锚杆索支护原理及大变形控制技术

的正确性，有效地实现了露天及地下开采中的大变形控制与预测。
关键词：岩石力学；负泊松比；本构关系；大变形控制；滑坡预测
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2016)08–1513–17
Support principles of NPR bolts/cables and control techniques of large deformation
2 负泊松比结构
虽然大多数材料(或称为传统材料、正泊松比材 料)的泊松比为正值，但是人们很早就发现部分天然 负泊松比材料。A. E. H. Love[10]于 1927 年首次在黄 铁矿中发现负泊松比效应；D. J. Gunton 和 G. A. Saunders[20]，Y. Li[21]分别在砷和镉中发现了单晶材 料的负泊松比效应；R. H. Baughman 等[22]发现大多 数具有立方体结构金属和少数具有面心立方结构的 固态稀有元素有特定方向上承受拉伸时也能够显示 出负泊松比行为。R. S. Lakes[23]于 1987 年首先在 Science 上报道了人工负泊松比聚酯型聚氨泡沫塑 料，这一发现验证了人造负泊松比材料的可能性。 此后，许多研究者制造出了人工负泊松比材料，如 K. E. Evans 等[24-25]。
HE Manchao1，2，LI Chen1，2，GONG Weili1，2，WANG Jiong1，2，TAO Zhigang1，2
(1. State Key Laboratory for Geomechanicsand Deep Underground Engineering，China University of Mining andTechnology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
随着国民经济发展对矿物资源需求的不断增 加，深部开采、露天矿高大边坡开采、高效及安全 开采的需求，特别是对于高应力岩爆和冲击地压、 滑坡等动力工程地质灾害的控制与预测的需求，除 了要求锚杆除了具有较高的抗冲击能力外，还要求
能够工作在恒定的、较高水平的工作阻力下具有拉 不断的特点(1 m 以上的变形能力)。
1
尺度/m
图 1 不同尺度下的负泊松比材料与结构[26]
Fig.1 Auxetic materials and structures from the macroscopic down to the molecular level[26]
者研究的热点。特别是对泡沫材料[29-30]和复合材 料[31-32]的研究已经取得了部分成果，总结于下：
收稿日期：2015–09–08；修回日期：2015–10–10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51304210，51404278，51574248) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos. 51304210，51404278 and 51574248) 作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程灾 害控制方面的教学与研究工作。E-mail：hemanchao@ DOI：10.13722/ki.jrme.2015.1246
阻大变形锚杆/索，首次在岩石力学领域提出 NPR 支护的概念与力学行为的科学问题。基于 NPR 结构的解流变力
学模型和解析模型，从理论上验证 NPR 锚杆/索和 NPR 岩体相统一的理想弹塑性本构关系，并形成相应的 NPR
支护技术体系。通过静态拉伸试验、井下防冲抗爆试验和滑坡监测试验，验证 NPR 锚杆/索本构关系的理论模型
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083； 2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083)
摘要：为了更好地控制和预测深部高应力岩爆、冲击地压和滑坡等动力工程地质灾害，基于负泊松比(Negative
Poisson′s ratio，NPR)材料或结构在抗冲击、抗剪切及吸收能量等方面的优异性能，研发具有 NPR 结构的新型恒
A. Alderson[26] 给 出 了 负 泊 松 比 材 料 的 尺 度 (见图 1)并评价说：“负泊松比现象与尺度无关， 即可以出现在材料组成的尺度、也可以出现在宏观 尺度，即可以是材料的性质、也可以是结构的性 质”。根据热力学势能理论，三维各向同性材料的 泊松比取值范围为−1～0.5[27]，而二维各向同性材料 的泊松比值则位于−1～1[28]。对于各向异性材料而 言，其泊松比取值范围要远大于各向同性材料。从 泊松比取值的范围可以清楚地表明材料具有负泊松 比值在理论上是允许的[29]。
(1) 如图 3[26]所示，传统材料在承受冲击载荷 作用时，材料在冲击力的作用下发生压缩，并在垂 直于冲击的方向上从冲击部分向四周流动。而负泊 松材料在受到冲击载荷作用时在冲击方向承受压 缩，在侧面发生收缩，材料朝冲击部位流动；这种 现象将使材料的局部密度增大，从而产生更有效的 抵抗压痕的作用。研究表明在同样的初始密度条件 下，负泊松比材料相比传统材料具有更高的屈服强 度。
第 35 卷 第 8 期 2016 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.8 Aug.，2016
NPR 锚杆/索支护原理及大变形控制技术
何满潮 1，2，李 晨 1，2，宫伟力 1，2，王 炯 1，2，陶志刚 1，2
第 35 卷 第 8 期
何满潮等：NPR 锚杆/索支护原理及大变形控制技术
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尺度问题
宏观尺度到分子水平下的拉胀性材料和结构
烧结陶瓷
复合材料
分子拉胀材料
立方晶金属 α—方晶石 液相晶体聚合物
薄壳/骨架 聚合物
金属泡沫
微孔隙聚合物 蜂窝结构
楔形砖体结构
10－10
10－8
1锚杆支护技术经过多年的发 展，已经接近了极限。要获得具有超常性能的吸能 锚杆材料，必须采用新思维、新的材料或结构。负 泊松比材料(或称为 negative Poisson′s ratio，NPR 材 料，或拉胀(Auxetic)材料)或结构在受到单轴拉伸时 会发生侧向膨胀，在抗冲击、抗剪切及吸收能量等 许多方面比传统正泊松比材料具有更优异的性能[19]。 开展负泊松比支护材料或结构的研究，对于解决矿 山岩体力学面临的大变形灾害控制问题具有重要意 义。本文在岩石动力学领域首次提出 NPR 支护结 构的概念，从理论上提出并通过一系列试验验证了 NPR 锚杆/索和 NPR 岩体相统一的理想弹塑性本构 关系，最后通过滑坡监测和井下抗爆试验介绍了 NPR 锚杆/索支护原理及大变形控制技术。
多年来，为进行岩体及岩土体支护，人们研制 出了不同种类的支护材料。根据支护材料的性能， 可以分为以下 3 种类型[1]，即强度锚杆、屈服锚杆 以及吸能锚杆。强度锚杆的本构关系为线弹性，其 支护力等于或近似等于锚杆材料的强度，例如传统 锚杆 Rebar。屈服锚杆的本构行为是小刚度屈服， 其强度较小，具有容纳岩体大变形的特点，如 Split sets[2-4]。按 C. C. Li[1]的定义，吸能锚杆应具有下述 特征：(1) 具有 Rebar 锚杆的强度；(2) 具有 Split sets 锚杆的变形能力；(3) 具有对外载荷的快速响应能 力。吸能锚杆最基本的要求[5-6]是能够在较高的强 度，对围岩输出“200～300 mm”的让压变形。在 最近的几十年里，人们研制出了许多吸能锚杆，如 Garford Solid Dynamic Bolt[7-8]，Garford Solid Dynamic Bolt[9]，Cone Bolt[10-12]，MCB conebolt[13-16] (可伸长 180 mm)，D Bolt[1](较高阻力下可伸长 400 mm)，可 伸缩胀管式锚杆[17]，新型让压锚杆[18]，等等。上述 新型吸能支护材料的研究，为矿山的安全开采作出 了重要贡献。然而，这些吸能锚杆仍然属于传统材 料的锚杆/索，其拉力(工作阻力)与位移关系均是传 统的弹性变形–应变强化–应变软化的模式，工作 阻力随位移而变化。因此，这些锚杆仍然难以满足 大变形灾害支护与控制的要求。
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岩石力学与工程学报
2016 年
1引言
矿山岩体力学的研究对象是以地质体为主的地 学系统。与人工设计的工业系统不同，对于地学系 统的复杂性，人类到目前为止尚不能完全认知。深 部复杂地质条件下的工程设计、岩爆与冲击地压， 以及露天高大边坡开采引起的滑坡等工程地质灾害 的控制、监测与预测，是我国矿业资源开采与大型 基础设施建设中面临的主要问题。这些问题带来的 挑战包括：(1) 现有的矿山开采岩体力学的本构关 系不能用于上述条件下的工程设计；(2) 基于传统 锚杆/网索支护难以满足在冲击、大变形条件下的灾 害控制需求。为应对这些挑战，需要开发具有超常 性质的支护材料、结构，以及建立新的关于复杂结 构岩体的本构关系。
Abstract：In order to control and forecast geological disasters such as deep rock burst of high stresses，pressure bump and landslides，a new constant resistance and large deformation(CRLD)bolt/cable with negative Poisson′s ratio(NPR) was developed. The concept and mechanical behavior of NPR support were firstly put forward in view of the excellent performance of NPR materials or structures such as anti-impact，anti-shear and energy absorb. Based on the rheological mechanical and analytical model of NPR structure，the unified ideal elastic-plastic constitutive relation for NPR bolts/cables and NPR rock was verified theoretically. The proportional NPR support system was formed. Through the static tensile test，anti-impact and anti-explosion underground tests and landslide monitoring test，the correctness of the theoretical model of constitutive relationship was verified and the control and prediction of large deformation in open pit and underground mining were achieved effectively. Key words：rock mechanics；negative Poisson′s ratio(NPR)；constitutive relationship；large-deformation control； landslide prediction