串囊式充氣錨桿錨固理論研究

彭文祥 陳正豪

摘? 要：串囊式充氣錨桿作為一種新型可回收錨桿在國(guó)內(nèi)研究較少，目前針對(duì)其的研究都處于室內(nèi)模型試驗(yàn)階段，將串囊式充氣錨桿應(yīng)用到工程施工中還有較多的問(wèn)題有待解決探討。文章結(jié)合實(shí)際提出一種能用于實(shí)際工程中的串囊式充氣錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并利用彈塑性理論研究其錨固機(jī)理，為研究串囊式充氣錨桿錨固段囊體間搭配模式與錨桿承載力之間的關(guān)系提供理論支持。

關(guān)鍵詞：串囊式充氣錨桿;理論研究;彈塑性;錨固機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU476? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）07-0022-04

Abstract： As a new type of recoverable anchor rod， the research of series bag inflatable anchor rod is less in our country. at present， the research on it is in the indoor model test stage. there are still many problems to be solved in the application of string bag inflatable anchor rod to engineering construction. In this paper， a structural design scheme of series inflatable anchor rod which can be used in practical engineering is put forward， and its anchoring mechanism is studied by using elastoplastic theory. It provides theoretical support for the study of the relationship between the matching mode and the bearing capacity of the anchor rod in the anchoring section of the series inflatable anchor rod.

Keywords： string bag inflatable anchor rod; theoretical research; elastoplasticity; anchoring mechanism

1 串囊式充氣錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

串囊式充氣錨桿是一種新型可回收式錨桿，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主體部分由拉桿、橡膠囊組成?？偨Y(jié)彭文祥、莫建軍等在進(jìn)行串囊式充氣錨桿室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)制作的試驗(yàn)錨桿以及結(jié)合市場(chǎng)上能購(gòu)買(mǎi)到的材料，提出一種可用于實(shí)際工程中的串囊式充氣錨桿，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

串囊式充氣錨桿相比于其他普通錨桿，具有以下特點(diǎn)：（1）多個(gè)囊體的共同作用，增大了錨固段與土體的接觸面積，存在多個(gè)擴(kuò)體段與土體之間的端阻力，能在軟土地層中提供較大的承載力;（2）錨桿放置到鉆孔中，充氣完成后就可以提供承載力，施工時(shí)間短;（3）在基坑施工完成后，即可放掉桿體中的氣，回收錨桿，可重復(fù)使用，節(jié)約了施工成本;（4）可以調(diào)節(jié)錨固段搭配模式，滿足不同承載力的要求。

串囊式充氣錨桿需要利用氣壓力使氣囊膨脹擠壓土體形成空腔，從而形成擴(kuò)體段。因此串囊式充氣錨桿適用于軟土地區(qū)的臨時(shí)性基坑支護(hù)中。我國(guó)軟土地區(qū)分布較為廣泛，對(duì)這種新型錨桿的研究具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 串囊式充氣錨桿錨固機(jī)理研究

2.1 串囊式充氣錨桿受力及破壞模式分析

串囊式充氣錨桿的錨固力由三部分組成，分別為囊體與土體之間的摩阻力T1，囊體端頭的端阻力T2以及鋼管與土體之間的摩阻力T3，如圖2所示。由于鋼管與土體之間的摩阻力較小，對(duì)串囊式充氣錨桿的錨固力影響不大，所以在本節(jié)將忽略這個(gè)摩阻力T3，主要對(duì)前兩個(gè)力進(jìn)行研究。

以上對(duì)充氣串囊式錨桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可對(duì)其進(jìn)行受力分析。每個(gè)囊體與鋼管的連接形式相同，且受力模式也相同，以下的分析都是以單囊為分析對(duì)象。

當(dāng)外力作用在鋼管上時(shí)，力通過(guò)鋼管傳遞到囊體上。囊體與鋼管通過(guò)1、2兩部分的環(huán)箍連接，1部分的環(huán)箍為囊體與鋼管提供摩擦力，外力通過(guò)摩擦力傳遞到囊體上，由于水為不可壓縮的介質(zhì)（試驗(yàn)采用充水，方便測(cè)量囊體體積），且囊體直徑大于鋼管直徑，囊體與土體之間的摩阻力和端阻力與外力相平衡。由于橡膠和水組成的囊體擴(kuò)體段與普通砂漿錨桿不同，不能傳遞壓應(yīng)力，因此2部分的環(huán)箍不能將鋼管上作用的外力傳遞到囊體上，其主要作用為氣密作用。由此分析可知，串囊式充氣錨桿屬于拉力型錨桿。

串囊式充氣錨桿的破壞模式可分為兩種，一種是錨桿本身破壞，另一種是錨桿周?chē)馏w破壞。錨桿本身破壞包括：囊體破裂、鋼管斷裂、鋼管從囊體中拔出。根據(jù)擴(kuò)體錨桿破壞模式結(jié)合串囊式充氣錨桿的特點(diǎn)可得到串囊式充氣錨桿周?chē)馏w的破壞模式為擴(kuò)體端頭土體發(fā)生屈服破壞，如圖3。

2.2串囊式充氣錨桿錨固理論公式推導(dǎo)

根據(jù)串囊式充氣錨桿的受力分析及破壞模式，結(jié)合彈塑性理論對(duì)單囊囊體與土體之間的剪切應(yīng)力的分布進(jìn)行理論推導(dǎo)，為了理論公式推導(dǎo)的合理性，提出以下幾點(diǎn)基本假設(shè)：（1）將組成擴(kuò)體段囊體的橡膠和其內(nèi)部充水視為一個(gè)整體，其形狀近似為圓柱體，并且視為彈性體;（2）巖土體視為彈塑體，且符合莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則;（3）囊體截面上軸向應(yīng)力均勻分布，計(jì)算過(guò)程忽略重力;（4）推導(dǎo)過(guò)程只考慮囊體在外力作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，囊體不再發(fā)生形狀的變化，不考慮拉桿的受力變形;（5）多個(gè)囊體的分析視為單個(gè)囊體的疊加;（6）分析過(guò)程基于串囊式充氣錨桿自身強(qiáng)度滿足要求，其破壞模式為土體發(fā)生屈服破壞。

單囊囊體段分析模型如圖4所示，微單元體和擴(kuò)體端頭處受力分析如圖5。

（1）根據(jù)以上受力分析，得到力平衡微分方程

其中：R、r—分別為囊體直徑、鋼管;σx—囊體段上某一截面上正應(yīng)力;τx—囊體段與土體接觸面上某一點(diǎn)剪切應(yīng)力;P—作用在鋼管上的外力;l—單個(gè)囊體段長(zhǎng)度;σp—囊體端頭與土體之間的端阻力，為簡(jiǎn)化研究，假設(shè)其大小為被動(dòng)土壓力值，σp=kpγh+2c，其中，kp=tan245°+，c為土體粘聚力，φ為土體內(nèi)摩擦角，γ為土體重度，h為作用點(diǎn)深度。

（2）物理方程

在柱坐標(biāo)下利用彈塑性理論空間問(wèn)題分析法的物理方程為：

2.3 串囊式充氣錨桿承載理論公式

單個(gè)囊體承載力的承載力由囊體與土體之間的側(cè)摩阻力T1，囊體端頭與土體的端阻力T2組成，由上一小節(jié)的公式推導(dǎo)可得

3 串囊式充氣錨桿錨固理論分析

對(duì)串囊式充氣錨桿錨固段的囊體搭配模式進(jìn)行研究，可以得出最優(yōu)的搭配模式，既可提供承載力，又能讓錨桿錨固效率達(dá)到最高。囊體搭配模式包括單個(gè)囊體長(zhǎng)度，囊體間距、囊體直徑以及囊體埋深。本節(jié)將結(jié)合前文的理論分析結(jié)果對(duì)囊體搭配模式進(jìn)行分析，對(duì)比不同囊體搭配模式下單個(gè)囊體的切應(yīng)力分布情況，研究其變化規(guī)律。計(jì)算過(guò)程中，巖土參數(shù)及囊體參數(shù)將按表1取值。

3.1 囊體長(zhǎng)度分析

由囊體的受力分析可知，當(dāng)囊體直徑不變時(shí)，囊體端頭的端阻力為定值，不會(huì)隨著囊體的長(zhǎng)度而變化。由式（11）、（12）可知，囊體的切應(yīng)力和軸應(yīng)力與囊體長(zhǎng)度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。囊體段的長(zhǎng)度直接影響錨桿的承載力的大小。當(dāng)單個(gè)囊體過(guò)短時(shí)，囊體能提供的側(cè)摩阻力有限，相應(yīng)的錨桿承載力小;當(dāng)單個(gè)囊體長(zhǎng)度適中，囊體的側(cè)摩阻力充分發(fā)揮，錨固效率高;當(dāng)單個(gè)囊體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)一定范圍的囊體段，其側(cè)摩阻力并未全部發(fā)揮作用，囊體利用率低。

3.2 囊體間距分析

當(dāng)多個(gè)囊體設(shè)置在拉桿上時(shí)，囊體間的間距將成為囊體承載力的影響因素。由串囊式充氣錨桿在土體中的破壞模式可知，當(dāng)錨桿本身不發(fā)生破壞時(shí)，破壞模式為錨桿囊體端頭土體發(fā)生屈服破壞。此時(shí)，端前土體存在塑性區(qū)，見(jiàn)圖7。若囊體間距小于塑性區(qū)的長(zhǎng)度，塑性區(qū)內(nèi)的土體不能為囊體提供充分的側(cè)摩阻力，囊體的承載力將受到影響，因此，囊體間距應(yīng)大于塑性區(qū)的范圍。若囊體間距過(guò)大，由彭文祥、莫建軍的研究結(jié)果表明，囊體間距過(guò)大會(huì)減少兩個(gè)囊體與土體之間的互相影響，不能發(fā)揮串囊式充氣錨桿相較于單囊式充氣錨桿的優(yōu)勢(shì)。

本小節(jié)將對(duì)囊體間的最小間距進(jìn)行分析，即對(duì)囊體端頭土體塑性區(qū)進(jìn)行分析。單個(gè)囊體端頭對(duì)土體的作用與圓形基礎(chǔ)對(duì)地基的作用相似，采用《土力學(xué)地基基礎(chǔ)》中圓形基礎(chǔ)的塑性區(qū)最大深度公式來(lái)對(duì)囊體端頭的塑性區(qū)進(jìn)行分析。圓形基礎(chǔ)邊緣塑性區(qū)見(jiàn)圖7。

3.3 囊體直徑分析

假定拉桿鋼管直徑為54mm，以單囊為分析對(duì)象，對(duì)囊體段直徑為350mm、300mm、250mm、200mm、150mm進(jìn)行剪切應(yīng)力分析，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

由圖8可知：（1）囊體直徑越小，剪切應(yīng)力峰值越大，且剪切應(yīng)力沿囊體長(zhǎng)度方向衰減越快。（2）剪切應(yīng)力峰值集中在鋼管與囊體連接端。（3）囊體直徑從350mm減小到150mm過(guò)程中，每減少50mm的囊體直徑，其剪切應(yīng)力峰值增量越大。（4）當(dāng)囊體直徑為350mm時(shí)，其剪切應(yīng)力沿囊體長(zhǎng)度方向分布越均勻。

通過(guò)以上分析可知，在串囊式充氣錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)承載力大小，選用直徑較大的囊體，保證剪切應(yīng)力在囊體上均勻分布。

3.4 囊體埋深分析

假定拉桿鋼管直徑為54mm，以單囊為分析對(duì)象，對(duì)囊體埋深為1m、2.5m、4m、5.5m進(jìn)行剪切應(yīng)力分布分析，囊體具體參數(shù)見(jiàn)表3。

由圖9可得到：隨著囊體埋深的增加，囊體的剪切應(yīng)力減小，但減小幅度不大。由前面對(duì)囊體承載力的影響分析可知，囊體與土體之間的端阻力為土體的被動(dòng)壓力，土體的被動(dòng)壓力受埋深影響較大，因此，囊體埋深對(duì)囊體的剪切應(yīng)力影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于串囊式充氣錨桿的特點(diǎn)及制作材料便于購(gòu)買(mǎi)，提出了一種串囊式充氣錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并闡述了其特點(diǎn)和使用范圍，為理論研究提供基礎(chǔ)。（2）分析了串囊式充氣錨桿的受力特點(diǎn)及破壞模式，結(jié)合彈塑性力學(xué)推導(dǎo)出囊體剪切應(yīng)力和軸應(yīng)力分布表達(dá)式，并推導(dǎo)串囊式充氣錨桿承載力理論公式。（3）結(jié)合理論分析結(jié)果，給出了串囊式充氣錨桿單個(gè)囊體長(zhǎng)度，囊體間距的計(jì)算公式，分析了囊體直徑，囊體埋深對(duì)承載力的影響，結(jié)果表明，囊體直徑的越小，會(huì)造成囊體剪切應(yīng)力峰值的增大，沿囊體長(zhǎng)度方向應(yīng)力衰減快。囊體埋深對(duì)承載力的影響不大。

參考文獻(xiàn)：

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