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充气锚杆力学特性试验研究与数值模拟分析

曹佳文  
【摘要】:充气锚杆是一种全新结构的锚杆,是利用软土在外力作用下能够产生较大变形的特点研发的,即采用气体或液体注入套扎在钢管上的密封橡胶膜,通过膨胀挤压周边土体,形成扩大头充当锚固段。充气锚杆具有用材简单、可回收利用、施工简便等特点,在软土地区锚固工程中有广阔的应用前景。该类新型锚杆的研究在国外还刚起步,我国还没有开始,其承载机理及设计理论与一般锚杆存在明显差异,对其进行深入研究,具有重要的工程意义和理论价值。 首先,从模型试验出发,通过研究充气锚杆的结构性能要求,建立了一套完整的充气锚杆模型与试验装置模型,并分别在砂土中与饱和软黏土中进行了充气膨胀试验与抗拔试验。针对充气锚杆的变形特征,分别采用了位移计实测与注浆固结两种方法对其进行测定,结果表明充气锚杆膨胀体在砂土及软黏土中呈上部略大,下部略小的近似圆柱状体,因此可以应用圆孔扩张理论计算充气压力与膨胀体积的关系,预测极限充气压力。抗拔试验结果表明,充气锚杆承载力的主要影响因素有充气压力、膨胀体积、土体密度、埋置深度、橡胶膜长度与厚度、橡胶膜粗糙度等。对砂性土,最显著的影响因素为充气压力及土体密实度,成一定倍数增长关系,其次是橡胶膜长度,成线性增长关系,橡胶膜粗糙度对锚杆承载力的提高有较大影响,埋置深度对锚杆承载力的提高不显著,而橡胶膜厚度对承载力的影响实质是充气压力的影响;软黏土中,当充气压力较小时,压力对承载力的影响较大,当充气压力大于土体极限扩孔压力后,膨胀体直径成为控制承载力的主要因素。 然后,在回顾与总结经典扩孔理论基础之上,采用修正剑桥模型,对弹性区采用小变形理论,塑性区采用大变形理论,并将有效应力路径进入屈服后简化呈线性关系,推导了饱和黏性土不排水条件下圆孔扩张问题的应力场、位移场、塑性区半径和孔扩张压力的计算公式。在此基础上,分析了充气锚杆膨胀力学特征,给出了充气膨胀对周边土体产生的应力场、位移场和极限充气膨胀压力的理论计算公式,并通过典型算例,分析了充气膨胀作用下土体的应力与位移变化规律。采用FLAC3D数值软件,基于修正剑桥模型本构关系,建立了充气膨胀数值模型,模拟了饱和软黏土在扩孔压力作用下的变形与力学特性,其结果与理论分析一致,验证了理论分析的正确性。在理论分析与数值模拟基础之上,探讨了土的超固结比、内摩擦角以及剪切模量等因素对充气锚杆极限扩孔压力的影响程度,得出土体的应力历史对孔扩张压力影响最显著,随着超固结比的增大,土体的极限扩孔压力迅速增大。 在模型试验基础上,分析了充气锚杆抗拔过程中的受力特征与破坏形式,详细分析了锚杆荷载—位移曲线变化特征,将充气锚杆受力过程划分为四个阶段,建立了充气锚杆抗拔承载力简化计算公式,将理论公式计算值与试验成果进行比较,验证了承载力计算公式的实用性;采用数值模拟方法,对比分析了土体在充气抗拔前后土体的应力变化规律,详细研究了锚固段橡胶膜的变形特征及锚杆剪切应力分布与荷载传递机理;通过数值模拟抗拔曲线与试验抗拔曲线的对比,说明了数值分析能够较好地反映充气的抗拔力学特征;探讨了在饱和软黏土中孔隙水压力消散等因素对极限承载力的影响。 最后,针对充气锚杆存在极限位移较大、橡胶膜承载拉力有限的不足,分别设计了钢丝加强与注浆固结两种方法对充气锚杆进行改进。通过试验对比,结果表明:钢丝加强型充气锚杆将承担在橡胶膜上的荷载转移到钢丝上,提高了充气锚杆的极限承载能力,但锚杆的极限位移仍然较大;灌浆固结型锚杆可以有效控制充气锚杆的位移,对充气锚杆的实际应用进行了有益的探讨。


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