陶志刚教授：拉伸荷载条件下新型NPR锚杆韧性材料宏观变形特征分析

创新点

（1）本文首次从宏观视角系统分析其在拉伸荷载下的变形特征，包括全过程变形监测、断口形态对比及颈缩机制探讨，为揭示新型NPR锚杆韧性材料宏观失效模式提供了新视角。

（2）通过对不同标距点的全过程变形监测，研究发现相比于传统材料，新型NPR锚杆韧性材料具有更好的均匀变形特性，且在拉伸变形失效全过程早期阶段就开始发生均匀变形，证明NPR锚杆能更早、更持续地吸收变形能，适应岩土体大变形需求。

（3）通过力学机制分析NPR锚杆均匀变形特性及颈缩现象不显著的原因，并通过LS-DYNA 算法揭示了螺纹肋结构是促使钢筋在拉伸过程中能够更好地均匀变形的宏观因素之一。

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拉伸荷载条件下新型NPR锚杆韧性材料宏观变形特征分析

作者：陶志刚^1,2,3, 隋麒儒^1,2, 丰于翔^1,2, 孟志刚, 姚旭龙, 何满潮^1,2

单位：1. 中国矿业大学(北京) 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室；2. 中国矿业大学(北京) 力学与土木工程学院；3. 华北理工大学 矿业工程学院；4. 浙大宁波理工学院 土木建筑工程学院

引用格式：

陶志刚，隋麒儒，丰于翔，等.拉伸荷载条件下新型NPR锚杆韧性材料宏观变形特征分析[J].绿色矿山，2025，3(1)：44−50.TAO Zhigang，SUI Qiru，FENG 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

岩土工程在受到复杂地质条件的综合作用时极易产生大变形灾害响应，传统金属支护材料因不能够忍受大变形而发生失效破坏现象。为应对大变形灾害，研发了新型NPR锚杆韧性材料( Negative Poisson’s Ratio bolt)。为了探索新型NPR锚杆韧性材料的宏观变形特征，开展了NPR锚杆室内拉伸对比试验。采用NPR锚杆专用试验机，并利用相机进行全过程变形特征记录。结果发现：NPR锚杆具有更好的均匀变形特性，且在拉伸变形失效全过程早期阶段就开始发生均匀变形；对不同钢筋进行失效断口分类：主要分为“分层型断口”和“纤维–基体之间的界面破坏类断裂型断口”；通过力学机制分析NPR锚杆均匀变形特性及颈缩现象不显著的原因：发现NPR钢在拉伸变形失效后的颈缩处曲率半径更大，使其颈缩现象不明显，这是由于其最大均匀应变与最大应变差值相对较小所致；通过LS-DYNA算法对螺纹肋结构和光圆结构对于钢筋变形的影响进行数值模拟分析，结果证明螺纹肋结构使得钢筋在拉伸过程中能够更好地均匀变形，吸收变形能。综上所述，通过对新型NPR锚杆韧性材料的变形特征的宏观分析，有助于更好地揭示其静力拉伸性能，为准静态工程实践提供了有价值的参考。

引言

在岩土工程领域中，预应力锚杆(索)作为一种重要的支护和加固材料，往往发挥着重要的主动控制作用。无论是在隧道工程、能源工程，还是在边坡工程等重要领域，锚杆(索)都得到了广泛的工程应用。众所周知，岩土工程往往面临着极为复杂的综合地质作用，在这样的环境作用下，岩土体大变形灾害常有发生。传统钢筋作为锚杆(索)的主要制作材料之一，属于小变形材料，延伸率较低，因无法有效忍受岩土体大变形而出现颈缩、拉断等失效现象，从而发生“锚索炸弹”的次生事故。

因此，2009—2014年，笔者团队基于“理想塑性材料”的理念研发出2代具有恒阻大变形特性的新型预应力支护材料，称之为结构型韧性材料和材料型韧性材料。结构型材料是通过恒阻套筒与恒阻体的精密几何组合，实现其在准静力拉伸荷载作用下发生内部摩擦滑移而产生恒定阻力的韧性材料。该结构的巧妙之处是不通过改变传统金属材料的属性，而是利用恒阻套筒与恒阻体之间的几何设计，实现摩擦滑移恒阻力低于传统材料屈服强度的92%～95%，最终实现保障传统金属材料不被拉断破坏的目标。结构型材料完美实现了材料在轴向拉伸过程中径向变粗，是一种具有负泊松比( Negative Poisson’s ratio，NPR)效应的新材料。因此，研发的新材料也称为NPR韧性材料。结构型NPR材料是一种成熟的韧性材料，但其并非材料自身力学特性的提升，而是通过结构弥补了材料属性的小变形瓶颈。基于此，2014年笔者团队通过改变冶金技术，研发了材料本身具有一定负泊松比特点的新型材料型NPR韧性材料。本文所探索的新型NPR锚杆韧性材料就是上述材料型韧性材料。韧性材料在岩土体发生大变形时吸收变形能，从而控制岩土体变形，实现无损控制岩土体大变形。

目前，对于NPR锚杆(索)的研究已取得了一定成果，现有研究大多集中在NPR锚杆的力学性能和工程应用方面，如静力拉伸特性、动态拉伸特性、拉剪特性、轴向落锤冲击特性、径向落锤冲击特性以及其锚固岩体的剪切力学特性研究。新型韧性材料NPR锚杆具备传统锚杆所无法比拟的优良特性，如更高的抗拉强度、更好的延展性、韧性以及抗冲击性等。在拉伸作用下，其性能表现对于保障工程结构的稳定性和安全性至关重要。现有研究在分析NPR锚杆变形特性时主要聚焦在微观层面，缺乏从宏观角度进行分析和研究。拉伸是锚杆在工程服役过程中最常面临的受力状态，对新型韧性NPR锚杆在拉伸作用下的变形特征和响应规律进行宏观分析，不仅有助于揭示NPR锚杆的工作机理和临界失效模式，还能为工程设计和施工提供重要的理论依据与技术支持，继而采取有效的预防措施和改进方法，提高NPR锚杆的可靠性和耐久性，确保工程的安全与可持续发展。

部分图片

图 1 拉伸试验装置示意

图 2 不同钢筋的应力−应变曲线示意

图 3 不同钢筋拉伸变形失效全过程不同标距点位移变化对比

图 4 不同钢筋拉伸失效后断口对比及简要分类

图 5 拉伸情况下颈缩部位关系

图 6 不同表面结构钢筋在拉伸情况下的受力示意

图 7 2种钢筋模型约束方式及网格形式

图 8 不同钢筋结构的Mises等效应力云图

图 9 2种结构钢筋沿纵向颈缩量

第一作者

陶志刚，男，1981年生，博士（后），中国矿业大学（北京）隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室教授，博士生导师，入选国家“万人计划”—青年拔尖人才支持计划。兼任中国岩石力学与工程学会兼职副秘书长，国际岩石力学学会（ISRM）中国国家小组副主席，中国岩石力学与工程学会滑坡与工程边坡分会副理事长、地壳应力与地震专业委员会副主任委员。荣获斯坦福大学全球前2%顶尖科学家（2024年）、中国知网高被引学者TOP1%榜单（2024年）、国际地质灾害与减灾协会（ICGdR）杰出青年科学家奖、中国交通运输协会科技创新青年奖、中国优秀青年能源科技工作者等荣誉称号。

研究方向

主要从事恒阻大变形材料力学特性研究、滑坡灾害智能监测及临滑预警、跨断层牛顿力测量、隧道大变形开挖补偿控制和军事抗爆冲击防护工程等方面的科研、教学工作。

主要成果

主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金（重大专项课题、面上、青年）、深地国家重大科技专项子课题等纵向项目21项，主持服务国家重大工程建设技术攻关项目50余项。研究成果获中国专利金奖（R2）、国际岩石力学与工程学会首届技术发明奖（R2）、辽宁省科技进步一等奖（R3）、河南省科技进步一等奖（R3）、中国交通运输协会科技进步一等奖（R1）、中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖（R1）等省部级科技奖励31项。第一（通讯）作者发表SCI/EI检索论文100余篇，其中ESI高被引论文13篇、热点论文6篇，单篇最高引用399次，Scopus学术引用3800余次，H指数30；出版专著与教材8部；授权国际发明专利7项、中国发明专利59项、实用新型专利32项；参编行业标准和团体标准各1项。

通讯作者

隋麒儒，男，1996年生，博士研究生，导师为何满潮院士、陶志刚教授。主要研究方向为恒阻大变形材料力学特性研究及应用。2024年入选中国科协青年人才托举工程博士生专项计划，主持两项博士研究生拨尖创新人才培育基金资助项目。总计发表高水平论文17篇，其中以第一作者、学生第一作者以及通讯作者身份发表论文12篇，涵盖9篇SCI期刊论文（其中6篇属于Q1区）、2篇EI期刊论文以及1篇ESCI期刊论文，其中ESI高被引论文1篇；同时还拥有发明专利和实用新型专利各1项。

策划丨郭晓炜

责编丨刘雅清

编辑丨李莎

审核丨常明然

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

期刊主页

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投稿网址

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