扩大头锚杆支护体系受力机理分析的研究

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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

2、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，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

3、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

4、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

5、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

6、极限承载力与锚杆锚固长度成正比。计算公式为：（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：（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对提高锚杆的承载能力、锚固的经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

7、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，若锚杆外荷载拉力继续增大，扩大头将开始向前面发生明显位移，扩

8、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