《扩大头锚杆支护体系受力机理分析的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扩大头锚杆支护体系受力机理分析的研究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、扩大型锚杆支护结构体系受力机理分析摘要：根据设计规范分析锚杆受力过程中的影响因素，确定了锚杆的极限承载力主要由锚固体直径及锚固段长度确定。为了更好的掌握扩大型锚杆支护结构体系受力机理分析，基于大量的试验数据，对扩大型锚杆受力过程进行了分析总结，指出其受力过程大致分为三个阶段：第一阶段为静止土压力阶段，此阶段锚杆位移较小。锚杆受力变形性能由锚固段的摩阻力决定；第二个阶段为过渡阶段，此阶段之后，锚杆的受力变形性能由扩大头端前土体压缩性能决定；第三个阶段为塑性区压密-扩张阶段，随着岩土体压密强化，扩大头锚固能力有效提高。关键词：锚杆；扩大头；极限承载力；抗拔力1 引 言随着我国城市经济建设事业的发展
2、，城市用地日趋紧张，为充分利用土地空间资源，实现可持续发展，基坑支护工程发展迅速，基坑深度越来越深 1。基坑支护问题成为目前岩土工程界和学术界讨论的一个热点话题。伴随基坑支护工程的发展，锚杆支护工程也在大量工程实践中不断丰富发展，对其受力机理的认识也在逐步深入、全面。适合不同工程条件下的锚杆支护理论也在迅速发展并完善 2。目前锚杆支护结构体系主要分为：（1）由锚杆悬吊作用总结出悬吊及减跨理论等；（2）由锚杆挤压和加固作用总结出组合梁、组合拱理论等；（3）综合锚杆的所有作用总结出松动圈支护理论，锚固体强度强化理论，锚注理论，最大水平应力理论，锚杆桁架支护理论等 3-6。扩体型锚杆支护体系在锚杆底
3、端或者在锚固段内的任何位置，钻孔施工过程中利用机械或水力等方法进行扩孔，注浆后形成扩大头的锚杆体，锚杆体扩大后，抗拔能力得到有效提高 7。目前该项技术逐渐成为岩土工程界提高稳定性及解决复杂岩土工程问题经济、有效的途径之一 8。扩体型锚杆支护结构体系的优势：将扩孔扩大至原直径的 1-2 倍，提高锚固体与岩土体的接触面积，受力更加合理；能够充分挖掘岩土体的能量，调节岩土体自身强度和自承能力，大大减轻结构自重；节约工程材料造价低、经济效益显著；支护稳定性好、基础施工便利。通过锚杆和浆体的共同作用，加锚后岩土体的组织构造变得更密实，裂隙或孔隙率减少，岩土体的材料参数发生变化，弹性模量、抗压强拆、内摩擦
4、角和黏聚力有可能提高，渗透系数有可能变小，岩土体内的抗剪和抗滑力大大增强，岩土体内塑性区明显减少。扩体型锚杆支护结构体系也存在一定劣势：承载能力较低，锚杆锚固段长度设计偏长，经济效益、施工效率、质量控制方面比较欠缺，以上因素制约了预应力锚杆的进一步推广及应用 9。目前扩大型锚杆支护结构体系面临的问题：（1）现有锚杆支护理论存在一定局限性，对锚固体的结构特征及作用机理认识还不够全面、准确，且计算难度大；（2）锚杆支护结构与周围岩土体的相互作用规律及效果尚不清楚；（3）锚杆锚固力演变规律的研究比较缺乏。2 扩体型锚杆支护结构体系受力机理分析锚杆发挥作用的前提：一是锚杆锚固材料与围岩之间有足够的黏结
5、力；二是锚固段足够长 10。锚杆通过杆体和灌浆形成的锚固体与锚固层之间的摩擦作用进行荷载传递，传递机理复杂。目前在岩土工程中关于锚杆的设计，锚杆的极限承载力与锚杆锚固长度成正比。计算公式为：sauq DLT（1）式中： 为锚杆的极限承载力； 为钻孔直径； 为锚固段长度； 为注浆UTDas体与岩土体界面上的黏结强度指标。Barley 教授提出了对应的修正公式为：sauq DLT（2）式中： 为与固定长度有关的有效因子。通过式（1） 、 （2）知，当地层与施工工艺确定后， 即可确定，因此锚杆sq的极限承载力主要由 与 确定。从而优化锚固体的直径及锚杆锚固段的长度DaL对提高锚杆的承载能力、锚固的经
6、济效益起到关键的作用。而从经济、技术角度分析，增加锚杆的有效长度提高锚杆的承载能力是受限制的，且材料的性价比较高。所以最优选择是增加锚固体的直径。扩大型锚杆的受力组成 11：普通锚固段锚固体侧壁与周围土体的摩擦力，扩大头侧壁与周围土体的摩擦力，土体对扩大头端部的正应力。属于摩擦端压型锚杆。扩大型锚杆受力过程分为三个阶段：第一阶段：静止土压力阶段。锚杆外荷载拉力较小，普通锚固段、扩大头段侧壁受摩阻力，扩大头前端面受静止土压力。此阶段锚杆位移较小。锚杆受力变形性能由锚固段的摩阻力决定。如图 1 所示。图 1 扩大型锚杆受力破坏过程第二阶段：过渡阶段。扩大头侧摩阻力达到静摩阻力峰值后，若锚杆外荷载拉
7、力继续增大，扩大头将开始向前面发生明显位移，扩大头前端面压力开始增大，扩大头端前土体逐渐产生局部塑性区。若锚杆外荷载拉力持续增大，土体塑性区范围将逐渐扩大并连通形成一个整体。此阶段之后，锚杆的受力变形性能由扩大头端前土体压缩性能决定。因土体的压缩变形壁摩阻变形大，该阶段的重要特征是拉力-位移曲线上出现一个拐点，拐点之后的曲线斜率变小，位移增大，这个拐点称为“端压拐点” 。如图 2、3 所示。图 2 扩大型锚杆受力破坏过程图 3 扩大型锚杆受力破坏过程第三阶段：塑性区压密-扩张阶段。端压拐点后，锚杆外荷载拉力继续增大，扩大头向前发生较大位移，塑性区土体受外围土体压力约束，在扩大头的压迫下被压缩，
8、进行应力状态与塑性区范围调整。当扩大头埋深较大，随锚杆外荷载拉力的增加，土体不断被压密，压密后的土体提供给扩大头的抗力随之增加，锚杆位移趋于收敛稳定。此时，锚杆外荷载拉力进一步增加，塑性区土体将发生剪胀，塑性区范围扩张，进入新一轮的应力状态分布和塑性区范围的调整过程。若扩大头埋深足够大或塑性区外围存在较硬岩土层，塑性区调整后将获得更大一级的围压，使塑性区岩土体被压密到与这个围压相对应的更大一级的临界密度，提供给扩大头更大一级的抗力，锚杆将获得更大一级的抗拔力。锚杆位移将趋于新的收敛稳定状态。该阶段锚杆的位移特征是拐点后土体将进入塑性区压密- 扩张阶段，因扩大头向前位移对土体的压密强化作用，表现
9、在循环加荷载试验中，即在同一外荷载拉力增量级别因前一循环对土体的压密作用使其刚度增大，后一循环的位移减小，位移曲线斜率增大。对施工锚杆进行测试，测试结果更好的印证了以上观点。测试锚杆完整出现了上述 3 个阶段及“端压拐点” （如图 4、5 所示） 。从图中可以看到，当荷载达到 650 为塑性变形 的拐点，新的塑性变形开始发生。此时继续增大外KNpS荷载拉力，虽然扩大头部分继续发生前移，但是锚杆的抗拔力不断增加。当最大实验荷载达到 916 ，试验压力稳定，锚杆位移、蠕变量满足设计规范要求，KN锚杆未出现破坏征兆。在第三阶段，相同的外荷载拉力，前一循环位移曲线斜率明显小于后一循环，其原因是前一循环
10、使扩大头端前土体得到压密，在后一循环变形减小。图中： 表示锚杆拉力； 表示位移变形； 表示弹性变形；QSeS表示塑性变形。pS图 4 试验锚杆 曲线图SQ图 5 试验锚杆 曲线图peSQ,3 结论（1）扩大型锚杆受力过程分为三个阶段：第一个阶段为静止土压力阶段；第二个阶段为过渡阶段；第三个阶段为塑性区压密-扩张阶段。扩大型锚杆属于端压- 摩擦性锚杆。（2）扩大型锚杆端压力主要受扩大头埋深、岩土体的黏聚力 和内摩擦角c的影响。同时，锚固长度越长，扩大头直径越大，锚杆的抗拔力越大。参考文献1 赵海生. 基坑支护可拆型锚杆技术研究及应用J.岩土力学，2005，26（11）：1766-1774.2 杨
11、双锁，曹建平 .锚杆受力演变机理及其与合理锚固长度的相关性J.采矿与安全工程学报，2010，27（1）：1-7.3 侯朝炯，郭励生，勾攀峰等.煤巷锚杆支护M.中国矿业大学出版社，1999:7-61.4 侯朝炯，勾攀峰 .巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究J.岩石力学与工程学报，2000，19（3）：365-368.5 侯朝炯. 煤巷锚杆支护的关键理论与技术J.矿山压力与顶板管理，2002,19（1）：2-5.6 杨双锁，康立勋，钱鸣高.煤矿回采巷道支护-围岩相互作用全过程分析J.岩石力学与工程学报，2002，21（增刊）：1978-1981.7 胡建林，张培文 .扩体型锚杆的研制及其抗拔试验研究J.岩土力学，2009，30（6）：1615-1619.8 程良奎. 岩土锚固的现状及发展J.土木工程学报，2001，34（3）：7-12.9 廖洪钧，吴国维，许世宗.砂土中垂直锥形扩座地锚这锚碇行为C.第七届大地工程学术研讨会论文集：金山：s.n.，1997:463-470.10 陈建勋，乔雄，王梦恕.黄土隧道锚杆受力与作用机制J.岩石力学与工程学报，2011，30（8）：1690-1697.11 曾庆义，杨晓阳，杨昌亚.扩大头锚杆的力学机制和计算方法J.岩土力学，2010，31（5）：1359-1367.
