土层扩孔压力型锚杆的锚固机理研究

摘要

锚杆因其造价低，施工简便，工期短而被广泛应用于建筑、水利、电力、公路、边坡加固和基坑支护中，但目前普遍使用的是拉力型锚杆，存在锚固效率低、设计长度大、抗腐蚀性和耐久性差等问题。扩孔压力型锚杆和多段扩孔压力型锚杆是近年发展起来，逐步投入应用的新型锚固技术，可以有效提高锚固效率、改善注浆固结体受力条件和解决锚杆拉杆防腐问题。由于缺乏对锚固机理的认识和系统研究，目前工程实践中扩孔压力型锚杆仍沿用拉力型锚杆的设计方法。论文采用弹性力学方法、现场试验实测资料对比研究、数值模拟分析等多种方法研究了土层扩孔压力型锚杆的锚固机理和影响参数;并将研究结果应用到多段扩孔压力型锚杆的锚固分析。据此提出了扩孔和多段扩孔压力型锚杆的设计方法。本文的主要工作内容如下:
　　(1)假定扩孔段端头土体屈服和锚固体整体拉出两种破坏模式，用弹性力学方法推导了扩孔压力型锚杆锚固体轴向应力以及锚固体与岩土体粘结界面的剪应力计算公式，得到两者沿锚杆轴向的分布规律呈负指数变化，并探讨了压力型锚杆扩孔段和普通钻孔锚固段长度的合理设置问题。利用叠加原理对多段扩孔压力分散型锚杆的受力特点进行了分析，并进一步分析了锚杆设计参数（锚固段长度、扩孔直径）、力学参数（粘聚力、内摩擦角和刚度系数）、锚杆埋深以及承载体个数等因素对锚固体与岩土体粘结界面剪应力分布的影响。
　　(2)利用该院自制的扩孔钻头，在两个工点进行扩孔压力型锚杆和多段扩孔压力型锚杆的现场试验，得到锚杆的荷载-位移曲线以及锚固体轴向应变曲线，并与理论推导分布关系进行了对比，证明了理论推导成果的合理性。
　　(3)结合现场试验的资料，利用FLAC3D软件对拉力型、压力型和扩孔压力型锚杆进行数值分析，得到不同类型锚杆的承载力以及锚固体与岩土体粘结界面的剪应力分布。与其他类型锚杆相比，扩孔压力型锚杆提高了锚固承载力，降低了应力集中程度。理论分析、现场试验以及数值分析得到的结果相近。
　　(4)根据Kelvin问题的基本解，分析单孔扩孔压力型锚杆的附加应力和位移场，利用叠加得到群锚的附加应力和位移场，提出了群锚的合理间距，用应力和位移的叠加面积计算群锚效应系数和锚杆共同作用系数。
　　(5)研究土层扩孔压力型锚杆的设计方法，提出可以采用等剪应力峰值、应力连续方法对土层扩孔压力型锚杆的锚固扩孔段长度以及普通钻孔锚固段长度进行设计。