創新點

（1）本文首次從宏觀視角系統分析其在拉伸荷載下的變形特征，包括全過程變形監測、斷口形態對比及頸縮機制探討，為揭示新型NPR錨桿韌性材料宏觀失效模式提供了新視角。

（2）通過對不同標距點的全過程變形監測，研究發現相比于傳統材料，新型NPR錨桿韌性材料具有更好的均勻變形特性，且在拉伸變形失效全過程早期階段就開始發生均勻變形，證明NPR錨桿能更早、更持續地吸收變形能，適應巖土體大變形需求。

（3）通過力學機制分析NPR錨桿均勻變形特性及頸縮現象不顯著的原因，并通過LS-DYNA 算法揭示了螺紋肋結構是促使鋼筋在拉伸過程中能夠更好地均勻變形的宏觀因素之一。

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拉伸荷載條件下新型NPR錨桿韌性材料宏觀變形特征分析

作者：陶志剛^1,2,3, 隋麒儒^1,2, 豐于翔^1,2, 孟志剛, 姚旭龍, 何滿潮^1,2

單位：1. 中國礦業大學(北京) 隧道工程災變防控與智能建養全國重點實驗室；2. 中國礦業大學(北京) 力學與土木工程學院；3. 華北理工大學 礦業工程學院；4. 浙大寧波理工學院 土木建筑工程學院

引用格式：

陶志剛，隋麒儒，豐于翔，等.拉伸荷載條件下新型NPR錨桿韌性材料宏觀變形特征分析[J].綠色礦山，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

巖土工程在受到復雜地質條件的綜合作用時極易產生大變形災害響應，傳統金屬支護材料因不能夠忍受大變形而發生失效破壞現象。為應對大變形災害，研發了新型NPR錨桿韌性材料( Negative Poisson’s Ratio bolt)。為了探索新型NPR錨桿韌性材料的宏觀變形特征，開展了NPR錨桿室內拉伸對比試驗。采用NPR錨桿專用試驗機，并利用相機進行全過程變形特征記錄。結果發現：NPR錨桿具有更好的均勻變形特性，且在拉伸變形失效全過程早期階段就開始發生均勻變形；對不同鋼筋進行失效斷口分類：主要分為“分層型斷口”和“纖維–基體之間的界面破壞類斷裂型斷口”；通過力學機制分析NPR錨桿均勻變形特性及頸縮現象不顯著的原因：發現NPR鋼在拉伸變形失效后的頸縮處曲率半徑更大，使其頸縮現象不明顯，這是由于其最大均勻應變與最大應變差值相對較小所致；通過LS-DYNA算法對螺紋肋結構和光圓結構對于鋼筋變形的影響進行數值模擬分析，結果證明螺紋肋結構使得鋼筋在拉伸過程中能夠更好地均勻變形，吸收變形能。綜上所述，通過對新型NPR錨桿韌性材料的變形特征的宏觀分析，有助于更好地揭示其靜力拉伸性能，為準靜態工程實踐提供了有價值的參考。

引言

在巖土工程領域中，預應力錨桿(索)作為一種重要的支護和加固材料，往往發揮著重要的主動控制作用。無論是在隧道工程、能源工程，還是在邊坡工程等重要領域，錨桿(索)都得到了廣泛的工程應用。眾所周知，巖土工程往往面臨著極為復雜的綜合地質作用，在這樣的環境作用下，巖土體大變形災害常有發生。傳統鋼筋作為錨桿(索)的主要制作材料之一，屬于小變形材料，延伸率較低，因無法有效忍受巖土體大變形而出現頸縮、拉斷等失效現象，從而發生“錨索炸彈”的次生事故。

因此，2009—2014年，筆者團隊基于“理想塑性材料”的理念研發出2代具有恒阻大變形特性的新型預應力支護材料，稱之為結構型韌性材料和材料型韌性材料。結構型材料是通過恒阻套筒與恒阻體的精密幾何組合，實現其在準靜力拉伸荷載作用下發生內部摩擦滑移而產生恒定阻力的韌性材料。該結構的巧妙之處是不通過改變傳統金屬材料的屬性，而是利用恒阻套筒與恒阻體之間的幾何設計，實現摩擦滑移恒阻力低于傳統材料屈服強度的92%～95%，最終實現保障傳統金屬材料不被拉斷破壞的目標。結構型材料完美實現了材料在軸向拉伸過程中徑向變粗，是一種具有負泊松比( Negative Poisson’s ratio，NPR)效應的新材料。因此，研發的新材料也稱為NPR韌性材料。結構型NPR材料是一種成熟的韌性材料，但其并非材料自身力學特性的提升，而是通過結構彌補了材料屬性的小變形瓶頸。基于此，2014年筆者團隊通過改變冶金技術，研發了材料本身具有一定負泊松比特點的新型材料型NPR韌性材料。本文所探索的新型NPR錨桿韌性材料就是上述材料型韌性材料。韌性材料在巖土體發生大變形時吸收變形能，從而控制巖土體變形，實現無損控制巖土體大變形。

目前，對于NPR錨桿(索)的研究已取得了一定成果，現有研究大多集中在NPR錨桿的力學性能和工程應用方面，如靜力拉伸特性、動態拉伸特性、拉剪特性、軸向落錘沖擊特性、徑向落錘沖擊特性以及其錨固巖體的剪切力學特性研究。新型韌性材料NPR錨桿具備傳統錨桿所無法比擬的優良特性，如更高的抗拉強度、更好的延展性、韌性以及抗沖擊性等。在拉伸作用下，其性能表現對于保障工程結構的穩定性和安全性至關重要。現有研究在分析NPR錨桿變形特性時主要聚焦在微觀層面，缺乏從宏觀角度進行分析和研究。拉伸是錨桿在工程服役過程中最常面臨的受力狀態，對新型韌性NPR錨桿在拉伸作用下的變形特征和響應規律進行宏觀分析，不僅有助于揭示NPR錨桿的工作機理和臨界失效模式，還能為工程設計和施工提供重要的理論依據與技術支持，繼而采取有效的預防措施和改進方法，提高NPR錨桿的可靠性和耐久性，確保工程的安全與可持續發展。

部分圖片

圖 1 拉伸試驗裝置示意

圖 2 不同鋼筋的應力?應變曲線示意

圖 3 不同鋼筋拉伸變形失效全過程不同標距點位移變化對比

圖 4 不同鋼筋拉伸失效后斷口對比及簡要分類

圖 5 拉伸情況下頸縮部位關系

圖 6 不同表面結構鋼筋在拉伸情況下的受力示意

圖 7 2種鋼筋模型約束方式及網格形式

圖 8 不同鋼筋結構的Mises等效應力云圖

圖 9 2種結構鋼筋沿縱向頸縮量

第一作者

陶志剛，男，1981年生，博士（后），中國礦業大學（北京）隧道工程災變防控與智能建養全國重點實驗室教授，博士生導師，入選國家“萬人計劃”—青年拔尖人才支持計劃。兼任中國巖石力學與工程學會兼職副秘書長，國際巖石力學學會（ISRM）中國國家小組副主席，中國巖石力學與工程學會滑坡與工程邊坡分會副理事長、地殼應力與地震專業委員會副主任委員。榮獲斯坦福大學全球前2%頂尖科學家（2024年）、中國知網高被引學者TOP1%榜單（2024年）、國際地質災害與減災協會（ICGdR）杰出青年科學家獎、中國交通運輸協會科技創新青年獎、中國優秀青年能源科技工作者等榮譽稱號。

研究方向

主要從事恒阻大變形材料力學特性研究、滑坡災害智能監測及臨滑預警、跨斷層牛頓力測量、隧道大變形開挖補償控制和軍事抗爆沖擊防護工程等方面的科研、教學工作。

主要成果

主持國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金（重大專項課題、面上、青年）、深地國家重大科技專項子課題等縱向項目21項，主持服務國家重大工程建設技術攻關項目50余項。研究成果獲中國專利金獎（R2）、國際巖石力學與工程學會首屆技術發明獎（R2）、遼寧省科技進步一等獎（R3）、河南省科技進步一等獎（R3）、中國交通運輸協會科技進步一等獎（R1）、中國巖石力學與工程學會科技進步一等獎（R1）等省部級科技獎勵31項。第一（通訊）作者發表SCI/EI檢索論文100余篇，其中ESI高被引論文13篇、熱點論文6篇，單篇最高引用399次，Scopus學術引用3800余次，H指數30；出版專著與教材8部；授權國際發明專利7項、中國發明專利59項、實用新型專利32項；參編行業標準和團體標準各1項。

通訊作者

隋麒儒，男，1996年生，博士研究生，導師為何滿潮院士、陶志剛教授。主要研究方向為恒阻大變形材料力學特性研究及應用。2024年入選中國科協青年人才托舉工程博士生專項計劃，主持兩項博士研究生撥尖創新人才培育基金資助項目。總計發表高水平論文17篇，其中以第一作者、學生第一作者以及通訊作者身份發表論文12篇，涵蓋9篇SCI期刊論文（其中6篇屬于Q1區）、2篇EI期刊論文以及1篇ESCI期刊論文，其中ESI高被引論文1篇；同時還擁有發明專利和實用新型專利各1項。

策劃丨郭曉煒

責編丨劉雅清

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設領域高端學術交流平臺，2023年5月，經國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應運而生。《綠色礦山》為季刊，國內統一連續出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環境保護、低碳技術及節能減排、數字礦業、綠色低碳經濟政策與評價等。

期刊主頁

http://www.lsks.org.cn

投稿網址

https://lsks.cbpt.cnki.net/EditorAN/index.aspx?t=1

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