Механизм геометрии ребер анкера в контроле перехода разрушения на интерфейсе анкер–раствор от хрупкого к пластическому

Удержание подземной породы вместе

Глубокие тоннели и камеры — будь то для поездов, гидроэнергетики или горного дела — опираются на металлические стержни, называемые горными болтами, чтобы предотвратить обрушение окружающей породы. Эти болты фиксируют в отверстиях с помощью цементоподобного раствора, а маленькие выступы вдоль стержня помогают сцеплению. В данном исследовании показано, что величина и шаг этих ребер могут определить, разрушится ли опорная система внезапно и опасно, либо деформируется и поглотит энергию более безопасным, «мягким» способом.

Почему форма ребер болта имеет значение

В полностью заполненном раствором анкерном болте нагрузки передаются от стальной штанги через раствор в породу. Слабым звеном часто оказывается тонкая контактная зона между болтом и раствором. Инженерам давно известно, что изменение рисунка ребер болта меняет прочность этого соединения, но не было ясно, почему именно. Авторы сосредоточились на простом геометрическом параметре: отношении шага ребер к их высоте. Систематически варьируя это соотношение, они исследуют, как геометрия ребер определяет, разорвется ли связь хрупко и внезапно или будет деформироваться более постепенно, поглощая энергию.

Испытания болтов на выдергивание

Команда провела контролируемые лабораторные испытания на вытягивание трёх типов высокопрочных стальных болтов, уставленных в массив прочного гранита и закреплённых стандартным цементным раствором. Один болт имел плотно расположенные ребра, второй — более широко расположенные, а у третьего каждое второе ребро было удалено для максимального увеличения шага. Хотя все болты выдерживали схожие пиковые нагрузки, характер их разрушений существенно различался. Болт с плотными ребрами, как правило, разрезал раствор по интерфейсу, оставляя гладкую цилиндрическую поверхность и раздробленный материал, застрявший между ребрами — классический хрупкий сдвиг с резким падением нагрузки после достижения максимума.

От внезапного разрушения к растягивающемуся отказу

Болты с более широким шагом ребер вели себя мягче. Вместо резкого перелома их кривые «нагрузка—смещение» показывали более широкий пик, за которым следовал медленный спад, с существенной сохраняющейся прочностью даже при заметных смещениях. При вскрытии образцов раствор между ребрами был не только сдвинут, но и раздроблен и выдавлен наружу, что вызывало видимые трещины и небольшое расширение окружающей породы. Это сочетание сдвига и выпирания — известное как сдвигово-расклинивающая деформация (shear-dilation) — распространяло повреждение на большую область и позволяло системе поглощать в 2,5–3 и более раз больше энергии до пика по сравнению с хрупким случаем. Измерения деформаций вдоль болтов подтвердили, что в этих пластичных случаях силы проникали глубже в раствор, вовлекая больше материала в перенесение нагрузки.

Заглядывая внутрь с цифровыми зернами

Чтобы понять, что происходит внутри раствора в зонах, недоступных прямому наблюдению в экспериментах, авторы построили детальную численную модель на основе метода дискретных элементов. В этом подходе раствор и порода представлены множеством маленьких частиц, связанных между собой, так что трещины могут естественно формироваться и развиваться. После тщательной калибровки модели под экспериментальные кривые напряжение—деформация и выдергивания, они отслеживали эволюцию сил и трещин вокруг ребер с различным шагом. Для плотно расположенных ребер силовые пути шли почти горизонтально вдоль интерфейса, и трещины быстро сливались в тонкую сдвиговую зону, что объясняет резкую потерю прочности. При большем шаге силовые цепочки выходили из ребер под крутыми углами и проникали глубоко в раствор, а трещины формировались в виде разреженной сети наклонных растяжительно—сдвиговых разломов в более широкой зоне.

Как геометрия создаёт дополнительное сцепление

Моделирование также показало, что по мере того как раствор между широко расположенными ребрами дробится и сдвигается, он вынужден расширяться вбок. Это самопорождаемое расширение сильнее прижимает материал к окружающим породам, создавая внутреннее конфинрующее напряжение, которое фактически увеличивает трение и остаточную прочность вдоль интерфейса. Другими словами, правильная геометрия ребер превращает интерфейс в активный поглотитель энергии: вместо того чтобы допускать разрушение по одной тонкой плоскости, она стимулирует образование более широкой зоны, где материал трескается, дробится и сдвигается контролируемым образом, продолжая при этом нести нагрузку.

Проектирование более безопасной подземной опоры

Для неспециалистов ключевой вывод таков: маленькие ребра на горном болте — не простая производственная деталь, а мощный конструкторский рычаг. Увеличивая отношение шага ребер к их высоте в оптимальном диапазоне, инженеры могут целенаправленно переводить режим разрушения от внезапного хрупкого обрыва к постепенной пластической деформации, которая поглощает значительно больше энергии. Это понимание поддерживает переход от простого увеличения прочности болтов к осознанной настройке их поведения при разрушении, что позволяет создавать опорные системы, лучше противостоящие породным выбросам, крупным перемещениям грунта и другим экстремальным подземным условиям.

Цитирование: Bian, W., Yang, J., Lu, X. et al. Mechanism of bolt rib geometry in controlling the brittle-to-ductile failure transition of bolt-grout interfaces. Sci Rep 16, 10836 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43567-9

Ключевые слова: горные болты, подземные тоннели, структурная безопасность, поглощение энергии, отказ материала