压力型与拉力型锚杆工作性状的室内足尺模型对比试验研究

基于室内足尺模型试验对比研究压力型和拉力型锚杆的工作性状,给出锚固体轴向应变的分布特点,验证基于Mindlin问题位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解的可行性,分析了在试验条件锚杆的极限承载力及破坏形式。试验结果表明,拉力型锚固段处于受拉状态,轴向应变值最大值发生在张拉端附近,距离张拉端越远应变值越小;压力型锚杆的锚固段处于受压状态,轴向应变值最大值发生在承载体附近,距离承载体越远应变值越小;拉力型锚杆破坏形式为锚固段注浆体与岩土层间的粘结滑移破坏,压力型锚杆的破坏形式为承载体附近锚杆周围土体剪胀破坏;压力型锚杆极限承载力较之拉力型锚杆在相同条件下有明显提高;实测值与基于Mindlin问题的位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解较吻合。     

注浆支盘式锚杆拉拔试验及极限承载力计算

注浆支盘式锚杆是自主研发的一种新型锚杆,具有广阔的应用前景。为了探究支盘式锚杆的承载特性,构建室内试验模型,针对不同的埋置深度、支盘直径和双支盘间距等条件进行拉拔试验,获取相应的荷载-位移曲线,并对部分数据采取无量纲化处理得到埋深比与荷载系数关系曲线,最后通过简化力学模型推导出支盘式锚杆的端阻力与拉拔极限承载力的计算公式。研究结果表明,埋置深度与极限承载力呈非线性关系且存在临界埋深;盘径对抗拔承载力的影响最为显著,与极限承载力呈线性增长关系,极限承载力较普通锚杆提高了2～5倍多;双支盘的分界间距为4倍支盘直径时可充分调用双支盘的承载力,由于双支盘锚杆在加载初期时土体主要为剪切变形,故其荷载-位移曲线开始阶段斜率较单支盘锚杆要大得多;埋深比与荷载系数关系曲线的斜率突变点为临界埋深比,其值为3.02;该计算公式所得结果与4组试验结果基本一致,验证了计算公式的有效性。研究结果对支盘式锚杆的设计和工程应用具有重要的理论及实际意义。     

软岩地层多段扩体锚杆施工工艺及拉拔试验

改变锚固体直径、改善锚固体与岩土间界面特性是提高锚杆抗拔承载力的重要途径。软岩地层多段扩体锚杆采用机械扩孔工艺施工,进行多级循环加载卸载试验,根据锚杆的荷载-位移曲线及现场变形破坏特征,确定锚杆破坏模式为钢筋先屈服,最后钢筋被拔出,同时锚固体被拉裂。试验结果表明多段扩体抗浮锚杆施工工艺可行,锚杆抗拔承载力高,实际工程中能满足抵抗较高水浮力的需求。     

囊式扩体锚杆在宁波地区的现场试验研究

锚杆几何形态对于锚杆承载机制的影响及其在软弱土层中的工作性状一直是岩土锚固工程领域具有争议且亟待解决的问题。采用粗细径比为4.44的扩体锚杆现场足尺试验方法,通过宁波软弱地层的30 m深埋囊式扩体锚杆拉拔试验,获得了一组带有共性的单调上升的锚杆荷载–位移曲线。试验结果表明,深埋扩体锚杆具有卓越的力学特性,位移延性性能也表现出色,即使在大变形区域,锚杆承载力仍然能够持续提升。分析锚杆的荷载–位移曲线、锚杆弹性与塑性变形的试验结果以及对比锚杆极限承载力计算值与试验值,加深了对囊式扩体锚杆独特的应变硬化性状、承载机制和位移控制量值等规律的认识,试验研究结果对大埋深的新型扩体锚杆在宁波地区的推广应用具有指导意义。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

双锚杆受力机制分析及模型试验研究

为了研究锚杆间距对全长黏结锚杆之间相互作用产生的影响,推导出基于Mindlin解的双锚杆锚固段应力分布近似解,并结合单锚和双锚静载拉拔模型试验,得到了锚杆间距改变对双锚杆应力分布、极限承载力及最终破坏形态的影响规律。结果表明：间距减小使得锚杆的轴向应力和侧摩阻力呈现均匀化趋势,且轴向应力随间距减小而增大,锚固段中部增长幅度最大。当锚固系统进入破坏阶段,随着间距减小,锚固系统周边岩体破坏的位置深度增加,破坏锥形体的面积增大,并由单锚的倒锥状破坏转变为复合破坏模式。间距过小时,增加锚杆数量对承载力的提升十分有限,为起到锚固联合作用,锚杆间距应不小于10 D(D为锚杆直径),在软弱岩体中间距取值应加大。     

压力型和拉力型锚杆工作性能对比研究

通过压力型和拉力型锚杆各自的荷载传递模型,对比分析了岩层中压力型和拉力型锚杆的受力机制、摩阻力分布特征,并采用剪切变形系数与锚固体等效变形模量的比值衡量了锚杆的承载力和变形性能。压力型和拉力型锚杆现场试验和理论分析结果表明:岩层中压力型锚杆工作时,锚固体受压后径向体积膨胀,加大了锚固体与岩层间的摩阻力,α值相对较大,压力型锚杆承载能力和变形性能均优于拉力型锚杆,进而说明了采用剪切变形系数与锚固体等效变形模量的比值来衡量锚杆的承载力和变形是可行的,为压力型锚杆的进一步理论研究和工程应用提供了有益的参考。     

土层锚固体复合界面单元形式及力学效应研究

土层锚固技术在岩土工程中已得到越来越广泛应用。简单介绍了已有土层锚固界面单元形式的研究现状,分析了土层锚固界面层的特点,提出一种新的复合界面单元,该复合界面单元由接触单元和实体单元构成,其中接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元,实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性。利用ANSYS数值模拟软件,将新的复合单元应用于锚固体与土体之间的界面层,模拟并分析锚杆拉拔时界面层的破坏特征,得到随荷载增大时界面层剪应力分布的变化过程,并将界面层的破坏分为3个阶段,即线性阶段、滑移扩展阶段、滑移阶段。通过土层锚杆原位拉拔试验,得到土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线,分析曲线变化特征,并对数值模拟结果进行了验证。     

浅埋平板圆锚竖向拉拔极限承载力计算方法

采用自制可视化试验装置开展了平板圆锚的拉拔模型试验,基于数字照相测量技术对极限拉拔下锚周土体的位移变形场进行了量化分析。在本次试验的埋深比范围内,极限承载力随埋深比增加而非线性增大,但增长速率逐渐减缓;观测到的锚周土体滑动面与地面、锚板所围区域整体呈现出“底大、顶小、径长”的倒喇叭形状;滑动面可用两条直线段来近似描述;极限拉拔力学模型由一个截面直径上小下大的倒圆台和一个等截面圆柱体组成。根据极限平衡条件推导建立了砂土中浅埋平板圆锚竖向拉拔极限承载力的计算方法,该方法对4组试验数据的计算较其他4种方法与试验实测值更为接近,且离散性更小,效果较好。     

长春万达广场抗浮锚杆的设计与试验研究

以长春万达广场地下室抗浮锚索工程为例,研究了扩体拉力型锚杆支护在宏观上和微观上的力学作用机理、扩体型锚固体的设计计算、所采用的锚杆扩体部分的扩孔器的内部结构等。在实验结果基础上,得出在土层中采用扩体型锚杆不仅能充分利用土体自身的强度,提高其承载力,改变其锚固体的应力状态,而且能减少锚杆锚固体长度、缩短施工工期、降低工程成本、节约自然资源等结论。最后对扩体型锚索影响承载力的因素、地层适用条件以及它的应用前景进行了探讨和展望。     

充气锚杆极限承载力计算方法

为研究充气锚杆极限承载力计算方法,在模型试验基础上,探讨充气锚杆抗拔过程中的受力特征与破坏形式,分析锚杆荷载-位移曲线变化特征。基于圆孔扩张理论,通过简化力学模型,推导充气锚杆侧阻力与端阻力计算公式,将理论公式计算值与试验成果进行比较。研究结果表明：(1) 采用球孔扩张理论可以较好地描述膨胀体端部对土体产生的弹性、塑性变形力学机制,估算端阻力值。充气膨胀压力对土体的挤压膨胀作用大大增加了锚杆的侧阻力。(2) 极限承载力理论公式计算值与抗拔试验值基本吻合,验证了极限承载理论计算公式的正确性。(3) 通过与螺旋锚杆相比,充气锚杆的承载力约为单锚片螺旋锚杆的4.3倍,约为双锚片螺旋锚杆的1.9倍,充气锚杆的承载能力优势明显。     

基于PSB钢筋的高强度锚杆精细分区抗浮及受力分析

随着建筑物地下室的埋深增加、地下水位升高以及极端恶劣天气的影响,对抗浮锚杆的性能提出了更高的要求,传统抗浮锚杆的局限性日益明显。为了解决建筑物因不同区域结构自重和地下室底板埋深差异带来的抗浮难题,本文通过精细分区抗浮设计,采用精轧螺纹钢筋代替普通钢筋的高强度扩大头抗浮锚杆解决了抗浮问题,其单根抗浮锚杆的抗拔承载力为560 kN,在最大试验荷载840 kN作用下锚头最大位移仅为5.25~9.97 mm,平均值为7.91 mm,卸荷后回弹率为18.09%~46.26%,未出现破坏,展现了优越的性能。高强度扩大头抗浮锚杆存在3种类型的应力-应变模式,（压密）-预应力抵消-扩大头端压是抗浮锚杆的理想应力-应变模式,其在1120 kN荷载作用下仍能保持正常维持收敛,且抗拔承载力为560 kN时仅处于预应力抵消阶段,仍具有很大的承载潜力。     

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法

张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79 %和16.08 %,平均偏差为5.74 %,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。     

扩体型锚杆的研制及其抗拔试验研究

在研制锚杆机械扩孔器的基础上,进行了扩体型锚杆的工艺试验和抗拔试验研究。试验结果表明,所研制的锚杆机械扩孔器对地层具有良好的适应性;扩体型锚杆较普通锚杆的承载力平均提高20 %～30 %,最大为66 %;扩体型锚杆的轴向应变陡降现象明显,具有显著的端承效应。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

用于砂岩加固的锚杆的承载性能试验研究

针对中风化砂岩地质条件,开展了单锚基础和承台式群锚基础的现场足尺试验研究,得到了荷载-位移曲线,分析了基础的破坏模式和承载性能。通过锚筋应变测试,研究了锚杆基础的内力分布规律和有效锚固深度。研究结果表明,岩石锚杆基础应用于中风化砂岩地基分布地区,满足输电线路上部结构对基础承载力的要求,具有良好的经济和社会效益;当锚杆锚固深度小于有效锚固深度时,增加锚固深度和承台嵌岩深度能够有效地提高基础的抗拔承载性能;水平荷载不是基础发生破坏的控制因素,但水平荷载对群锚基础上拔稳定存在不利影响。     

土工格栅加筋砂土中水平锚板抗拔特性试验研究

土工格栅加筋能够有效改善锚板的抗拔承载力,然而锚板在上拔过程中的破坏机制及其影响因素尚需进一步研究。针对砂土中水平锚板的抗拔特性,开展了多组锚板上拔试验,分析了砂土密实度、锚板埋深、土工格栅布设层数和位置等因素的影响,结合粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术探究了锚板周边土体的变形破坏机制。研究结果表明：单层接触式格栅加筋对锚板的抗拔承载力有明显的提升,且其对土体性能的改善优于非接触式格栅加筋情况,其原因与土工格栅变形量和上覆土体重力有关;当采用双层土工格栅加筋时,下层格栅可充分发挥限制土体侧向变形和均化应力分布的作用,上层格栅相对而言贡献不大;采用土工格栅加筋后,锚-土界面附近土体的变形模式发生了明显的变化,其破坏面相比未加筋前向内侧收敛,且剪应变分布更为均匀。     

吸力式沉箱基础极限拉拔承载力的数值分析

作为新型的深水海洋基础型式,吸力式沉箱基础被广泛地用于系泊深水海洋设施中,从而承受巨大的倾斜上拔荷载。在上拔荷载水平分量与竖向分量的共同作用下,吸力式沉箱的承载特性及其工作性能评价是海洋工程设计与建设中的关键技术问题之一。然而现有的理论分析与试验研究并不能满足工程实践的需要,因此,对吸力式沉箱基础的极限承载力分析建立了有限元数值计算方法。当沉箱基础在快速拔出过程中,正常固结黏土处于完全不排水状态,沉箱基础发生整体破坏时表现出反向地基承载力失稳模式,此时沉箱基础所发挥的极限承载能力往往最大。为此,在数值计算中直接假定沉箱基础及其周围土体处于完全不排水状态,针对不同的沉箱长径比,分别确定了在竖向上拔荷载和水平拉拔的单独作用下沉箱基础极限承载力。对比发现：竖向上拔极限承载力有限元解能够较好地与理论计算结果相符合,而水平极限承载力解与理论计算结果存在一定的差异。     

A numerical study of the pullout behavior of grout anchors underreamed by pulse discharge technology

Pulse discharge technology (PDT) is an innovative construction method used to enhance the bearing capacity of piles and the resisting capacity of anchors by underreaming using a high-pressure shockwave induced by an underwater electric discharge. This study numerically analyzes the pullout behavior of a grout anchor underreamed by PDT. A series of finite element analyses were performed to examine the pullout behavior of the anchor based on successive simulations from underreaming to subsequent pullout tests. The electric blasting and shockwave generation by PDT was equivalently modeled using the underwater explosion (UNDEX) model, and the appropriate UNDEX parameters were determined by benchmarking the laboratory PDT tests. Full-scale PDT underreaming and the subsequent pullout tests in dry sand deposits reported in the literature were then simulated on the basis of fluid–structure interaction (FSI) analyses and static uplift analyses. The predicted expansion of the borehole and the pullout behaviors were compared with field test results to validate the numerical model. Moreover, the results from a parametric study conducted to investigate the influence of soil and anchor characteristics on the uplift behavior of the PDT underreamed anchor are discussed.