充氣錨桿承載機(jī)理及群錨效應(yīng)分析研究★

馬向前 周勇全 孟江濤 劉金程

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100； 2.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300000)

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充氣錨桿承載機(jī)理及群錨效應(yīng)分析研究★

馬向前1周勇全2孟江濤2劉金程2

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100； 2.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300000)

通過建立充氣錨桿力學(xué)模型，從桿體與擴(kuò)大頭側(cè)摩阻力、端阻力、自重等方面，分析了充氣錨桿承載機(jī)理，指出充氣錨桿間距對(duì)群錨效應(yīng)影響很大，存在最優(yōu)間距H0使得土體擠密效果大于塑性區(qū)與側(cè)摩阻疊加效果，使得群錨效應(yīng)系數(shù)大于1。

充氣錨桿，群錨效應(yīng)，承載力，力學(xué)模型

0 引言

充氣錨桿因在海洋工程及岸上軟弱地基區(qū)域工程建設(shè)中具有良好的抗拔能性及應(yīng)用前景而廣受關(guān)注。充氣錨桿是一種新型土層錨桿，最早的研究始于2000年，國外Tim Newson主要集中于充氣錨桿在海洋工程中的應(yīng)用研究，以室內(nèi)模型試驗(yàn)與理論分析的方法研究充氣錨桿在海相軟土及砂土中充氣錨桿的力學(xué)行為[1]。國內(nèi)彭文祥等[3,4]將充氣錨桿引入國內(nèi)，并將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展至軟土錨固工程。曹佳文等[5]首次提到了充氣錨桿間具有擠土效應(yīng)，尤其在軟弱土層中擠土效應(yīng)對(duì)錨桿群的共同承載特性影響很大，這方面的群錨力學(xué)行為與抗拔樁的群樁效應(yīng)類似[6]。以上這些研究多集中在單根錨桿的承載特性與錨固機(jī)理分析上，并未對(duì)多根錨桿協(xié)同工作進(jìn)行深入的研究。本文基于前人的研究成果，對(duì)充氣錨桿承載機(jī)理及群錨效應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 力學(xué)模型建立

錨桿按支護(hù)長度劃分，可分為集中錨固類錨桿和全長錨固類錨桿[7]。充氣錨是具有明顯錨固段與自由段的端頭擴(kuò)大型錨桿，為集中錨固類錨桿，其主要特征是具有在膨脹介質(zhì)作用下的擴(kuò)大頭。擴(kuò)大頭材質(zhì)一般為橡膠膜，橡膠在膨脹過程中為非線彈性變化，充氣后橡膠膜產(chǎn)生膨脹，對(duì)上拔過程中橡膠膜—土體的變形進(jìn)行精確的描述較難實(shí)現(xiàn)。按照文獻(xiàn)[10]結(jié)論，將擴(kuò)大頭簡化成兩端內(nèi)收的圓柱體(見圖1)。

2 承載力分析

由圖1分析可知，充氣錨桿抗拔承載力主要由以下幾部分組成：

1)擴(kuò)大頭與土體之間的側(cè)摩阻力；

2)擴(kuò)大頭與上部土體的端阻力；

3)桿體與土體之間的摩阻力；

4)結(jié)構(gòu)自重。分別記為T1，T2，T3，T4。假定充氣錨桿達(dá)到極限抗拔承載力破壞時(shí)，最終破裂面位于擴(kuò)大頭上方，而非桿體及擴(kuò)大頭與土體的側(cè)摩擦界面上。充氣錨桿極限抗拔承載力T為：

T=T1+T2+T3+T4

(1)

2.1 桿體與擴(kuò)大頭側(cè)摩阻力分析

桿體可視為全長錨固類進(jìn)行分析，該型錨桿承載力與錨固體直徑，錨固段長度，錨桿與土體之間的摩阻強(qiáng)度相關(guān)。桿體雖然光滑且無粘結(jié)材料，但軟土錨固工程所用的錨桿整體承載力偏低且深埋時(shí)圍壓較大，該部分承載力也不容忽略，計(jì)算公式見式(2)。擴(kuò)大頭可視為端頭擴(kuò)大型錨桿，該型錨桿承載力與擴(kuò)大頭直徑，錨固段長度，錨固段與土體之間的側(cè)摩阻相關(guān)[9]，計(jì)算公式見式(3)：

T1=πdL1Q1

(2)

(3)

其中，d為桿體直徑;D為擴(kuò)大頭的等效直徑;L1為橡膠膜長度(錨固段長度);L2為桿體長度(自由段長度);Q1為桿體與土體之間的摩阻強(qiáng)度;Q2為擴(kuò)大頭與側(cè)壁土體之間的摩阻強(qiáng)度。

2.2 端阻力分析

1)深埋時(shí)，因端阻力而產(chǎn)生的塑性區(qū)在土體充分發(fā)展，可近似呈圓形(見圖2)，此條件適用于球孔擴(kuò)張理論進(jìn)行分析，此時(shí)端阻力T2為：

(4)

其中，P為球孔擴(kuò)張的極限壓力，可按文獻(xiàn)[8]提供的方法計(jì)算：

(5)

其中，RP為土體塑性區(qū)半徑;Ru為達(dá)到極限壓力時(shí)擴(kuò)孔的等效半徑;P0為土體初始應(yīng)力;c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

2)淺埋時(shí)，端阻力產(chǎn)生的塑性區(qū)延伸至地表，塑性區(qū)得不到完全發(fā)展，塑性區(qū)呈現(xiàn)出半球形(見圖3)，此時(shí)端阻力T2為:

(6)

其中，μ為球孔擴(kuò)張折減系數(shù)。

3 群錨效應(yīng)分析

工程界普遍認(rèn)為單根錨桿與多根錨桿協(xié)同工作行為具有顯著區(qū)別，錨桿群內(nèi)部對(duì)土體產(chǎn)生的作用是相互影響的，導(dǎo)致錨桿群承受的荷載小于單根錨桿在單獨(dú)工作條件下能承受荷載之和。

由文獻(xiàn)[6]結(jié)果分析可知，充氣錨桿的群錨效應(yīng)在一定間距內(nèi)對(duì)錨桿群的極限抗拔承載力具有提高作用，這與由破裂面模型以及有限元模型給出的群錨效應(yīng)系數(shù)與群樁效應(yīng)系數(shù)小于1的結(jié)論相矛盾[10]。

破裂面模型無法模擬錨桿充氣時(shí)擠壓周邊土體的過程，而充氣錨桿的抗拔承載力主要是由橡膠膜部分?jǐn)D壓周邊土體提供，這也是與普通錨桿的根本區(qū)別所在。對(duì)充氣錨桿群進(jìn)行充氣時(shí)，錨桿間的擴(kuò)大頭部分對(duì)錨桿群中間部分的土體擠密作用出現(xiàn)疊加，擠密作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使得錨桿群的極限抗拔承載力大于單根錨桿的極限抗拔承載力，這導(dǎo)致了充氣錨桿的群錨效應(yīng)系數(shù)大于1，該結(jié)論與靜壓樁的群樁效應(yīng)有相似之處。

錨桿間距H是影響充氣錨桿群錨效應(yīng)的主要因素，隨著錨桿間距H的增加，錨桿群的極限抗拔承載力先增大后減小，即存在某一間距H0，使得錨桿群的總極限抗拔承載力達(dá)到最大值。當(dāng)錨桿間距較小時(shí)，即HH0時(shí)(見圖4b))，周圍土受到擠密，土體性質(zhì)得到改良，端阻產(chǎn)生的塑性區(qū)作用范圍疊加減弱，土體受到共同擠密作用大于側(cè)摩阻力與側(cè)摩阻力疊加影響，錨桿群共同承載能力提升，此時(shí)群錨效應(yīng)系數(shù)大于1；當(dāng)錨桿間距增大以致無限遠(yuǎn)時(shí)，即

H?H0時(shí)(見圖4c))，群錨效應(yīng)減少，最終趨于單根錨桿工作狀態(tài)，此時(shí)群錨效應(yīng)系數(shù)為1。

4 結(jié)語

1)建立了充氣錨桿的力學(xué)模型，采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其極限抗拔承載力進(jìn)行了分析與計(jì)算。充氣錨桿抗拔承載力主要由充氣擴(kuò)大頭與土體之間的側(cè)摩阻力及上部土體的端阻力構(gòu)成，桿體與土體之間的摩阻力及結(jié)構(gòu)自重對(duì)承載能力影響較小。

2)充氣錨桿群的群錨效應(yīng)使其極限抗拔承載力提高的原因在于錨桿間土體在充氣擴(kuò)大頭作用下產(chǎn)生的擠密作用所導(dǎo)致的。

3)充氣錨桿群錨工作時(shí)，存在最優(yōu)間距H0使得群錨效應(yīng)產(chǎn)生有利于承載力提高的影響；當(dāng)HH0時(shí)，疊加效果逐漸減弱，擠密作用起主導(dǎo)作用；當(dāng)H?H0時(shí)，趨于單根錨桿工作狀態(tài)。

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

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

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[4] 彭文祥,徐松山,曹佳文，等.充氣錨桿力學(xué)性能的非線性有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(S1):3104-3109.

[5] 曹佳文.充氣錨桿力學(xué)特性試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析[D].長沙:中南大學(xué),2011.

[6] 劉文駿.砂土充氣錨桿循環(huán)荷載作用承載特性及其群錨效應(yīng)研究[D].湘潭:湖南科技大學(xué),2016.

[7] 陸士良.錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.

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[9] 曾慶義,楊曉陽,楊昌亞.擴(kuò)大頭錨桿的力學(xué)機(jī)制和計(jì)算方法[J].巖土力學(xué),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 ★：湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015B494)

馬向前(1990- )，男，在讀碩士

TU473.11

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