充气锚杆加固砂土地基的研究进展

蒋凌云，陈秋南，2，龚拼，衣利伟，罗鹏

（1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201； 2. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南 湘潭，411201）

充气锚杆加固砂土地基的研究进展

蒋凌云1，陈秋南1，2，龚拼1，衣利伟1，罗鹏1

（1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201； 2. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湖南 湘潭，411201）

对充气锚杆的变形特性、承载特性及破坏形态进行了论述，总结了充气锚杆的一些力学规律：（1）充气压力越大，橡胶膜膨胀体体积就越大，膨胀体大致呈圆柱状。分析充气锚杆受力时，可将扩大头近似为等效圆柱体。向充气锚杆中高压注浆，能够有效地控制膨胀体的体积与形状，并为充气锚杆承载力的估算提供方便。（2）端部阻力与侧向阻力是充气锚杆扩大头极限承载力的主要组成部分，可用圆孔扩张理论更好地计算充气锚杆的端部阻力。（3）就充气锚杆的失效形态而言，多囊式充气锚杆与单囊充气锚杆相比，多囊式充气锚杆不会发生锚杆断裂破坏，因此，在实际砂土地基处理中，应优先选用多囊式充气锚杆。

充气锚杆； 变形特性； 承载特性； 失效形态

Key wards：inflatable anchor； deformation characteristics； bearing features； failure mode

自上世纪以来，国民经济的发展推动我国城市进入了飞速发展阶段，特别是在我国沿海地区，土地资源极其缺乏，且这些沿海城市土质多以软土或砂土为主。然而这些外因并没有阻止城市建设的发展，反而将城市建设推向了一个高潮时期，这就使得该地区的工程地质条件跟地下工程建设的发展之间的矛盾越发突出［1-2］。近年来，因沿海地区土质抗拔力较低，多采用地下连续墙或排桩加内撑作为基坑的支护方式，这不仅增加了基坑支护成本，也导致工程事故愈加频繁。因此，充气锚杆作为一种新型锚杆被提出（图1）［3］，因其具有充气后能挤密砂土的特性，在沿海地区砂土地基加固中得到了广泛应用。充气锚杆在一定程度上解决了普通注浆锚杆在砂土地区不能提供足够抗拔力的难题。

图1　充气锚杆实物图

图2　单囊充气锚杆

图3　多囊式充气锚杆

本文通过总结目前相关科研成果，就现有的单囊和多囊充式气锚杆（图2、3）应用于砂土地基中的变形特性、承载特性及失效形态问题及其发展方向进行叙述与探讨，为地下工程领域今后的相关研究提供参考。

1　变形特性

通过向锚杆的钢管充以一定压力的气体，使橡胶膜形成腰鼓状扩大头，挤密橡胶膜周边砂土，将砂土中孔隙水排出，从而达到加固砂土地基的目的。在挤密砂土地基时，充气锚杆变形以锚杆端头的橡胶膜发生弹塑性变形为主。当橡胶膜变形较大时，橡胶膜就会被拉断或被刺破而失效。

在文献［1］中，笔者首先在无围压状态下，对充气锚杆进行充气试验，得到了无围压情况下充气锚杆的充气压力跟扩大头体积之间的关系。随后将充气锚杆埋在砂土中进行充气试验，得到了橡胶膜在土体中的充气压力与扩大头体积的试验数据，从而猜想橡胶膜跟土体之间可能有“纯压力”存在。最后将充气锚杆埋在软土中进行充气试验，验证了“纯压力”这一假说。橡胶膜在低压力下引起的变形不大，随着充气压力的不断增大，扩大头体积逐渐增大，且上粗下细，整体大致呈圆柱状。因此，在分析充气锚杆受力情况时，扩大头可近似按其等效圆柱体进行分析。橡胶膜发生变形时，其变形过程见图4。

曹佳文等人［4］在室内通过设计模型进行了试验，并应用Bishop的圆孔扩张理论分析了充气锚杆在膨胀初期，充气压力与膨胀体体积之间的关系。发现随着压力的不断增大，砂土先后经历4个阶段，即弹性变形阶段，塑性变形阶段，破坏阶段，最后进入到塑性流动阶段。充气锚杆在砂土中充气后，其端部的橡胶膜形成近似圆柱体，充气压力越大，土体附加应力就越大，但存在一个极限应力值。

同时，曹佳文等人［4］在试验过程中还向充气锚杆内高压注射水泥砂浆，发现注入浆液后能有效地减少充气锚杆的位移，提高地基承载力。灌浆固结后的充气锚杆，即有充气锚杆的优点，也具有普通注浆锚杆的特性，能够有效地控制膨胀体的体积与形状，同时为充气锚杆承载力的估算提供了方便。

图4　充气锚杆橡胶膜变形过程

2　承载特性

端部阻力和侧向阻力是构成充气锚杆极限承载力的主要组成部分。文献［5］作者通过试验得出在充气锚杆承载初期，端部阻力发挥着主要作用；而随着荷载的不断增大，端部阻力会出现一个极值，此时以侧向阻力为主。彭文祥等人［6］运用Bishop的圆孔扩张理论较好地描述了膨胀体端部对土体产生的弹性、塑性变形力学机制，从而更好地估算了充气锚杆端部阻力值。与普通锚杆相比，充气锚杆膨胀压力对土体的挤压膨胀作用在某种程度上大大增加了锚杆的侧向阻力，提高了锚杆的承载力。

早期一些学者对充气锚杆承载力的主要影响因素进行了初步探讨。如21世纪初期，Newson等人［7］对砂土地基充气锚杆进行了简单的室内试验，结果表明，充气锚杆在砂土路基中，其承载特性主要受砂土的密实程度、充气压力的大小、锚杆埋设的深度、锚杆的长度、橡胶膜的厚度及其粗糙程度等的影响； 与螺旋锚杆的实验比较结果表明，在同等条件下，螺旋锚杆极限抗拔承载力仅为充气锚杆的 1/4。另一些学者常用扩大头桩基础的抗拔承载力经典公式，对充气锚杆抗拔承载力进行估算，但摩擦圆柱法、Meyerhof-Adams法等也常被作为较典型的计算法则［8-9］。各方法的共同之处是将扩大头端部阻力和侧表面与土体的摩阻力视为构成扩大头极限抗拔承载力主要组成部分。锚杆极限抗拔承载力的一般计算公式为Qu= Qsu+ Qpu，且Qsu= πDLqsu，Qpu= （D2- d2）πβcγmH/4。式中：Qpu为锚杆的扩大头圆柱体端阻力； Qsu为锚杆扩大头圆柱体侧向阻力； D为扩大头的圆柱体直径； d为锚杆的拉杆直径； L为扩大头长度； qsu为锚固体跟周围岩土体间的黏结强度，其与扩大头周围土体应力、扩大头和土体间的摩擦因数等有关； H为锚固段上覆土层的厚度； γm为锚固段上覆土层的加权平均重度； βc为扩大头承载力系数，与扩大头埋深、直径及摩擦角等因素有关。

由公式qsu= σratanϕ + c可知，当σra为极限压力，即为土体第一主应力时，静止土压力远大于普通锚杆静止土压力。由于膨胀体挤压周围土体，提高了地基承载力，因此，充气锚杆的侧向阻力也远大于普通锚杆的侧向阻力。

近年来，彭文祥等人［10-11］通过在锚杆端部增加橡胶膜个数，形成串囊式充气锚杆。通过对串囊式充气锚杆进行室内抗拔试验发现，在同等条件下，与单囊充气锚杆相比，串囊式充气锚杆的极限抗拔承载力比单囊充气锚杆增加了1.2～1.7倍，极限位移仅为单囊充气锚杆的37%～66%。因此，串囊式充气锚杆无论在提高承载力还是在控制位移方面都优于单囊充气锚杆，在实际工程中，若条件许可，应优先选用串囊式充气锚杆。

3　失效形态

因充气锚杆所处的土体材料和所采用的橡胶膜都具有黏性、弹性和塑性，且充气锚杆的受力变形以非线性为主，其荷载与位移呈曲线关系。因此，充气锚杆受力由4个过程组成，即充气膨胀、弹性变形、塑性变形和极限破坏过程（图5）。

图5　充气锚杆受力过程

彭文祥等人［12-13］通过试验研究得到，普通充气锚杆在砂土路基中的失效形态主要有3种：（1）充气锚杆的拉杆（钢管）破坏。当橡胶膜扩大头提供的锚固力足够大时，充气锚杆的拉杆（钢管）就有可能出现被拉断而失效。（2）充气锚杆橡胶膜破裂。当充气锚杆橡胶膜的抗拉强度远不能承受锚杆传递的拉力荷载时，橡胶膜将被拉裂而失效，或当土层中存在可能致使橡胶膜发生刺破的锋利物时，橡胶膜亦会被刺破而失效。（3）充气锚杆端部膨胀体周边土体发生破坏。当橡胶膜的抗拉强度跟锚杆杆体强度都很大时，膨胀体受压端周围土体将发生破坏。当本级荷载作用下产生的锚头沉降量是上一级荷载锚头沉降量的2倍时，则可初步断定土体已发生剪切破坏。当膨胀体周边的土体已发生剪切破坏时，锚杆将被整体拔出，试验中发现普通充气锚杆在砂土路基中的失效形态以此种破坏为主。

文献［9］的作者通过室内试验发现，串囊式充气锚杆在砂土路基中的失效形态主要有2种：（1）橡胶膜破裂。充气锚杆在充气过程中，当具有有限弹塑性变形范围的橡胶膜的充气压力超过其极限时，膨胀的橡胶膜会因体积过大发生破裂而失效，或当橡胶膜充气膨胀后遇土体中尖锐物将橡胶膜刺破而失效。（2）锚固段（膨胀体）周边土体发生破坏。锚杆膨胀体周围土体的受力过程可分为3个阶段：静止土压力阶段、过渡阶段、塑性区压密—扩张阶段。不断增加锚杆外荷拉力，土体进入全塑状态后将发生剪切破坏，锚杆将会从土体中拔出。

4　结论

因充气锚杆在充气条件下，能挤密砂土地基而被研究，并在沿海地区砂土地表的加固中被广泛应用。然而，到目前为止，国内外对其开展的研究尚处于起步阶段，其变形特性、承载特性和破坏形态都有待深入研究。本文根据目前对充气锚杆的研究成果，就其在砂土中的应用表现有以下总结。

（1）充气压力越大，橡胶膜膨胀体体积就越大，整个膨胀体大致呈圆柱状，在分析充气锚杆受力情况时，可近似按等效圆柱体进行分析。在实际工程中，可向充气锚杆中高压注浆，能够有效地控制膨胀体的体积与形状，并为充气锚杆承载力的估算提供方便。

（2）端部阻力与侧向阻力是充气锚杆扩大头极限承载力的主要组成部分。利用圆孔扩张理论可更好地计算充气锚杆的端部阻力。同等条件下，增加橡胶囊个数不仅可以减少充气锚杆的极限位移，还可增加充气锚杆的极限抗拔承载力。

（3）单囊充气锚杆的失效形态为拉杆（钢管）破坏、橡胶膜胀裂和扩大头端部周围土体剪切破坏； 多囊式充气锚杆的失效形态为橡胶膜胀裂和扩大头端周围土体剪切破坏。在实际工程中，若条件许可，应优先选用多囊式充气锚杆。

（4）由于充气锚杆的一些特性及优点，其在沿海砂土地基中具有广泛的应用前景。充气锚杆布置形式、锚杆间距及群锚效果等将会成为未来的研究热点之一。

［1］ 尹泉. 充气锚杆的试验研究［D］. 长沙：中南大学，2011.

［2］ 彭文祥，曹佳文. 充气锚杆的研究现状及展望［J］. 科技导报，2010，28（5）：111-115.

［3］ 彭文祥，徐松山，曹佳文，等. 充气锚杆力学性能的非线性有限［J］. 岩石力学与工程学报，2012，31（z1）：3 104-3 109.

［4］ 曹佳文，彭文祥，彭振斌，等. 充气锚杆在砂土中变形与承载特性试验研究［J］. 中南大学学报（自然科学版），2011，42（5）：1-6.

［5］ 曹佳文，彭振斌，彭文祥，等. 充气锚杆在软土中的力学特性试验研究［J］. 岩土工程学报，2011，33（9）：1 399-1 401.

［6］ 彭文祥，张旭，曹佳文. 充气锚杆极限承载力计算方法［J］. 岩土力学，2013，34（6）：1 696-1 702.

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［9］ 刘祖德. 抗拔桩基础［C］// 刘金励. 桩基工程技术. 北京：中国建材工业出版社，1996：661−664.

[10] 彭文祥, 张旭, 莫建军, 等. 串囊式充气锚杆在砂土中的模型试验研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2015, 42(7): 93–99.

[11] 莫建军. 串囊式充气锚杆力学特性试验研究[D]. 长沙: 中南大学, 2014.

[12] 彭文祥, 张旭, 莫建军, 等. 串囊式充气锚杆在砂土中的模型试验研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2015, 42(7): 93–99.

[13] 彭文祥, 王苑, 曹佳文. 充气锚杆数值单元的建立与分析[J]. 工程勘察, 2010, (6): 6–14.

(责任编校: 江河)

Research progress of inflatable anchor for sandy soil foundation

Jiang Lingyun1，Chen Qiunan1，2，Gong Ping1，Yi Liwei1，Luo Peng1
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China； 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

Deformation properties，bearing behavior and failure modes of the inflatable anchor are discussed. The results show as follows：（1）The volume of rubber became larger with the increasing of air pressure，and inflatable is column. Enlarge head is as equivalent cylinder when discussing the force condition of inflatable anchor. At the same time，the column and shape of the inflatable anchor are controlled by high pressure grouting to provide convenience for the bearing force estimating of the inflatable anchor. （2）the main components of enlarge head ultimate bearing capacity of the inflatable anchor is tip resistance and lateral resistance，and the tip resistance would be better calculated by cavity expansion theory. （3）for the failure mode of the inflatable anchor，the anchor of polyclinic inflatable anchor could not be erupted than cystic inflatable anchor，so the polyclinic inflatable anchor should be preferred to use at practical engineering if the condition allowed.

TU 473.1

1672-6146（2016）02-0050-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.02.012

蒋凌云，jianglingyun81290@163.com。

2016-03-02

国家自然科学基金（41172275，41372303，51408216）；湖南省交通厅科技进步与创新项目（201229）； 湖南省自然科学基金（14JJ4046）；湖南科技大学研究生创新基金（S140012）。