螺纹钢筋肋几何形状控制螺栓—灌浆界面脆性到延性失效转变的机理

把地下岩体拧在一起

深部隧道和洞室——无论是用于铁路、水电还是采矿——都依赖称为岩石锚杆的金属杆来防止周围岩体坍塌。这些锚杆用类似水泥的灌浆粘结在孔中，杆上的细小肋条帮助将各部分锁定在一起。本研究表明，这些肋条的尺寸和间距可以决定支护系统是突然且危险地失效，还是以更安全、更能吸收能量的方式延展变形。

为什么肋形状很重要

在完全灌浆的岩石锚杆中，载荷从钢筋传到灌浆，然后传入岩体。薄薄的锚杆—灌浆接触区常常是薄弱环节。工程师长期知道改变锚杆的肋型会改变连接的强度，但并不完全清楚其原因。作者关注一个简单的几何量：肋间距与肋高的比值。通过系统地改变该比值，他们探讨肋几何如何控制粘结是在脆性突然断裂中失效，还是在更渐进的、能量吸收的方式下发生变形。

拉拔试验直至脱出

研究团队在实验室对三种高强度钢锚杆在强花岗岩试块中使用标准水泥砂浆进行了受控的拉拔试验。一种锚杆肋条间距很密，另一种较宽，第三种则把每第二个肋去掉以达到最大间距。尽管所有锚杆承受的峰值载荷相近，但它们的失效表现截然不同。肋条密集的锚杆倾向于沿界面将灌浆切割，留下光滑的圆柱面和困在肋间的碎屑——这是一种典型的脆性剪切失效，过峰后载荷急剧下降。

从突发断裂到延展性破坏

肋间距较大的锚杆行为更为温和。其受力—位移曲线不是尖锐的断裂，而是呈较宽的峰值并随后缓慢下降，即便发生明显位移后仍保有可观的剩余强度。取开试件观察时，肋间的灌浆不仅发生剪切，还有压碎并向外挤出，引起可见裂缝和周围岩体的微小膨胀。这种混合的剪切与膨胀——称为剪切—膨胀作用——将损伤扩展到更大的区域，使系统在到达峰值载荷前吸收的能量是脆性情况的二倍半到三倍以上。沿锚杆测得的应变表明，在这些延性情况下，作用力渗透得更深，更多的灌浆材料参与承载。

用离散颗粒数值模型窥探内部

为了理解实验难以直接观测的灌浆内部过程，作者构建了基于离散元方法的详细数值模型。在该方法中，灌浆和岩体被表示为许多小颗粒通过粘结连接，从而允许裂缝自然产生和扩展。在仔细校准模型以匹配实验的应力—应变数据和拉拔曲线后，他们追踪了不同肋间距周围的力与裂缝如何演化。对于肋条密集的情况，力的传递路径几乎沿界面水平延伸，裂缝迅速汇合成薄的剪切带，解释了强度的突然丧失。对于较大间距，力链以陡角离开肋条并深入灌浆，而裂缝以倾斜的拉—剪破裂网络分散形成在更宽的区域中。

几何如何创造额外的抓力

模拟还显示，当肋间的灌浆被压碎并发生滑动时，会被迫向侧向膨胀。该自发膨胀对周围材料施加更大的压力，产生内部的约束应力，从而实际上提高了界面上的摩擦力和残余强度。换言之，合适的肋几何使界面成为一个主动的能量吸收体：它不是让单一薄面失效，而是促使一段更厚的材料区域以受控方式开裂、挤压和滑动，同时继续承担载荷。

为更安全的地下支护而设计

对非专业读者来说，关键结论是：锚杆上的细小肋条并非仅是制造细节——它们是强有力的设计杠杆。通过将肋的间距与高度比增加到优化范围内，工程师可以有意识地把失效模式从突发的脆性断裂转向逐步的延性变形，从而大幅增加能量吸收。该见解支持从单纯追求更强锚杆，转向设计它们的失效方式，使支护系统更能抵御岩爆、大规模地面移动及其他极端地下工况。

引用: 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

关键词: 岩石锚杆, 地下隧道, 结构安全, 能量吸收, 材料失效