿将进入 1 000～1 500 m 的开采深度。随着采深的不断增加， 各种工程灾害日益增多，如矿井冲击地压和软岩大 变形等灾害对深部资源的安全高效开采造成了巨大 威胁[4]。冲击大变形是开采过程中诱发并伴有微震 活动和弹性能突然释放的煤岩体结构破坏过程。应 用传统锚杆支护的巷道远不能够抵抗岩爆产生的瞬 时大变形冲击荷载，从而出现了锚杆断裂、巷道不 同程度破坏的事故。在煤矿方面受岩爆危害的代表 性国家有波兰、德国、英国、挪威、瑞典、加拿大、 南非和印度等。波兰从 1949～1982 年，共发生破坏 性冲击大变形破坏 3 097 次，造成 401 人死亡， 120 000 m 井巷被破坏；德国鲁尔煤矿 1910～1978 年，发生破坏性冲击大变形破坏 283 次，冲击深 度 590～1 100 m ；造成严重的经济损失。中国最 早的冲击地压记录是 1933 年发生于抚顺胜利煤田 。 中国是世界上头号煤炭生产和消费国家，近年来原 煤年产量均在 2 Gt 以上。 随着浅部矿产资源的日益 枯竭，煤炭资源开采正在向深部发展，冲击地压频 数增加。从 1949～1997 年，近 50 a 内 33 个煤矿冲 击地压发生次数达 2 000 多起
锚杆实验报告
锚杆实验报告锚杆实验报告引言：锚杆是一种常用于土力学和岩土工程中的支护技术，通过将锚杆固定在地下岩层或土壤中，以增加地基的稳定性和承载力。
本实验旨在通过对锚杆的力学性能进行测试和分析，探讨其在工程中的应用。
一、实验目的本实验的主要目的是通过测量锚杆的抗拉性能，了解其在不同条件下的变形特性和破坏机理，为工程设计和施工提供依据。
二、实验装置和方法1. 实验装置：本实验采用了一台电子拉力试验机、一根标准锚杆和相应的测量仪器，如应变计和位移计等。
2. 实验方法：首先，将锚杆固定在拉力试验机上，并通过调节试验机的拉力控制装置，施加不同程度的拉力。
然后，利用应变计和位移计等测量仪器，记录锚杆在不同拉力下的应变和位移数据。
三、实验结果分析1. 锚杆的拉伸性能：根据实验数据，绘制出拉力与应变之间的曲线图。
从图中可以看出，随着拉力的增加，锚杆的应变也随之增加。
当拉力达到一定阈值时，锚杆开始出现塑性变形，即应变增加速度明显加快。
2. 锚杆的破坏机理：通过观察实验过程中的现象和数据，可以得出以下结论：（1）在拉力较小的情况下，锚杆主要发生弹性变形，即拉力消失后能够恢复原状。
（2）当拉力达到一定阈值时，锚杆开始发生塑性变形，即拉力消失后无法完全恢复原状。
（3）当拉力进一步增加时，锚杆可能会发生破坏，出现断裂或塑性变形过大等情况。
四、实验结果的应用1. 工程设计：根据实验结果，可以对工程设计中的锚杆使用进行优化和改进。
例如，在选择锚杆的材料和尺寸时，可以根据实验数据确定其承载能力和变形特性，以保证工程的安全性和可靠性。
2. 工程施工：实验结果还可以指导工程施工中的锚杆安装和固定。
通过了解锚杆的破坏机理和变形特性，可以合理选择施工方法和工艺，减少工程风险和成本。
结论：通过对锚杆的实验测试和分析，我们可以了解其在不同条件下的力学性能和破坏机理。
这些实验结果对于工程设计和施工具有重要意义，可以为相关工程提供科学依据和技术支持。
关于锚杆本构及其数值模拟分析总结与思考
纯拉：
纯拉
何礼理
纯剪 拉剪
PILE
耦合
(1)塑性之前（OA 段），杆体拉力随着 拉应变的增加而线性增长； (2)屈服后，杆体 轴力保持不变（AB 段）；(3)当杆体的应变大于拉断破坏 应 变时，锚杆拉断,杆体拉力变为(BC 段)。
6
纯剪：
（1）在杆体受到的剪力达到抗剪极限 能力之前，其剪力随着剪 切位移的增 加而线性增加（OA 段）； （2）当杆体达到剪切 极限受力状态 时，杆体产生剪断破坏。
拉剪耦合：
纯剪： 拉剪耦合：
栾恒杰
拉剪
曹艳伟
PILE
6
耦合
蒋宇静
二、 关于 FLAC3D 中材料及结构单元二次开发的思考
（1） 深部巷道二次开发锚杆、锚索、锚网索支护稳定性控制模型 上述文献[1-9]对 FLAC3D 锚杆单元抗拉、抗剪、拉剪耦合方面二次开发及破断理论进行了详 细阐述，并在模拟实际工程取得良好效果。支护与围岩形成的相互协调的承载共同体是巷道围 岩控制的核心，但是目前文章[1-18]仅仅是对锚杆、锚索支护结构单元自身进行研究，一是缺乏 对恒阻吸能、恒阻大变形锚杆单元结构进行二次开发；二是缺乏二次开发锚杆单元与原结构单 元在静态围岩应力场对比、动态应力场演变规律量化分析、函数拟合，静态围岩位移场对比、 动态位移场演变规律量化分析、函数拟合；三是缺乏二次开发锚网索单元耦合与原结构单元在 静态围岩应力场对比、动态应力场演变规律量化分析、函数拟合，静态围岩位移场对比、动态 位移场演变规律量化分析、函数拟合，从而形成动、静应力作用下深部巷道二次开发结构单元 锚杆、锚索、锚网索支护稳定性控制模型。 围岩应力场稳定是巷道稳定的基础，国内外研究学者对围岩应力场演变进行了深入研究， 其研究现状如下： Antonio, B.[19]对深部隧道围岩应力场进行深入研究，通过围岩应力和位移变化揭示应力场 演变规律；Mohammad, R.Z.[20]研究了深部隧道围岩内弹塑性分区，对塑性损伤区给出了应力和 位移的解析解；Srisharan, S.[21]将深部煤矿巷道围岩简化为等效连续体，并使用离散元法对围岩
恒阻大变形锚杆支护技术的应用研究
总第209期2020年第9期机械管理开发MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENTTotal 209N o.9, 2020D01:10.16525/l4-1134/th.2020.09.080恒阻大变形锚杆支护技术的应用研究郭舒铭(山西焦煤集团官地矿，山西太原030024)摘要:针对深部煤炭工作面支护效果差、工作面变形严重的问题，以某煤矿为研究对象在分析其地质水文、顶底 板情况的基础上，分析普通锚杆支护方案下所存在的问题及原因，并将恒阻大变形锚杆支护技术应用于该煤矿 中。
通过对恒大变形锚杆支护效果进行监测，得出恒大变形锚杆支护具有优于普通锚杆支护的控制效果的结论。
关键词：深部煤层支护效果应力值变形量中图分类号:TD353 文献标识码:A文章编号：1003-773X(2020)09-0191-02引言巷道的支护质量和效果是保证煤矿安全生产的前提，目前应用于工作面常规的支护方式为锚杆支护。
随着煤层开采深度的不断增加，工作面地质环境不断恶化，所承受的应力不断增加，从而导致深部煤炭开采事故的频繁发生,主要变现为顶板来压、瓦斯突出、顶板下沉以及两帮收缩等[1]。
经分析，导致深部煤炭开采事故发生的根本原因在于支护效果不佳。
为此，针对深部煤炭采用恒阻大变形锚杆进行支护。
本文着重对恒阻大变形锚杆支护的工程应用进行研究。
1工程概况本文所研究煤矿的生产能力为300万t/年，工作面煤层倾角范围为2° 。
采用竖井分水平的开采方式，且各个工作面采用综放一次全采高的采煤方式。
本文所研究煤矿某个工作面的顶底板情况如表1所不。
经探测可知，矿井不同工作面的涌水量不同，其中最大涌水量为379 m3/h，最小涌水量为29.71m3/h。
该煤矿地应力的最大应力平均值为34.04MPa,最大主应力的方位角为100.38°，最大主应力的倾角为20.53° ;垂向平均地应力为25.04 MPa。
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或15 m/s(撞击40次)的轴向初速度撞击托盘。
(7) 模型中所有接触面设定自动面接触。
(8) 其他相关参数设定。
上述前处理工作完成后投入LS-DYNA 软件进行计算并通过LSPREPOST 软件进行结果分析。
其中,网格模型缩略图和模型参数分别见图9和表3。
图9 1/4模型网格缩略示意图Fig.9 Schematic of partial meshing of 1/4 of model 表3 模型参数Table 3 Parameters of model介质 密度/ (kg ·m -3) 弹性模 量/GPa 泊松比屈服强度/MPa 单元 数量 单元尺寸节点数量冲击杆 7 850 206 0.300400 10 152 5 12 922托盘 7 850 206 0.300400 32 414235 380螺栓 7 850 206 0.300400 6 287 1,27 718恒阻套筒 7 800 210 0.269255 33 695 1 46 128杆体 7 850 206 0.300400 1 564 2 2 115子弹 7 850 206 0.300400 32 414 2 35 380 5 有限元结果分析与比较 5.1 膨胀量分析图10为单次冲击后选取的恒阻套筒外螺纹凹凸处参考单元示意图,图11为参考单元的径向位移(即膨胀量)曲线,其中,点A 为外螺纹凹处参考点,点B 为外螺纹凸处参考点。
图10 恒阻套筒参考单元示意图Fig.10 Sketch of selected elements of sleeve pipe0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9径向位移/m m时间/ms 图11 参考单元径向位移曲线Fig.11 Radial displacement of curves selected elements 从图11中可以看出:(1) 无论外螺纹凹处还是凸处,锚杆试样经受冲击后均表现出弹性回落,其中以凸处最为明显。
究其原因是因为内螺纹凹处时刻与杆体接触,导致外螺纹凹处单元没有足够空间使弹性能得以释放;而内螺纹凸处未与杆体接触,且变形能多来源于单元间的相互挤压作用,导致外螺纹凹处有充足的时间和空间释放弹性能。
但总的来看,恒阻大变形锚杆经受冲击时表现为良好的弹塑性过程。
(2) 单次冲击结束变形稳定后,外螺纹凹处变形量可达0.69 mm ,外螺纹凸处变形量可达0.29 mm 。
由于是1/4模型,转化成膨胀量时应乘以系数2, 即外螺纹凹处和凸处膨胀量分别为1.38和0.58 mm ,与之前冲击拉伸实验的结果较为一致。
5.2 伸长量分析从图2中可以看出,冲击拉伸实验位移传感器测量的是螺栓部位的轴向位移,由于螺栓与锚杆通过螺纹连接在一起,因此可以认为螺栓的轴向位移即为锚杆的伸长量。
图12为单次冲击后数值模拟和室内实验螺栓部位的轴向位移(即伸长量)对比曲线。
051015 20 25 3035-0.50.00.51.01.52.02.53.0轴向位移/m m时间/ms模拟 实验 图12 螺栓轴向位移对比Fig.12 Comparison of axial displacement curves of nutABX Z恒阻套管杆体恒阻体螺栓托盘冲击杆从图12中可以看出:单次冲击结束变形稳定后,锚杆的伸长变形也经历了弹性回落的过程,且全程是弹塑性的。
当子弹初速度为10 m/s 时,伸长量峰值可达2.5~2.8 mm ,稳定后伸长量约为2 mm 。
5.3 冲击力分析从图2中可以看出,冲击拉伸实验3个冲击力传感器安装在托盘中,测量的是托盘表面(传感器表面积)受到子弹撞击时的冲击力。
因此,本文有限元分析部分也同样分析托盘表面的受冲情况。
图13为冲击力传感器的相关尺寸及有限元分析中传感器的安放部位及分析单元示意图。
图14为选取单元的轴向应力曲线。
图13 冲击力传感器安放部位及选取单元示意图 Fig.13 Selected elements and installation position of forcesensor in pallet 0 2 4 6 8 1012 14 16 1820-轴向应力/P a时间/ms 图14 选取单元轴向应力示意图 Fig.14 Axial stress curve of selected elements从图13中相关尺寸可以得出3个冲击力传感器接触面总面积为:A = 3a = 3πΔr 2 = 3π(Δd /2)2 =3×3.141 592 6×[(65/2)2-(27/2)2] = 8 237.26 mm 2。
通过图14中应力换算可得冲击力为:F = σA =58.03×8 237.26 = 478 008.2 N ≈478 kN 。
图15为有限元分析换算得到的冲击力与实验冲击力曲线对比曲线,从图15可以看出,有限元分析与冲击拉伸实验测得的冲击力曲线吻合度较高,且峰值较为接近。
实验数据较小可能是由于实验中各单次冲击时不可预料的能量损耗或其他因素导致。
02468 10 12 14 16 18200100200300400500冲击力/k N时间/ms模拟数据 实验数据478.68 kN 436.04 kN-100 图15 冲击力对比曲线Fig.15 Comparison of impacting forces curves 6 结 论为了验证恒阻大变形锚杆在动态荷载冲击时的高恒阻力、大伸长量以及独一无二的负泊松比效应,本文介绍了自主研发的恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验系统并基于该实验系统进行了相关实验,从锚杆膨胀量、伸长量和受力等方面研究了恒阻大变形锚杆的动态力学性能。
通过有限元分析的方法与实验结果进行比较,不仅验证实验结果的准确性,并为今后实验提供指导意义。
从室内实验和有限元分析可以得出如下结论:(1) 冲击拉伸实验后,锚杆套管外螺纹凹处膨胀量平均1.5 mm ;凸处可达0.6 mm 。
表明恒阻大变形锚杆在经受外力冲击后膨胀变粗,表现出独一无二的负泊松比效应。
(2) 冲击拉伸实验后,恒阻大变形锚杆总伸长量为450 mm ,伸长率可达35.57%,表现出明显的大伸长量的特点,表明恒阻大变形锚杆可以良好的适应围岩大变形。
(3) 锚杆在经受动态冲击时,在1 ms 内冲击力达到峰值476 kN ,且冲击力在4 ms 的时间内迅速归零,表明了恒阻大变形锚杆具有高恒阻力的特点,可以良好地适应动态冲击。
传感器传感器安放部位选取单元部位65 mm17 mm(4) 有限元分析中,锚杆膨胀量和伸长量均表现出明显的弹性回落,表明经受动态冲击时恒阻大变形锚杆的变形过程是弹塑性的。
(5) 有限元分析结果和冲击拉伸实验结果对比可知,锚杆的膨胀量、伸长量和冲击力等主要动态力学参数吻合度均较高,不仅体现了有限元分析方法的准确性,也表明通过修改参数等方法运用有限元分析来佐证或替代部分室内实验的方法具有较高的可行性。
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