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囊压式扩体锚杆锚固机理与承载特性试验研究

杨卓  
【摘要】:囊压式扩体锚杆是一种新型扩体锚杆,是考虑到黏土、粉土、砂土、卵石等多种土层在高压扩孔配合囊袋膨压作用下易产生挤压变形的特点而设计的。其具有高承载力、低成本、工程效果好等特点,可以根据工程需要调节预制囊袋几何尺寸,配合压力注浆有效保证了扩体锚固段的空间形态完整、显著提升了承载能力。然而到目前而止,无论是囊压式扩体锚杆实测工程数据的积累,还是针对其承载特性、破坏模式的研究都不多见。因此,系统的研究其力学作用机理及承载特性是十分必要的。本文采用理论研究、现场试验、数据分析、计算机模拟等多种研究方法,研究了囊压式扩体锚杆的锚固机理与承载特性、探讨了不同工况下承载力特征曲线的变化规律、总结了工程设计方法、针对结构特点制作了承载力计算表格、最后针对特殊工况提出了两种性能改进措施。本文相关试验方法和实测数据对新型扩体锚杆的推广及应用具有工程实践意义,现将主要工作内容及结论总结如下:1.应用弹塑性理论方法推导了囊压式扩体锚杆锚固体轴向应力和锚土粘结界面上剪切应力的计算公式,得到两者沿有效锚固长度分布规律及特点后,采用单一变量原则进一步分析扩体锚杆锚固段尺寸、周土力学参数、锚头埋置深度等因素对锚土系统粘结界面剪应力分布即锚固效果的影响情况;引入圆孔扩张原理推导考虑膨压过程的囊压式扩体锚杆承载力计算公式。具体研究结论如下:(1)轴向应力与剪切应力两者沿锚杆杆体轴向呈现负指数分布特点,工程中应按扩体锚杆端头部土体屈服破坏模式进行工程设计。(2)影响扩体锚杆锚固效果的主要为锚固段直径和土体的物理参数,埋置深度理论上影响自由段的剪应力分布,由于理论分析采用多种假设,因此需要对囊压式扩体锚杆进行更详细的现场承载特性试验。(3)引入圆孔扩张原理,构建考虑膨压作用的极限承载力计算模型,推导考虑极限扩孔压力、弹塑性区域半径变化、扩体段尺寸、土体性质等多影响因素的极限承载力理论公式,并与试验场地实际试验数据相对比,给扩体锚杆承载力估算提供了一种新方法。2.根据理论分析初步结果,结合囊压式扩体锚杆结构特点和注浆要求,设计了一套完整的试验方案,应用应力-应变关系掌握囊体材料属性、利用常规土工试验得到试验场地两种主要土体的力学参数;通过泌水性试验得到压力注浆最优配合比;设计膨压试验发现了压力注浆过程中预制囊体在不同侧限条件下的膨胀规律;最后利用室外拉拔试验探讨囊压式扩体锚杆的极限承载力主要影响因素及权重,结论如下:(1)通过室内泌水性试验发现针对压力注浆浆液最优配合比为水泥:水:减水剂:保水剂=800:300:1.5:0.1;其中水泥采用p0.42.5;减水剂采用聚羧酸系高效减水剂母液;保水剂采用羟丙级甲基纤维素效时注浆固结体速凝时间及养护后综合性能最好。(2)囊压式扩体锚杆的极限承载力主要由以下几个因素决定,分别是扩体锚固段直径、扩体锚固体周土参数、锚头埋置深度、扩体锚固段长度和囊袋表面粗糙程度等。其中扩体锚固段直径与锚头土体密实度是影响扩体锚杆承载力最主要因素,并且锚固段直径与承载力成一定倍数增长关系;锚固段长度与承载力呈线性增长关系;埋置深度的不同导致了受力模式的不一样,最后囊袋粗糙程度虽然也能在一定程度影响承载力但是相对有限。(3)在端阻力未达到极限状态时,扩体锚杆位移主要取决于杆体的弹塑性变形;当端阻力超过极限状态,锚杆发生整体变形位移由锚固体的拉伸变形决定。与传统扩体锚杆及普通锚杆的相比,新型扩体锚杆有效提升了锚杆极限抗拔承载力。3.通过对实验数据的整理,分析了囊压式扩体锚杆不同受力模式下特征曲线,通过数据对比详细研究了囊压式扩体锚杆与普通锚杆在承载力特征曲线上的异同;引入反映锚固效率的“承载体积比”概念体现单位锚固体体积对承载力的提升程度;对比特征曲线特点将新型扩体锚杆受力分为不同阶段,并从力学角度进行研究的同时与特征曲线相互验证;最后参考普通锚杆设计提出新型扩体锚杆工程设计方法并制作专用计算表格用于承载力的计算。具体研究结论如下:(1)通过对深埋模式和浅埋模式下不同的q-s特征曲线对比分析可知,当处于深埋模式下锚杆以端部剪切破坏为主,在较大的位移状况下承载力依然出现小幅提升;而浅埋状态下的扩体锚杆当达到拐点峰值后可以发现,承载力加速下降,锚头土体逐渐转化为弹塑性状态,整体易发生剪切破坏,最终锚杆被拔出地面。(2)囊压式扩体锚杆与普通圆柱形锚杆相比极限承载力所对应的位移显著提高,说明其承载能力更强;另外提高承载能力的途径主要有增大锚固段直径、加深埋置深度及改善锚头土体条件等。(3)考虑到工艺问题,扩体锚固段直径不宜无限增大,针对特定的土层存在一个合理的“承载体积比”极值使锚杆效率达到最高;针对本试验地层,当扩体锚固段直径选择为600mm时其承载力与锚固体体积之比最高,经济效益最好。(4)不同尺寸的扩体锚固段锚杆在试验中均表现出了一种的渐进式破坏特点,由弹性变形、非扩体锚固段周土破坏、扩体锚固段周土塑性变形至完全剪切破坏四个不同的阶段组成。4.做为对试验的补充,使用midas-gts模拟软件,基于hardeningsoil本构模型对新型扩体锚杆在不同尺寸锚固体情况下的承载特点和受力模式进行了模拟研究,并与第三章实验部分所得数据相互验证,模拟分析了锚固图尺寸及埋深、土体不同力学参数对锚杆极限承载力及其增幅的影响情况,最后针对扩体锚杆深埋浅埋两种主要模式下锚头周围土体弹塑性区的分布、发展趋势及破坏状态进行模拟分析,研究结论如下:(1)扩体锚杆根据埋深不同可以分为深埋锚杆和浅埋锚杆,在深埋模式下锚杆所受荷载随着位移呈现持续上升趋势;而浅埋模式下随着位移的增大,极限承载力呈现先升高后降低的走势,特征曲线特点与现场试验及理论研究基本一致。(2)通过对两种模式下锚杆受力的数值模拟研究可以发现,当锚杆在深埋模式下往往发生锚头局部的剪切破坏,整个受力过程中塑性破坏范围始终位于地表面以下;而在浅埋模式下,塑性区往往会随着位移的增大向地表面延展并贯通,最后呈现“酒杯形”分布。(3)通过与第三章试验互相检验,再次证明扩体锚杆锚固段尺寸、埋深、土体参数等对锚杆的承载力具有决定性影响,但是相互之间的影响程度不尽相同。诸多因素中扩体锚固段直径对承载力的提升最大,通过模拟计算可知直径增加75%可使承载力提高1倍以上;埋置深度次之,而锚固段长度对承载力的影响相对较小小,曲线差异性不大,平均增加50%才能使承载力提高10%左右。(4)锚头土体的物理力学参数对扩体锚杆极限承载力的提升相当明显,两个主要参数粘聚力和内摩擦角都能使扩体锚杆极限承载力提高。经过数值模拟采用单一变量法对比多组数据可知,两者对极限承载力的影响呈现非线性关系,当摩擦角增大时,随着粘聚力的增大扩体锚杆极限承载力的增幅逐渐回落;而粘聚力增大时,随着摩擦的增大,其对极限承载力增大幅度贡献也变小。5.针对实际工程中新型扩体锚杆在荷载初期位移控制提升不够显著的短板,采用性能改进试验方法,在实际施工中设计了两种增大侧摩阻力、优化前期承载力提升速度的改进试验,试验效果良好,所得结论如下:(1)将单囊体改装多囊锚固体后确实可以增加锚杆的侧摩阻力,从Q-S特征曲线上可以看出拉拔试验前期承载力提升速率明显增大,改善了单囊式扩体锚杆前期承载力提升不够快速的不足,证明了可以通过多囊连续锚固体改造来进一步改善囊压式扩体锚杆,使其短时间快速提高承载性能。(2)二次劈裂注浆技术也可以有效的控制囊压式扩体锚杆的位移,直接提高极限承载能力,二次劈裂注浆充分发挥了新型扩体锚杆的结构特点,不仅加强了侧摩阻力,而且加强了起重要作用的端部土体强度,综合的提升承载效率,是实际施工中应用最为广泛的改进方法,适用于多种工况。


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