充气锚杆承载机理及群锚效应分析研究★

马向前 周勇全 孟江涛 刘金程

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411100； 2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300000)



充气锚杆承载机理及群锚效应分析研究★

马向前1周勇全2孟江涛2刘金程2

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411100； 2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300000)

通过建立充气锚杆力学模型，从杆体与扩大头侧摩阻力、端阻力、自重等方面，分析了充气锚杆承载机理，指出充气锚杆间距对群锚效应影响很大，存在最优间距H0使得土体挤密效果大于塑性区与侧摩阻叠加效果，使得群锚效应系数大于1。

充气锚杆，群锚效应，承载力，力学模型

0 引言

充气锚杆因在海洋工程及岸上软弱地基区域工程建设中具有良好的抗拔能性及应用前景而广受关注。充气锚杆是一种新型土层锚杆，最早的研究始于2000年，国外Tim Newson主要集中于充气锚杆在海洋工程中的应用研究，以室内模型试验与理论分析的方法研究充气锚杆在海相软土及砂土中充气锚杆的力学行为[1]。国内彭文祥等[3,4]将充气锚杆引入国内，并将其应用范围扩展至软土锚固工程。曹佳文等[5]首次提到了充气锚杆间具有挤土效应，尤其在软弱土层中挤土效应对锚杆群的共同承载特性影响很大，这方面的群锚力学行为与抗拔桩的群桩效应类似[6]。以上这些研究多集中在单根锚杆的承载特性与锚固机理分析上，并未对多根锚杆协同工作进行深入的研究。本文基于前人的研究成果，对充气锚杆承载机理及群锚效应进行了分析。

1 力学模型建立

锚杆按支护长度划分，可分为集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆[7]。充气锚是具有明显锚固段与自由段的端头扩大型锚杆，为集中锚固类锚杆，其主要特征是具有在膨胀介质作用下的扩大头。扩大头材质一般为橡胶膜，橡胶在膨胀过程中为非线弹性变化，充气后橡胶膜产生膨胀，对上拔过程中橡胶膜—土体的变形进行精确的描述较难实现。按照文献[10]结论，将扩大头简化成两端内收的圆柱体(见图1)。

2 承载力分析

由图1分析可知，充气锚杆抗拔承载力主要由以下几部分组成：

1)扩大头与土体之间的侧摩阻力；

2)扩大头与上部土体的端阻力；

3)杆体与土体之间的摩阻力；

4)结构自重。分别记为T1，T2，T3，T4。假定充气锚杆达到极限抗拔承载力破坏时，最终破裂面位于扩大头上方，而非杆体及扩大头与土体的侧摩擦界面上。充气锚杆极限抗拔承载力T为：

T=T1+T2+T3+T4

(1)

2.1 杆体与扩大头侧摩阻力分析

杆体可视为全长锚固类进行分析，该型锚杆承载力与锚固体直径，锚固段长度，锚杆与土体之间的摩阻强度相关。杆体虽然光滑且无粘结材料，但软土锚固工程所用的锚杆整体承载力偏低且深埋时围压较大，该部分承载力也不容忽略，计算公式见式(2)。扩大头可视为端头扩大型锚杆，该型锚杆承载力与扩大头直径，锚固段长度，锚固段与土体之间的侧摩阻相关[9]，计算公式见式(3)：

T1=πdL1Q1

(2)

(3)

其中，d为杆体直径;D为扩大头的等效直径;L1为橡胶膜长度(锚固段长度);L2为杆体长度(自由段长度);Q1为杆体与土体之间的摩阻强度;Q2为扩大头与侧壁土体之间的摩阻强度。

2.2 端阻力分析

1)深埋时，因端阻力而产生的塑性区在土体充分发展，可近似呈圆形(见图2)，此条件适用于球孔扩张理论进行分析，此时端阻力T2为：

(4)

其中，P为球孔扩张的极限压力，可按文献[8]提供的方法计算：

(5)

其中，RP为土体塑性区半径;Ru为达到极限压力时扩孔的等效半径;P0为土体初始应力;c为粘聚力；φ为内摩擦角。

2)浅埋时，端阻力产生的塑性区延伸至地表，塑性区得不到完全发展，塑性区呈现出半球形(见图3)，此时端阻力T2为:

(6)

其中，μ为球孔扩张折减系数。

3 群锚效应分析

工程界普遍认为单根锚杆与多根锚杆协同工作行为具有显著区别，锚杆群内部对土体产生的作用是相互影响的，导致锚杆群承受的荷载小于单根锚杆在单独工作条件下能承受荷载之和。

由文献[6]结果分析可知，充气锚杆的群锚效应在一定间距内对锚杆群的极限抗拔承载力具有提高作用，这与由破裂面模型以及有限元模型给出的群锚效应系数与群桩效应系数小于1的结论相矛盾[10]。

破裂面模型无法模拟锚杆充气时挤压周边土体的过程，而充气锚杆的抗拔承载力主要是由橡胶膜部分挤压周边土体提供，这也是与普通锚杆的根本区别所在。对充气锚杆群进行充气时，锚杆间的扩大头部分对锚杆群中间部分的土体挤密作用出现叠加，挤密作用进一步增强，使得锚杆群的极限抗拔承载力大于单根锚杆的极限抗拔承载力，这导致了充气锚杆的群锚效应系数大于1，该结论与静压桩的群桩效应有相似之处。

锚杆间距H是影响充气锚杆群锚效应的主要因素，随着锚杆间距H的增加，锚杆群的极限抗拔承载力先增大后减小，即存在某一间距H0，使得锚杆群的总极限抗拔承载力达到最大值。当锚杆间距较小时，即HH0时(见图4b))，周围土受到挤密，土体性质得到改良，端阻产生的塑性区作用范围叠加减弱，土体受到共同挤密作用大于侧摩阻力与侧摩阻力叠加影响，锚杆群共同承载能力提升，此时群锚效应系数大于1；当锚杆间距增大以致无限远时，即

H≫H0时(见图4c))，群锚效应减少，最终趋于单根锚杆工作状态，此时群锚效应系数为1。

4 结语

1)建立了充气锚杆的力学模型，采用经验公式对其极限抗拔承载力进行了分析与计算。充气锚杆抗拔承载力主要由充气扩大头与土体之间的侧摩阻力及上部土体的端阻力构成，杆体与土体之间的摩阻力及结构自重对承载能力影响较小。

2)充气锚杆群的群锚效应使其极限抗拔承载力提高的原因在于锚杆间土体在充气扩大头作用下产生的挤密作用所导致的。

3)充气锚杆群锚工作时，存在最优间距H0使得群锚效应产生有利于承载力提高的影响；当HH0时，叠加效果逐渐减弱，挤密作用起主导作用；当H≫H0时，趋于单根锚杆工作状态。

[1]GallacherT.,Sthephen.NovelAnchoringSystemsForRemotelyOperatedVehicles.HonorsYearDissertation.The4thyearbengthesiDepartmentofCivilEngineeringoftheUniversityofDundee.StePhen,2000.

[2]NewsonTA,SmithFW,BrunningP.Anexperimentalstudyofinflatableoffshoreanchorsinsoftclay[J].ThomasTelford, 2003(8):32.

[3] 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.

[4] 彭文祥,徐松山,曹佳文，等.充气锚杆力学性能的非线性有限元分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(S1):3104-3109.

[5] 曹佳文.充气锚杆力学特性试验研究与数值模拟分析[D].长沙:中南大学,2011.

[6] 刘文骏.砂土充气锚杆循环荷载作用承载特性及其群锚效应研究[D].湘潭:湖南科技大学,2016.

[7] 陆士良.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

[8] 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):1696-1702.

[9] 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.

[10] Shelke A, Patra N R. Effect of Arching on Uplift Capacity of Pile Groups in Sand[J]. International Journal of Geomechanics,2008,8(6):347-354.

Study on bearing mechanism and group effect of inflatable bolt★

Ma Xiangqian1Zhou Yongquan2Meng Jiangtao2Liu Jincheng2

(1.CollegeofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411100,China; 2.ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300000,China)

Through the establishment of the aerodynamic model of the inflatable bolt, the bearing mechanism of the inflatable anchor is analyzed, from rod body and the enlarged head side friction resistance, end resistance and self weight. Point out the anchorage anchor spacing has a great influence on the group anchoring effect, and the optimal spacingH0makes the soil compaction effect more than the plastic zone and the lateral friction superimposed effect, making the group anchoring effect coefficient greater than 1.

inflatable bolt, anchor group effect, bearing capacity, mechanical model

1009-6825(2017)07-0043-02

2016-12-24 ★：湖南省研究生科研创新项目(CX2015B494)

马向前(1990- )，男，在读硕士

TU473.11

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